淺談壓鑄模具中的幾種失效模式及成因

原彬 李寶健 吳偉杰

長城汽車股份有限公司技術(shù)中心 071000

1 引言

壓鑄模具作為一種在高溫、高壓環(huán)境下生產(chǎn)作業(yè)的模具，要求其熱疲勞強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、使用壽命長、產(chǎn)品合格率高。但是它造價(jià)成本高、修復(fù)難、制作周期長，所以模具在使用壽命方面尤為重要。在激烈的競爭環(huán)境下，對其在各方面的要求都提出了更高標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對壓鑄模具在腐蝕、龜裂、沖蝕、粘模等方面產(chǎn)生的原因分析，提出提高模具工作穩(wěn)定性及使用壽命的措施。

2 壓鑄模具幾種失效模式

2.1 粘模

圖一 粘模

圖二 腐蝕

粘模失效形式如圖一所示，是壓鑄液態(tài)金屬與型腔表面的化學(xué)反應(yīng)，形成原因與鋁合金的化學(xué)成分有直接關(guān)系，F(xiàn)e與Mn的含量越高，粘模問題就越嚴(yán)重。也可能是由于模具表面溫度過高、冷卻潤滑劑的種類和使用方法、澆注口的位置或過高的凝固壓力等原因引起的。

2.2 腐蝕

腐蝕失效形式如圖二所示。是由于模具表面與其他金屬的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的。成因有液態(tài)金屬紊流、壓鑄金屬種類及化學(xué)反應(yīng)、模具以及液態(tài)金屬溫度、模具型腔表面狀態(tài)、澆注口位置等。

2.3 沖蝕

圖三 沖蝕

圖四 龜裂

沖蝕失效形式如圖三所示。由于液態(tài)金屬與型腔表面過高的相對速度而引起的。過高流速、過高壓力、澆注口位置與設(shè)計(jì)不當(dāng)、過高或過低的液態(tài)金屬溫度、液態(tài)金屬的化學(xué)成分、模具的硬度、潤滑劑的使用量等。

2.4 龜裂

龜裂失效形式如圖四所示。龜裂主要由于應(yīng)力造成，而形成應(yīng)力的原因很多，應(yīng)力負(fù)荷、溫度負(fù)荷都是模具產(chǎn)生應(yīng)力的原因。熱負(fù)荷TS（max）（模具表面溫度）大小由：壓鑄金屬種類（Cu,Al，Zn）、壓鑄件重量大小、內(nèi)置冷卻系統(tǒng)（水冷/油冷）、壓鑄壓力(熱傳導(dǎo)速率)、壓鑄周期、脫模劑實(shí)施（種類、時(shí)間、壓力）等因素所決定，需要注意的是模具表面的硬度（HRC）與模具表面溫度（TS）直接相關(guān)；應(yīng)力負(fù)荷由溫度梯度 TS（Tmax）-TC（Tmin）=ΔT、模具設(shè)計(jì)（冷卻水道的位置）、壓鑄壓力決定，由應(yīng)力負(fù)荷所造成的結(jié)果有蠕變，裂紋進(jìn)一步發(fā)展以至在模具拐角處出現(xiàn)開裂、斷裂。

3 避免壓鑄模具失效的措施

3.1 模具溫度及冷卻

為了減少或避免上述問題的發(fā)生，在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：鋼材的熱脹冷縮及溫度分布，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，在模具設(shè)計(jì)階段如果選用不合理拐角也會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，所以在壓鑄模具中要杜絕在型腔內(nèi)使用尖角結(jié)構(gòu)，小分布密集的水道比大分布稀疏的要好，在冷卻水選用方面要注意，水冷,流道直徑φ9-φ12 mm，油冷,流道直徑φ12至φ15 mm，并且冷卻水道至型腔通常為25 mm,至澆道口為28 mm，冷卻水道的直徑與壓鑄件的壁厚有關(guān)，水道間距最大為3倍的水路直徑，冷卻的效果直接影響模具溫度。

3.2 模具材料及熱處理

圖五 材料彈性應(yīng)變與塑性變形關(guān)系圖

從圖五中可以看出，如果沒有塑性變形就不會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，但是塑性變形是不可能絕對消除的，由于模具為反復(fù)生產(chǎn)的，每一次壓鑄循環(huán)都會(huì)使模具表面產(chǎn)生應(yīng)變，模具材料在積累大量蠕變之后就會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。模具材料吸收塑變的能力、延展性、屈服強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度，紅硬性越高，產(chǎn)生疲勞裂紋的可能性越小。塑性變形失效形式如圖六所示。

模具材料的延展性（柔軟性）越高，在模具型腔表面產(chǎn)生塑性裂紋之前，模具材料就能夠吸收更多的塑性變形。模具材料的延展性也是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素，這是受鋼材的冶金水平所決定的。如果精加工后的模具工件，其中機(jī)加工會(huì)對其造成影響，一次碳化物的大小和多少、材料的純凈度、微觀偏析程度、模具氮化與否、模具電加工程度等對能其產(chǎn)生影響。所以材料必須具有足夠的延展性以抗衡來自各不同方向上應(yīng)力組合，高級(jí)模具材料就具備如此高的延展性。

圖六 塑性變形失效圖

韌性是裂紋進(jìn)一步發(fā)展之前在裂紋的前端位置材料能夠吸收應(yīng)力的能力，即材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力。韌性、硬度、溫度的關(guān)系如圖七所示。影響韌性的因素：熱處理組織，其越均勻越單一越好；硬度控制得當(dāng)，理論上硬度越低韌性越高。

從圖七可見，韌性與硬度不能極限共存，熱處理就是將它們以最佳狀態(tài)進(jìn)行融合。材料的后期處理與前期冶金材質(zhì)的合金成分息息相關(guān)，如果作為模具其使用最終的目的是保證模具品質(zhì)，那對后期的加工要求極為嚴(yán)格，其中去應(yīng)力步驟必不可少，并且對于前期失效過程的總結(jié)、預(yù)判要做好充分的風(fēng)險(xiǎn)測評(píng)。只有對材料、熱處理、加工過程充分把握才能保證后期模具的品質(zhì)。

圖七 韌性、硬度、溫度的關(guān)系圖

4 結(jié)語

壓鑄模具的穩(wěn)定性和壽命與模具材料、溫度、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、冷卻、加工及后期的保養(yǎng)（去應(yīng)力處理）都有至關(guān)重要的關(guān)系，只有分析清楚原因，才能找到解決途徑?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)、及時(shí)把握行業(yè)的前沿技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際才能保證模具高品質(zhì)、高成功率、高壽命，從而使模具整體效益更佳，競爭力更強(qiáng)。