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铝合金压铸模具疲劳失效分析研究

CAE技术联盟 2020-07-31 14:54:58

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压铸模具是指为了获得零件的结构外形,预先用其他轻易成型的材料做成零件的结构外形,然后再在砂型中放入模具,于是砂型中就形成了一个和零件结构尺寸一样的空腔,再在该空腔中浇注流动性液体,该液体冷却凝固之后就能形成和模具外形结构完全一样的零件。同时,压铸是一种节能、低价、高效的金属成型方式,压铸件具有尺寸精度高,表面光洁,强度和硬度高的特点,一般不需要机械加工或稍加工便可使用,适合批量生产。但是在使用过程中,由于各种原因压铸模容易因疲劳而失效。本文结合铝合金压铸模具疲劳失效的实际失效情况,总结分析了压铸模具的主要失效形式,系统地提出了分析压铸模具失效的方法和手段。从工程使用的角度提出了避免早期失效、提高模具寿命的方法。

1.       绪论
1.1.    引言

铝合金以其低密度高强度越来越多得到广泛应用,经过对铝合金化学成分的组成与优化,铝合金的铸造成型工艺、热挤压加工工艺和人工时效等工艺,使铝合金的性能得到发挥,铝合金压铸类产品主要用于电子、汽车、电机、家电和一些通讯行业,一些高性能、高精度、高韧性的优质铝合金产品也被应用到大型飞机、船舶等技术要求比较高的行业中,但是其主要应用还是在一些机械零件中。

铝合金压铸工艺较其他铝合金成型工艺有其自身的优势:压铸范围广;尺寸精度高、稳定性好;表面粗糙度底;生产率高;金属利用率高;铸件强度和表面硬度高等。

1.2.    铝合金压铸模

合金压铸又称压力铸造。它是将固态金属合金,如铝合金、锌合金、铜合金等加热熔化成液态后,在压铸机的作用下,将熔融的合金以高压、高速注入模具型腔内,并在高压下冷凝成与模具型腔相符的制品零件。所使用的模具称为合金压铸模。

1.3.    铝合金压铸模具疲劳失效分析的目的意义

       压力铸造工艺是一种高效益的少、无切削的金属成型工艺。压铸生产是将液态金属在高压状态下射入压铸模并冷却凝固的生产过程。压铸件具有尺寸精度高、表面光洁度、强度和硬度好等特点。压铸模是压铸生产的关键,直接影响着压铸件的表面质量、尺寸精度、生产效率和经济效益。铝合金压铸模具经过一段时间后不可避免地要失效,其主要失效形式是热疲劳、磨损、焊合、腐蚀和断裂。目前我国压铸铝合金模具在生产形状复杂的大件时,疲劳试验在6000~8000次,即在型腔表面出现疲劳裂纹,20000~30000次就会报废,模具使用寿命大大低于国外压铸模具的使用寿命,增加了压铸生产成本,影响了我国压铸行业的竞争力。由于压铸模具的工作条件非常复杂,对于压铸模具表面裂纹的产生和发展,宏观和微观的力学行为的认识还不很清楚。对铝合金压铸模具疲劳失效现象进行科学、公正和客观的分析研究,有助于揭示和认识事物的本质,激发和加快科学技术的进步,有助于我国铝合金压铸模具行业的快速发展。对压铸模进行失效分析,并针对失效原因进行相应的改进,可有效延长压铸模的使用寿命,对提高压铸件的加工质量和生产效率具有十分重要的意义,可提高压铸生产的经济效益。

1.4.  铝合金压铸模具疲劳失效分析的背景

        随着世界经济产业结构的调整,先进的制造工艺已成为我国工业的发展方向之一。而制造业的基础模具工业也随之迅速得到发展。中国模具潜在的市场很大,近年来中国已迅速地发展成为模具制造大国,在世界模具制造业产值中,所占的比例逐年上升,模具材料的用量也逐年增长。工业技术不断向前发展,对模具要求更苛刻、更高速的工况条件下工作。因此,国内外都在模具材料的研究和发展上做出了巨大的努力,也在这一方面取得了不少成果。制造模具及其零件的材料很多,如钢,铸铁,非铁合金及其合金、高温合金、硬质合金、钢结硬质合金、有机高分子材料、无机非金属材料、天然或人造金刚石等。但其中铝是用的最多,应用范围最广的材料。

2.       铝合金压铸模的组成

压铸模一般由两部分组成,及模架和工作部分。

2.1.    模架部分

模架由模体、导向零件和推出机构组成,它们的主要组成零件和作用是:

2.1.1.      模体

      模体由动模底座、定模板、动模板、定模套及定位件和紧固件组成。模体部分是压铸模的基础部分,压铸模所有部分都置于模体中。其中,定模板是固定定模于压铸机定模安装板上的板类零件,定模套是增强定模镶块强度和刚度的板件。齿轮毛坯压铸模见图1.


