铝合金压铸模具失效分析及寿命提高措施

2020-07-16夏家引

中国新技术新产品 2020年9期

夏家引

（宁波威克斯液压有限公司，浙江宁波 315502）

0 引言

众所周知，目前的模具加工技术包括冲压模技术、塑料模技术及压铸模技术3类，而压铸模技术是后起之秀，在现代社会的发展中，其作用越来越突出。随着工业化程度的不断提高，压铸技术在诸多领域得到了广泛应用，压铸零件更是遍布各个行业，例如在仪器仪表、汽车制造及电子设施设备中。不同于切削及焊接工艺，压铸工艺在企业加工过程中有着较高的生产效率，这也大大提高了企业的经济利益，而这就要求提高模具的质量，保证模具的使用寿命。因此，对铝合金压铸模具失效进行研究至关重要，这也是目前国内外为了促进模具技术发展而进行的一个热门研究课题。通过对铝压铸模的加工及热处理工艺进行分析，以得到提高压铸模使用寿命的措施，这在具体的生产实践中具有深远的意义。

1 铝合金压铸模具失效背景

铝合金压铸的加工工艺过程包括下料、锻造、球化退火、铣削加工、淬火、粗磨、精磨、电火花成形加工及研磨抛光。采用H13 钢材料，通过高温淬火以及回火处理，可以使H13 钢材料的硬度达到46HRC 至49 HRC，这使得模具的耐磨性、抗疲劳性以及耐蚀性得到了很大程度的提高。模具的预热温度一般设置在200℃，对铝合金进行浇筑的温度通常可以达到670℃，慢压射的距离设置为0.35 m，慢压射的速度设置为0.3 m/s，压射的距离设置为0.070 m，快压射的速度设置为3.0 m/s，经过反复使用模具达3 000 次后，模具型腔表面会有裂纹产生，但数量不多，模具底部出现冲蚀情况，假如再多次使用，模具型腔表面的裂纹难免增多，导致模具外观质量受损。图1（a）为某失效压铸模具的型芯结构图，图1（b）则展示了此失效压铸模具具体的型腔结构。

2 铝合金压铸模具失效原因分析

以上对铝合金压铸模具失效背景进行了介绍，下面对其失效的成因做具体分析。

首先对该失效模具进行取样观察，获得了该失效模具裂纹处的金相组织图，该金相组织灰白条纹间隔分布，其中，灰色条纹区域主要成分为回火马氏体，而白色条纹区域主要成分为残留奥氏体，说明有一定量的碳化物析出，组织中的非金属物质含量较多。

图1 失效的模具结构

通过对模具进行时效研究发现，H13 钢材料具有较大的截面尺寸效应，而且导热性差，经过长时间高温淬火后，工件的晶粒变得更加粗大，局部奥氏体过饱和碳浓度升高，而经过回火工艺后，组织内的马氏体变化明显，出现较大的应力现象，并且在热处理过程中局部有大量碳化物析出，这就造成了工件韧性不足，发生脆化现象。随着碳化物的大量析出，模具底部凹角处产生大量的集中放电现象，并且电流放电效应不断积累，进而造成模具型腔凹角处产生越来越明显的裂缝，增大了失效模具内部的拉应力。除此之外，在压铸模具的过程中，铝合金液由于受到模具型腔的空间包裹限制，在模具型腔内的凹角处产生一定的拉伸力，而温度较高的铝合金液通过热传导使模具表面温度随之升高，进而导致模具膨胀，在模具工作表面产生一定的压应力，而在脱模后，需要对模具进行冷却处理，进而导致模具收缩，产生一定的切向拉应力，这几种力反复作用，在模具型腔内的凹角处不断积累，导致脆化的模具出现裂纹，并且裂纹不断加深。通过以上具体分析可以得知，不恰当的热处理工艺及压铸过程中的交变应力将导致模具产生裂纹，出现失效。

