摘要：為減少壓鑄模裂紋的產(chǎn)生，延長(zhǎng)壓鑄模使用壽命，采用普通熱作模具鋼及高鉬熱作模具鋼，試驗(yàn)了其產(chǎn)生龜裂紋的模次。考查兩種模具鋼表面氮化后出現(xiàn)龜裂紋的模次及龜裂紋的深度，并對(duì)對(duì)模具加工的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，相同產(chǎn)品、相同生產(chǎn)條件做了氣體表面氮化的模具壽命比不做表面氮化的模具壽命延長(zhǎng)53%～75%。

目前，汽車的發(fā)展帶動(dòng)鋁合金壓鑄件每年兩位數(shù)的增長(zhǎng)。壓鑄工藝的特點(diǎn)是高溫、高壓和高速，由于汽車零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密且有耐壓要求，所以壓鑄模具經(jīng)常在高溫、高壓和高速的惡劣環(huán)境下工作，通常生產(chǎn)8萬(wàn)模次就要報(bào)廢，影響鋁合金壓鑄件生產(chǎn)的品質(zhì)、效率及成本。因此制造復(fù)雜、精密和長(zhǎng)壽命的壓鑄模成了生產(chǎn)廠家的迫切要求。影響壓鑄模壽命的因素很多，諸如鋼種（模具鋼材的成分）、熱處理、模具加工工藝、模具結(jié)構(gòu)、表面處理及維護(hù)保養(yǎng)等。造成壓鑄模具報(bào)廢的原因有熱龜裂紋（鋁合金壓鑄模具占60%～70%）、脆性穿透裂紋（鋁合金壓鑄模具占10%～20%）、粘蝕、熔蝕、變形等。本課題為延長(zhǎng)模具壽命，專門針對(duì)裂紋試驗(yàn)了不同的鋼種、模具加工工藝和表面處理，并成功地應(yīng)用于某支架零件的壓鑄生產(chǎn)。

1、裂紋形成機(jī)理及鋼種的選擇

裂紋形成與模具受到的熱疲勞應(yīng)力及自身的殘余應(yīng)力有關(guān)。壓鑄是一個(gè)噴脫模劑冷卻和鋁液加熱交替循環(huán)的過(guò)程，因此在模具型腔表面產(chǎn)生熱疲勞應(yīng)力。當(dāng)熱疲勞應(yīng)力累積超過(guò)模具鋼自身的抗熱疲勞強(qiáng)度時(shí)，型腔表面開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的熱龜裂紋，并在后續(xù)的壓鑄生產(chǎn)中不斷變寬加深，連成一片后型腔表面出現(xiàn)崩缺。模具加工工藝及形狀結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)脆性穿透裂紋，也會(huì)在壓鑄生產(chǎn)中不斷變寬加深，最后形成模具的大開(kāi)裂。

由于汽車零件壓鑄模具的高要求，在試驗(yàn)中選取了抗熱疲勞強(qiáng)度高的進(jìn)口高級(jí)模具鋼，如8418、DH31-EX和DAC55模具鋼,成分?jǐn)?shù)據(jù)取中值，和常用模具鋼H13做對(duì)比，見(jiàn)表1。可以看到，前3種模具鋼一個(gè)共同特點(diǎn)都是Mo含量高。把少量鉬加到鋼之中，可提高鋼的強(qiáng)度，特別是高溫強(qiáng)度和韌性，改善鋼在酸堿溶液和液態(tài)金屬中的抗蝕性，以及鋼的耐磨性和善淬透性、焊接性、耐熱性。

表1：模具鋼成分

2、設(shè)備選擇及試驗(yàn)方法

壓鑄過(guò)程的循環(huán)如下：打開(kāi)模具，取出壓鑄件，向型腔噴水溶性脫模劑，吹干型腔，合模，壓鑄。因此壓鑄就是一個(gè)冷卻（噴水溶性離模劑）加熱（壓鑄）交替循環(huán)的過(guò)程。根據(jù)壓鑄工作原理，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的試驗(yàn)儀器，見(jiàn)圖1。

圖1：試驗(yàn)儀器示意圖

試驗(yàn)對(duì)象是模具鋼試樣，直徑為80 mm，在試樣背面鉆直徑為5 mm孔安裝熱電偶，測(cè)溫孔前端距離加熱端面20 mm。高周波儀連接加熱盤，加熱盤直徑為35 mm。冷卻器采用連接自來(lái)水和壓縮空氣的噴槍。高周波快速加熱試樣到600 ℃后，再噴霧冷卻到150 ℃ ，記錄為1個(gè)模次，并反復(fù)循環(huán)。

3、試驗(yàn)結(jié)果分析

首先用普通模具鋼H13與Mo含量高的模具鋼DAC55進(jìn)行對(duì)比，得到兩種鋼材不同硬度出現(xiàn)表面龜裂紋的模次，見(jiàn)表2。可以看出，硬度高，抗熱疲勞強(qiáng)度越高，出現(xiàn)熱龜裂紋的模次就越大。在硬度接近條件下，Mo含量高的DAC55鋼出現(xiàn)表面龜裂紋的模次比H13高66%。