图1 齿轮毛坯压铸模

2.1.2.      导向机构

       压铸模一般均设有导向机构。固定在定模套上的导柱与固定在动模套上的导套组成导向机构。在模具工作时,以定准动模和定模的相对位置。压铸模导套见图2。


图2 压铸模导套

2.1.3.      开模和卸料机构

       压铸模的开模和卸料机构主要有推杆、推管、复位杆、推杆固定板、推板、导套等组成。

2.2.    工作部分

       工作部分由成型机构、浇注系统、抽芯机构、排溢系统和冷却系统组成。他们的主要组成零件和作用是:

2.2.1.      成型零件

       成型零件主要有定模、动模及型芯和定模型芯组成。其定模和动模为加工方便,也可做成嵌镶结构。这些零件是模具的主题零件,铸件在这些零件组成的型腔内成形。

2.2.2.      浇注系统

        浇注系统零件主要由浇口套、分流锥等组成。浇注系统是连接压室的通道。其中浇口是溶融合金的通道,而分流锥是使溶融合金合理分流并能平稳地改变流向的圆锥形零件。

2.2.3.      抽芯机构

       抽芯机构由斜销、滑块、限位块等零件组成。主要用来压铸制品零件的侧面侧孔、凸台等形状。

        阻碍压铸件从模具中沿着垂直于分型面方向取出的成型部分,都必须在开模前或开模过程中脱离压铸件。模具结构中,使这种阻碍压铸件脱模的成型部分,在开模动作完成前脱离压铸件的机构,称为抽芯机构。抽芯机构分类如下:(1)斜导柱抽芯机构;其以压铸机的开模力作为抽芯力,结构简单,对于中小型芯的抽芯使用较为普遍,用于抽出接近分型面抽芯力不太大的型芯,抽出方向一般要求与分型面平行。(2)弯销抽芯机构;其用于抽出分型面垂直距离较远的型芯,与斜销相比较,相同截面的弯销所能承受的抽芯力较大。(3)液压抽芯机构;其可抽出与分型面成任何角度的型芯,抽芯力及抽芯距离都较大,普遍用于中大型模具,抽芯动作平稳,对压铸反力较小的活动型芯,可直接用抽芯力楔紧。

3.       铝合金压铸模具常见失效形式

3.1.    热裂

      热裂是模具最常见的失效形式[4]。热裂纹通常形成于模具型腔表面或内部热应力集中处,当裂纹形成后,应力重新分布,裂纹发展到一定长度时,由于塑性应变而产生应力松弛使裂纹停止扩展。随着循环次数的增加,裂纹尖端附近出现一些小孔洞并逐渐形成微裂纹,与开始形成的主裂纹合并,裂纹继续扩展,最后裂纹间相互连接而导致模具失效。

3.2.    整体脆断

       整体脆断是由于偶然的机械过载或热过载导致模具灾难性断裂。材料的塑韧性是与此现象相对应的最重要的力学性能。材料中有严重缺陷或操作不当,会引起整体脆断。

3.3.    侵蚀或冲刷

       这是由于机械和化学腐蚀综合作用的结果,熔融铝合金高速射入型腔,造成型腔表面的机械磨蚀。同时,金属铝与模具材料生成脆性的铁铝化合物,成为热裂纹新的萌生源。此外,铝填充到裂纹之中与裂纹壁产生机械作用,并与热应力叠加,加剧裂纹尖端的拉应力,从而加快了裂纹的扩展。提高材料的高温强度和化学稳定性有利于增强材料的抗腐蚀能力。                            

4.       压铸模具常见的失效分析方法

       为了延长模具的使用寿命,节约成本,提高生产效率,就必须研究模具的失效形式和导致模具失效的原因以及模具失效的内部机理。由于压铸模具失效的原因比较复杂,要从模具的设计、材料选择、工作状态等很多方面进行分析。

