压铸模具失效形式与提高寿命的方法

摘要：本文结合工厂的压铸模具的实际失效情况，总结分析了压铸模的主要失效形式，系统地提出了分析压铸模具失效的方法和手段。从工程实用的角度提出了避免早期失效、提高模具寿命的方法。
　　关键字：压铸模具；失效形式；模具寿命

　　压铸是一种节能、低价、高效的金属成形方式。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经加工便可使用，适合批量生产。但是在实际使用过程中，由于各种原因压铸模容易失效。

1 压铸模具常见失效形式
　　下面结合工厂实际情况分析了压铸模具的失效形式和失效机理。
1.1 热裂
　　热裂是模具最常见的失效形式如图 1 所示。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。



图1  模具热裂失效

1.2 整体脆断
　　整体脆断如图 2 所示，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。     



图2 模具整体断裂


1.3 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，铝充填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，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。

2 压铸模具常见失效分析方法
　　为了延长模具的使用寿命、节约成本和提高生产效率，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，需要从模具的设计、材料选择、工作状态等很多方面来进行分析。如图 3 所示，为压铸模具常见失效分析图。



图 3 压铸模具常见失效分析方法

2.1 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且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，模具的表面变得凸凹不平，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，当热应力及机械力作用时，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。
2.2 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过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，加上冲击力的作用，浇口所对部位的残余应力大于一般部位。残余应力范围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为压应力，裂纹前端无论是平行于裂纹扩展方向还是垂直与裂纹扩展方向都受压应力，所以在模具的使用过程中隔一段时间要进行清洗和维修。

3 提高模具寿命的方法
　　对压铸模具失效及提高压铸模寿命的研究，无论是从实验方法还是对模具寿命的估算，都没有一个统一的标准，使压铸模具的使用寿命遇到了一个瓶颈，因此，提高模具寿命是工程界一个十分艰巨的任务。
3.1 精心设计压铸件和压铸模具
　　模具的局部开裂、型腔表面磨损以及型壁面交界处的裂纹等失效，往往是由于压铸件的工艺设计不合理所造成的。因此，设计压铸件必须注意以下几点：
（1）在满足压铸件结构强度的条件下，宜采用薄壁结构，这不仅减轻了压铸件的质量，而且也减少了模具的热载荷。
（2）压铸件壁厚应均匀，避免热节，以减少局部热量集中引起模具过早的热疲劳失效。
（3）压铸件所有转角处，应有适当的铸造圆角，以避免在模具相应部位形成棱角，产生裂纹和塌陷。
（4）压铸件上应尽量避免深而窄的凹穴，以避免模具相应部位出现尖劈，使散热条件恶化而产生断裂。
（5）压铸件应该有合理的脱模斜度，以避免开模抽芯取件时擦伤模具型壁。
3.2 保证模具的加工质量
　　模具的加工制造、安装、装配的实际精度对模具的寿命有影响，需要引起重视，其中的磨销加工对模具寿命的影响很大，至少会从三个方面对损坏模具寿命：
（1）砂轮不锋利引起的摩擦使模具表面出现磨销裂纹。
（2）摩擦热使模具表面软化，降低了模具抗热疲劳能力和内腐蚀能力。
（3）表面存在磨销应力，降低了模具的抗热疲劳能力和机械疲劳能力。
3.3 选用优质钢材
　　压铸模具材料质量的提高于改进对其热疲劳寿命的提高影响极大。其中，气体于杂质的含量高、成分偏析及碳化物的不均匀程度严重，都会降低模具的热疲劳寿命。钢中的夹杂物往往是萌生裂纹的核心，夹杂物的尺寸大于某一临界尺寸后，疲劳强度随夹杂物颗粒尺寸的加大而下降。疲劳强度的下降与颗粒尺寸的立方成正比 [1][2] 。
3.3.1 采用先进的毛坯锻造工艺
　　采用先进的毛坯锻造工艺有两个目的，一是使碳化物分布均匀，二是形成合理的流线分布，以提高钢材的耐磨性和各项同性以及抗咬合能力 [1] 。
3.3.2 采用合理的热处理规范
　　作为压铸模具材料必须具有较高的热强度和回火稳定性，这样才有可能获得高的热疲劳抗力和耐磨性。从压铸工作条件和提高抗热疲劳性能出发，回火温度应尽量提高一些，但必须低于二次硬化温度。此外，为了使一次回火生成的马氏体充分回火，以及使残余奥氏体马氏体化，还应采取二次回火。
3.3.3 采用表面强化处理
　　采用表面强化工艺提高模具表面的强度、耐磨性及耐蚀性，可以延长热裂纹萌生的孕育期，防止热裂纹的扩展，由此提高模具的使用寿命。常见的表面强化处理有：喷丸强化法、压应力冷作撞击法、蒸汽处理法、电火花放电强化法、高频淬火、软氮化、钨镍合金沉积法等 [1][2][3] 。
3.3.4 采用良好的操作规程
　　在操作前预热模具是十分重要的。不仅可以提高钢的韧性。同时也可以减少模具断面的温度梯度，以降低模具的热应力。但预热模具温度不能太高，过高的预热温度则会降低表层的屈服强度，反而会降低模具的使用寿命。合金的冶炼和保温也都应该严格按操作规范执行，特别是重视精练排气，减少材料内部的裂纹源 [3] 。
　　要进一步提高模具的使用寿命，最重要的就是开发新的钢种并运用；建立全面的质量管理制度，提高职工的综合素质。

4 结束语
    压铸过程中模具的多种失效方式是影响压铸模具使用寿命的因素,本文结合工厂实际情况，通过对压铸模具失效及原因分析,系统地提出了若干改进方法,进而提高模具使用寿命。本文研究的内容对提高压铸模具的寿命有一定指导作用。