3 提高铝合金压铸模具寿命的措施

3.1 结构设计

结构设计能够有效地提高铝合金压铸模具的使用寿命，在进行结构设计的过程中，可采取以下具体措施。1）采用CAE 技术对压铸模具的溢流槽与内浇口的数量及位置进行优化，以最大限度地减轻浇筑铝液时对压铸模材料的冲蚀作用，进而延长压铸模的使用寿命。2）在不影响铸造工件表面质量的前提下，为了减小铝合金液对压铸模的冲击，可适当增大内浇道的截面积，同时能够起到增加流量的作用。3）在进行结构设计的过程中，可采用整体式溢流槽结构，以达到提高压铸模局部温度、减小压铸件变形量的目的，进而保证压铸件生产品质。4）可将模具型芯设计为台阶状，以减少铝合金液在压铸模工作表面产生的粘模力。5）把结构设计成双型芯对铸结构，可减轻细长型芯受铝液的冲击，避免在脱模过程中毁伤内孔，防止变形。6）在压铸模常出现裂纹的位置，可设计成镶件结构，这样即使在后期出现裂纹也能及时进行更换。

另外，在进行结构设计的过程中，应注意到压铸模的精度。在加工过程中，一定要采取闭环控制的方式，务必对装配尺寸链的累积误差进行及时消除。

3.2 工艺优化

工艺优化能够有效地提高铝合金压铸模具的使用寿命。具体的工艺优化过程包括以下4 个方面。1）通常情况下，磨削加工存在大量的热量，通常会引起成型腔表面的破裂。基于以上分析，为了尽可能地避免压铸模失效现象的发生，最大程度地提高压铸模的使用寿命，在进行磨削加工处理的时候，应当尽量选择冷却充分、自锐性好的砂轮进行精磨加工。2）要有效采取H13 钢硬态铣削措施，通过此方法尽可能获得与磨削处理工艺相当的粗糙度，想方设法运用此方法代替磨削加工，从而使生产成本尽可能减少。3）为了尽量减少甚至消除压铸模表层存在的残余压应力，需要对电加工后得到的压铸模表面进行喷丸，从而缓解热疲劳造成的裂纹，最终达到提高压铸模使用寿命的目的。4）在切割过程中产生了大量的脉冲能量，进而造成压铸模工作表面产生裂纹。为了避免这种现象造成的压铸模失效，在H13 钢成形切割过程中，应采用中脉宽、大峰值电流的加工工艺，而后续的精修加工，再采用小脉宽来降低脉冲能量。

3.3 硬度设计与热处理工艺

除结构设计与工艺优化外，硬度设计与热处理工艺也能够有效地提高铝合金压铸模具的使用寿命，具体包括2点。1）硬度设计：在选择压铸模不同部分的硬度时，应遵循科学合理的原则。研究证实，通过真空淬火处理后，H13钢可以达到的最佳硬度值范围是44HRC 至48HRC，当然，还需要按照实际压铸模失效的形式来确定具体如何选取压铸模表面的硬度，其中，压铸模热疲劳失效取上限，压铸模脆性开裂失效取下限；根据铝合金压铸模的尺寸大小不同，铝合金压铸模硬度的选取不同，对于大尺寸、形状复杂的压铸模表面硬度值范围是44HRC 至46HRC，中小型铝合金压铸模表面硬度值范围是46HRC 至48HRC；对于大型型腔，可采取降低硬度的方式提高韧性、防止开裂，而采取降低韧性的方式，能够防止型芯失效。2）热处理工艺：在1 020℃～1 100℃中对H13 钢进行保温，其可以让碳化物更好、更充分地与奥氏体相溶，这对于提高压铸模具的使用寿命无疑是一个巨大的福音。热处理工艺具体的操作流程主要包含对热油中的压铸模型腔进行反复翻转，从而尽可能改善和实现对流传热效果；选用氮化或碳氮共渗方式处理压铸模型腔表面，避免侵蚀作用；在对型芯进行处理时，不要整体侵入热油中，应该先将表面与热油进行接触，这样能够提高型芯的韧性与硬度。