4.1.    裂纹的表面形状及裂纹扩展形貌分析

失效模具型腔表面主要是冲蚀坑,大小比较均匀,冒口所对部位有明显的冲蚀坑外,表面明显具有一定方向的划痕,划痕上分布有大小不等的铝合金块状物。由于正对浇口部位直接受金属液的冲刷,该部位具有明显的冲刷犁沟,同时可观察到划痕间有裂纹。裂纹从裂纹源出发,并向四周扩展。裂纹内有大量的夹杂物,裂纹边缘有二次裂纹。由于模具使用时间短,一般部位表面主要是冲蚀坑和焊合,而浇口所对部位主要为液态金属冲刷形成的犁沟和热疲劳裂纹。

由于高温液态金属的冲刷,模具型腔表面首先冲击坑及犁沟,模具的表面表面变得凹凸不平,造成局部应力远远大于名义应力,产生应力集中的现象,这些部位是裂纹产生的危险部位。另外,分布在模具型腔表面的夹杂物,如氧化物、硫化物等,在热循环过程中与基体脱离,直接成为热疲劳裂纹。一方面夹杂物同集体的弹性模量不同,当热应力及机制力作用时,在其周围形成应力集中;另一方面在冷却时夹杂物与基体有不同的热收缩,造成镶嵌应力,两者叠加的结果,在夹杂物周围产生很大的应力场。应力集中的结果使冲击坑、犁沟及夹杂物成为疲劳裂纹的诱发核心和扩展优取向。

4.2.    残余应力分析

压铸模具的残余应力较为复杂,主要是在机械加工、电火花加工、热处理及生产过程中热冲击产生的热应力等原因产生。模具使用一定时间后,模具的表面的残余应力为压应力,裂纹前端无论是平行于裂纹扩展方向还是垂直于裂纹的扩展方向,都受压应力。型腔表面裂纹前端的残余应力大于裂纹沿深度方向裂纹前端的残余应力,模具的型腔表面温度变化大,产生的热应力的残余应力要大,而且模具投入使用之前的机械加工和热处理工程中模具表面产生的残余应力要大于模具内部。由于液态金属的冲刷,浇口所对部位的温度要高于一般部位,残余应力范围是90MPa~420MPa。

模具型腔表面残余应力的存在对裂纹的扩展有一定的影响,残余应力场中的裂纹扩展研究表明,残余应力可以增加裂纹的闭合程度,减缓裂纹的扩展速率,模具型腔表面形成的残余应力的大小及压应力存在的深度对减弱模具热疲劳裂纹的萌生和扩展有一定益处。

模具经过一定时间使用后,模具表面的残余应力应为压应力,裂纹前端无论是平行于裂纹扩展方向还是垂直于裂纹扩展方向都压应力。所以在模具的使用过程中隔一段时间要进行清洗和维修。

4.3.    模具失效综合分析

对失效的模具进行损伤处的外观分析、断口分析、金相分析、无损探伤等,了解模具损伤的种类,寻找模具损伤的根源,观察损伤部位的表面形貌和几何形状、断口的特征、模具的内部缺陷、金相组织的组成及特征,结合各部分的分析结果,综合判断模具的失效原因以及影响模具失效过程的各种因素。

模具失效的原因一般有模具的工作环境、模具质量、操作人员的水平和经验、生产管理制度等,其中最主要的是模具的质量。因此,在分析模具失效原因的时候,应将重点放在主要影响模具质量的因素上面。

在实际生产中,模具的工作条件和工作环境往往比较复杂,因而其失效形式以及引起模具失效的原因也是多种多样的,对其进行失效分析的具体方法和步骤也各不相同。但只要掌握了模具失效分析的一般规律,充分利用已有的技术资料和分析手段对失效模具进行综合分析,就能准确找出其失效原因。