表2：兩種鋼材不同硬度出現(xiàn)表面龜裂紋的模次

從表1可以看出，模具鋼硬度越高，抗熱疲勞強(qiáng)度越高，出現(xiàn)表面龜裂紋的模次就越高。因?yàn)槟＞咪撚捕仍礁撸g性就越低，在模具殘余應(yīng)力集中位置就容易出現(xiàn)大開(kāi)裂。為此，試驗(yàn)另一種表面處理工藝，在保證模具鋼內(nèi)部韌性的前提下，提高表面硬度來(lái)提高模具鋼抗熱疲勞強(qiáng)度，見(jiàn)圖2。

圖2：兩種表面處理工藝的硬度值圖

從圖2得知,鹽浴氮化的硬度會(huì)大于氣體氮化，理論上鹽浴氮化出現(xiàn)表面龜裂紋的模次會(huì)大于氣體氮化的。分別用未處理試樣、鹽浴氮化試樣和氣體氮化試樣做冷熱交替循環(huán)試驗(yàn)，材料是H13鋼，從表2可知出現(xiàn)表面龜裂紋的最大模次是3600，因此試驗(yàn)的模次設(shè)定為5000。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和表3，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有表面處理的試樣龜裂紋的平均深度及最大深度都是最大；氣體氮化試樣龜裂紋的平均深度及最大深度都是最少。表3顯示鹽浴氮化試樣出現(xiàn)表面龜裂紋最早；氣體氮化試樣出現(xiàn)表面龜裂紋最遲。鹽浴氮化出現(xiàn)表面龜裂紋的模次小于氣體氮化；表面龜裂紋的平均深度及最大深度也比氣體氮化深。原因是鹽浴氮化表面出現(xiàn)0.01 mm的白層，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖3：3種表面狀態(tài)的龜裂紋平均深度圖

圖4：3種表面狀態(tài)的龜裂紋最大深度圖

表3：不同表面狀態(tài)下出現(xiàn)表面龜裂紋的模次

除了對(duì)鋼材及表面處理進(jìn)行研究外，本項(xiàng)目還對(duì)模具加工工藝產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。針對(duì)型腔加工常用高速切削加工工藝，通過(guò)X射線檢測(cè)得到的殘余應(yīng)力數(shù)值見(jiàn)圖4。從數(shù)據(jù)對(duì)比看出，切削速度不宜太高。這需要在后序退火處理中去除殘余應(yīng)力，不然會(huì)在壓鑄生產(chǎn)中容易引起模具開(kāi)裂。

圖4：模具切削加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

對(duì)模具放電加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行研究，得到的殘余應(yīng)力數(shù)值，見(jiàn)圖5。原因是放電加工會(huì)在型腔產(chǎn)生白層，殘余應(yīng)力數(shù)值較大白層深度只有0.11 mm，可以用研磨砂紙及油石手工拋光去除。

圖5：模具放電加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

為探討減少裂紋導(dǎo)致的模具失效，選定了一款支架零件模具進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。產(chǎn)品基本尺寸為155 mm×150 mm×86 mm，鑄件質(zhì)量為0.85 kg。

圖6：支架零件圖

根據(jù)前面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同一款產(chǎn)品用3種模具鋼制作3套模具，相同的模具制造工藝。由于8418廠家不認(rèn)同氣體氮化能減少模具表面龜裂紋，因此在試模產(chǎn)品尺寸檢測(cè)合格后，只在DH31-EX和DAC55鋼做氣體氮化，通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)探討減少裂紋導(dǎo)致的模具失效方法，經(jīng)過(guò)一年生產(chǎn)，進(jìn)行了氣體氮化處理的模具壽命有了大幅提高，見(jiàn)表4。

表4：做表面處理的模具壽命對(duì)比分析

4、結(jié)語(yǔ)

為減少壓鑄模具裂紋的產(chǎn)生，延長(zhǎng)壓鑄模具使用壽命，應(yīng)注意下面幾個(gè)方面：Mo含量高的模具鋼的抗熱疲勞強(qiáng)度明顯比普通模具鋼高。模具鋼熱處理硬度高，抗熱疲勞強(qiáng)度越高，出現(xiàn)熱龜裂紋的模次就越大。為兼顧模具的內(nèi)部韌性及型腔表面抗熱疲勞強(qiáng)度，適當(dāng)降低模具鋼熱處理硬度，并做表面處理，能有效提高模具使用壽命。模具制作完成后必須做去應(yīng)力退火。

作者：
陳劍虹 汪學(xué)陽(yáng) 安肇勇 黃志垣
廣東鴻圖科技股份有限公司

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本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第08期