5.       铝合金压铸模的设计要点

5.1.    设计压铸模的基本要求

(1)所设计的压铸模,经制造、装配试模以后,所成批生产的压铸件,应达到产品图样所规定的尺寸精度及各项技术要求。

(2)所设计的压铸模,在保证铸件质量和生产安全的前提下,应采用合理、简单、先进的结构,各部分动作要准确可靠、刚性良好。

(3)模具各零件应宜于机械加工及热处理。

(4)模具选材与设计要按GB/T 8844-88《压铸模技术条件》要求。各零件要选用有关国家标准的标准件,以缩短设计和制造周期。

5.2.    压铸模的设计程序

(1)对产品零件图进行工艺性分析。在设计模具前,根据零件所选用的合金种类,分析零件的形状、结构、精度和各项技术指标,并确定机械加工部位、加工余量和机加工时的工艺措施以及定位基准等。

(2)选定压铸件规格。根据产品零件形状和大小,按本厂生产状况,确定压射比压、计算锁模力,选定所要设计的模具,采用哪台压铸机,并估算其开模距离、开模力和推出力,选用压铸件所需的附件、工具等。

(3)初步确定模具结构。根据所选用的压铸机型号及规格,初步确定模具结构,并选择分型面和确定型腔的数量;选择内浇口进口位置,确定浇注系统总体布置方案;确定抽芯数量,选定合理的抽芯方案;确定推出零件位置,选择合理的推出方案;对带嵌件的铸件,要考虑嵌件装夹和固定方式等。

5.3.    模具的总体设计内容

(1)按初步选定的模具结构,确定分型面、型腔布置、浇注系统,并相应考虑溢流槽和排气槽的布置方案。

(2)确定型芯的分布位置,尺寸及固定方法。

(3)确定成型零件的镶块的拼镶及固定方法。

(4)确定抽芯方式,计算抽芯力和确定抽芯机构的尺寸。

(5)确定推杆、复位杆的位置和尺寸。

(6)布置冷却和加热管道的位置和尺寸。

(7)确定动模和定模镶块,动模和定模套板的外形尺寸。

5.4.    核对总体设计方案

根据总体设计方案设计与计算的结果,应对其进一步进行核实、分析比较,使其更加完善,以提高模具设计的质量。

在比较、核对时,应重点注意以下几点:

(1)所确定的总体设计方案,铸件是否成形可靠,压铸后铸件质量是否能满足产品的各项技术要求。

(2)所确定的模具结构是否简单、先进、合理,动作是否准确可靠,维修是否方便。

(3)所确定的模具结构,是否成本最低。

(4)所确定的模具结构,是否能充分发挥所选用压铸机的生产能力。

6.       铝合金压铸模疲劳失效分析

6.1.    压铸模的工作特点

6.1.1.      剧烈的温度变化

铝合金压铸模的工作温度为600℃左右,铝合金液压入型腔的速度45~ 108m / s, 压力约为2000~ 12000N /cm2,保压时间5~ 20s,每次压射隔时间为20 ~ 75s。压铸模工作时,熔化的铝合金液与模具工作零件表面接触,模具工作零件表面迅速升温到600℃左右,而内层尚处于较低的温度,表层受热膨胀,但受内层的约束,因而在表面产生压应力;同时,模具成型表面受高温、高速铝合金液的反复冲刷。另外为防止粘附铝合金液,频繁涂抹防粘涂料, 易引起成型表面温度的剧烈波动,都会产生较大的应力;工件脱模后,由于向模具工作表面喷撒冷却剂,使模具工作表面急剧冷却而收缩,当模具工作表面收缩受到约束时,便产生切向拉应力。这样在其表面产生的循环热应力,是引起铝合金压铸模冷热疲劳的根本原因。

6.1.2.      铝合金易粘附在模具工作表面

铝合金压铸模工作一段时间后,液态铝合金易产生粘模,造成铸件冷却缓慢,晶粒粗大, 铸件顶出变形,压铸模局部卡死甚至损坏,延长开型时间,降低生产率等。

6.2.    影响压铸模寿命的主要因素

6.2.1.      模具设计

模具设计对模具使用寿命至关重要。模壁不能过薄,若壁厚不足,则在巨大压力下可致模腔变形,在容易引起应力集中的部位(如过渡圆角半径过小部位)很快会出现裂纹;模具内冷通道的位置或间距设计不合理,模具各部分之间的温差将会增大,会使各部位膨胀程度不同,因而产生内应力,从而导致模具变形,当模具闭合时,就有可能造成局部接触或点接触,各部位所受压力极不均匀,使模具产生严重的局部过载,而导致模具早期开裂。

6.2.2.      模具制造

模具在制造加工过程中的每一个工序,如机械加工、热处理、装配等工序是否合理均可影响到模具使用寿命。机械加工中的磨削加工对模具寿命影响最大。如因砂轮不锋利或冷却不当,有可能使模具表面产生磨削裂纹;因冷却不当,使砂轮对模具表面强力摩擦产生较高热量,导致模具表面氧化,降低模具的耐磨性和耐蚀性;磨削热造成的残余拉应力,会降低模具的冷热疲劳与机械疲劳抗力。热处理过程中发生表面脱碳,将会降低模具的表面强度,并出现残余拉应力,由此而降低模具的机械疲劳抗力、耐磨性和耐蚀性。模具装配时, 若镶块与模体没能紧密接触,而是线接触或点接触,使镶块受力不均匀,容易导致镶块过早开裂。

6.2.3.      操作技术

模具使用前需先进行预热。预热不仅可提高模具钢的韧性,同时也可降低模具断面上的温度差,这样会降低模具的热应力,从而减少开裂的危险。如果未经预热而直接使用,有时第一次压铸就使模具失效;用涂料对压铸模进行润滑,可有效地提高模具寿命。

6.2.4.      模具材料

应根据模具的工作条件和模具钢的性能特点,合理选用模具材料。如3Cr2W8V 钢的耐热性能高于H13钢,但H13钢的韧性、抗氧化能力、冷热疲劳抗力均比3Cr2W8V钢高。故铝合金压铸模应采用H13钢制造;而对铜合金压铸模,采用3Cr2W8V钢比H13钢可获得较高寿命。

6.2.5.      压铸工艺

压铸工艺的合理选用,能确保压铸件的质量的提高压铸模的使用寿命。过高的压射比会使压铸模受到金属液的冲刷和增加粘模的可能性,降低压铸模的使用寿命;金属浇注温度过高,收缩大,铸件易产生裂纹、晶粒粗大, 还能造成粘模,降低压铸模的使用寿命;压铸模工作温度过高,会使液态金属产生粘模,铸件顶出变形,压铸模局部卡死甚至损坏。

7.       国内外常用的铝压铸模材料

7.1.    马氏体二次硬化型钢

目前国内外广为应用的铝压铸模具钢大多是马氏体二次硬化型钢,该类钢种主要利用高温回火时析出弥散合金碳化物作为强化相,具有较高的抗回火稳定性及热强性。以下是几种常用的马氏体二次硬化型铝压铸模具钢。

7.1.1.      H13 钢

AISI标准的H13钢是目前世界上用量最大的二次硬化型铝压铸模具钢,90%以上的压铸型腔模都是由H13钢制造。该钢具有良好的抗热疲劳性及较高的韧性,经过适当的表面处理后,其使用寿命可达到相当高的水平。由于H13钢是相当成熟的压铸模具钢,通过提高冶炼质量可进一步改进性能。优质H13钢就是采用EAF或UHP( 电弧炉和超高功率电弧炉) + 炉外精炼(如VHD、VAD、LF 等) 而得到的。与H13钢相比,优质H13钢中夹杂物及气体含量大大降低,材料的韧性及其它一些力学性能也相应提高。H13钢与优质H13钢使用寿命的比较,可见优质H13钢的使用寿命普遍高于普通H13钢。

7.1.2.      QRO 系列

瑞典Bofors 公司在H10钢的基础上加入2.8%的Co研制出一种新型压铸模具钢QRO45,该钢具有优良的抗软化性能。在600℃以上,其高温强度比H13钢高。之后瑞典的Uddholm 公司又相继开发出QRO80M和QRO90Supreme压铸模具钢。与H13钢相比,QRO80M和ORO90Supreme钢含有较低的Cr,同时增大了钢中的Mo含量,从而推迟了高温稳定性较好的MC型碳化物向稳定性较差的M23C6型碳化物转变,使该钢种具有更为持久的高温强度以及抗热疲劳性能。

在500~700℃时,QRO90Supreme钢中的碳化物多为尺寸小、热稳定性高的MC型碳化物, 而H13钢仅在500~600℃时为MC型碳化物,在600~700℃时,MC型碳化物转变为尺寸大、热稳定性差的M23C6型碳化物。这些碳化物对材料性能的影响当温度小于580℃时,H13钢的硬度高于QRO90Supreme钢,但当温度大于580℃后,由于H13钢中的MC型碳化物转变为M23C6 型碳化物,因而其硬度下降较快,而QRO90Supreme钢此时仍保持较高硬度。Uddholm 公司的试验结果,QRO90Supreme 钢的使用寿命为H13钢的两倍多,被称为90年代的压铸模具材料。

7.1.3.      Cr -N 二次硬化钢

H13钢和QRO90Supreme钢的高温强化机理都是利用碳化物的二次硬化作用,而美国专利热作模具钢Cr-N钢则是利用N的固溶强化及氮化物的析出强化作用。这种钢是由低C、高Cr含N钢发展而来,在含11%Cr的钢中加入0.10%的N,除了利用固溶强化效果外,同时也可形成氮化物以增强材料的耐磨性。这种强化机制克服了H13钢的一些脆性断裂问题,具有优良的抗热疲劳性能。有资料报道,用该钢种制成的铝压铸模的使用寿命高达80~100万次。 

7.2.    马氏体时效钢

马氏体时效钢具有良好的强韧性配合,高温下的强韧性比H13钢好得多,是优良的大型铝合金压铸模材料。此外,马氏体时效钢还有良好的工艺性能和焊接性能。由于马氏体时效钢中的合金含量较高,因而价格较贵。尽管如此,对于那些需要长寿命的模具,由于采用该钢而使模具寿命延长所节省的费用,足以抵消材料费用的超支。据介绍 ,Mar-M300制成的某模具,其材料成本比优质H13高20%左右,但寿命却超过优质H13钢152%,超过普通H13 钢268%。较差的导热性限制了马氏体时效钢推广应用,使得模具压射周期延长,生产率降低。

7.3.    难溶金属

难熔金属模具材料主要包括W基合金和Mo基合金。Anviloy1150是W基合金中比较有代表性的一种。它含有90%W和4%Mo,两种元素都具有相当高的熔点。为使冶炼温度可以实现,又加入了两种熔点较低的组分:4%Ni,2%Fe。这种材料具有高的导热性和低的热膨胀性能,因而对于抗热疲劳较为有利但较低的塑韧性使得加工变得很困难。最常用的Mo基合金是T ZM合金,它具有相当高的蠕变强度和韧性,抗热疲劳性能也比普通模具钢好得多。难熔金属被广泛用作型芯材料,且很少有必要配备水冷系统。有时在铝压铸模型腔内易被侵蚀的部位也可采用。

8.       提高模具寿命的方法措施

8.1.    采用减少温差的工艺措施

在操作前将压铸模进行预热。各类压铸模的预热温度可参照:铝合金模120~230℃、锌合金模110~200℃、镁合金模120~230℃、铜合金模170~250℃、铝镁合金模150~240℃。另外,在模具冷却过程中为减少热应力,可把冷却水加热到30~40℃[5]。

8.2.    采用减小应力或改变应力性质的处理工艺

8.2.1.      对压铸模进行中间去应力回火

进行中间去应力回火,可提高模具寿命1~2倍。中间去应力回火应在出现裂纹之前进行,回火温度应比原来的回火温度低30~ 50℃。其间隔时间应根据压铸模类型、压铸件大小(质量),视各厂具体情况而确定,可参照表1。

表1  各类压铸模第一次去应力回火时间

模具类型

回火时间

铝合金压铸模

铜合金压铸模

≦100g

100g﹤﹤500g

﹥500g

≤100g

100g﹤500g

﹥500g

第一次时间

25000次后

10000次后

5000次后

3000次后

2000次后

1000次后

8.2.2.      对压铸模成型表面进行喷丸处理

喷丸处理可使模具成型表层形成压应力,使表层的细微裂纹封闭而不易扩展,推迟热疲劳裂纹的形成和扩展,从而使模具寿命得到提高。

8.3.    热处理工艺

8.3.1.      渗氮

渗氮可提高压铸模的耐磨性、抗浸浊性, 并可防止铝、铜等压铸件的粘模。渗氮后再经过适当的降低渗层脆性的回火处理,可提高模具的冷热疲劳抗力。如3Cr2W8V钢制造的电风扇支架及底架铝合金压铸模,经加氧渗氮工艺处理后,模具寿命提高了近14倍,且脱模容易,压铸件质量高。

8.3.2.      碳硼共渗

采用40Cr钢制造铝合金压铸模的工作零件,经碳硼共渗后,可使模具工作零件既有极强的表面强度、良好的红硬性和抗氧化性,又具有较深的渗层和平缓的硬度分布梯度,模具使用寿命可提高3~ 4倍。

8.3.3.      模具预处理

采用快速匀细球化退火工艺,可有效地解决压铸模具用钢的组织不均的尺寸敏感性。如用HM3钢制造的122cm吊扇上下盖铝合金压铸模,经上述工艺后,模具使用寿命达23万件以上,且模具表面质量良好,脱模容易,未发现热疲劳和冲蚀现象。

8.4.    合理选择模具的硬度

不同类型的压铸模,因被压铸材料的浇注温度高低不同,这就要求模具回火温度不同,浇注温度越高,模具的回火温度也应越高,因而模具的硬度也就越低。如3Cr2W8V钢制造铝合金压铸模时,硬度为44~48HRC;而制造铜合金压铸模时,硬度为42~44HRC为宜。

8.5.    优化模具结构和合理压铸工艺

       在设计压铸模时,必须全面分析铸件结构,熟悉压铸机操作过程及工艺参数可调范围,分析金属液的充填特点,优化压铸模的模具结构;选择合理的压射比压、充填速度、浇注温度等工艺参数,延长压铸模的使用寿命。各种压铸合金的浇注[5]。温度见表2。

表2  各种压铸合金的浇注温度

合金

铸件壁厚≦3mm

铸件壁厚﹥3mm

结构简单

结构复杂

结构简单

结构复杂

铝合金

610~680

640~700

590~660

610~680

锌合金

420~440

430~450

410~430

420~440

镁合金

640~680

660~700

620~660

640~680

铜合金

870~940

900~970

850~920

870~940

8.6.    合理选用模具新材料

应根据模具的工作条件和模具钢的性能特点,合理选用模具新材料。如用H13钢制造的铝合金压铸模具,寿命远高于3Cr2W8V钢制造的模具;用Y10钢制造商的铝合金压铸模具,使用寿命比3Cr2W8V钢制造提高近10倍。

8.7.    规范操作

       对压铸模用涂料进行润滑,对服役一定时间的模具,中间安排低温回火,以消除模具中的内应力;对模具进行预热;对模具间歇工作时的保温等都可有效提高模具寿命1~4倍。在实际生产中,我们应重视对失效模具进行分析,找出失效原因,并提出相应措施来提高压铸模的使用寿命。如某厂用H13钢料制作的一款铝合金烤盘压铸模,在使用5000多次后,模面出现了严重的龟背状裂纹,以致失效而不能继续使用。与其它使用寿命达数万次的H13钢制铝合金烤盘压铸模相比,显然属早期失效现象,给企业生产带来了经济损失。为此对失效模具进行分析,经宏观检查,硬度检测,化学成份检测,金相检查与分析等技术手法,得出以下结论:

(1)失效模具表面大面积开裂属于热疲劳开裂。

(2)失效模具材料化学成分中Mo和V元素含量偏低,降低了材料的高温强韧性和热疲劳抗力;同时导致材料的热处理工艺控制不准确,组织较粗大,强度足。

(3)材料组织中存在不容忽视的冶金缺陷,削弱了材料的强度。

(4)材料中的带状组织影响了材料的均一性,使材料性能出现各向异性,以致裂纹易于萌生和扩展,导致材料的热疲劳强度降低。

9.       结束语

       模具使用寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计、加工及热处理工艺、模具使用与维护等各项指标的综合体现。因此,研究模具的寿命特性、分析模具的失效机理已越来越受到模具工业技术领域的重视。对压铸模失效及提高压铸模寿命进行研究,对压铸生产意义重大。目前我国铝压铸模的使用寿命普遍较低,约2~10万模次,而日本为7~21万模次,德国为10~25万模次,许多压铸厂仍采用传统的3Cr2W8V模具钢,致使模具过早报废,压铸件生产成本升高,劳动生产率降低。当务之急应加速推广优质模具材料如H13钢等,进一步加强铝压铸模具材料的研究开发,在对国外优质模具材料消化吸收的基础上,开发出适合我国国情的优质铝压铸模具钢。


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