夏家引

（寧波威克斯液壓有限公司，浙江 寧波 315502）

0 引言

眾所周知，目前的模具加工技術(shù)包括沖壓模技術(shù)、塑料模技術(shù)及壓鑄模技術(shù)3類，而壓鑄模技術(shù)是后起之秀，在現(xiàn)代社會的發(fā)展中，其作用越來越突出。隨著工業(yè)化程度的不斷提高，壓鑄技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，壓鑄零件更是遍布各個行業(yè)，例如在儀器儀表、汽車制造及電子設(shè)施設(shè)備中。不同于切削及焊接工藝，壓鑄工藝在企業(yè)加工過程中有著較高的生產(chǎn)效率，這也大大提高了企業(yè)的經(jīng)濟利益，而這就要求提高模具的質(zhì)量，保證模具的使用壽命。因此，對鋁合金壓鑄模具失效進行研究至關(guān)重要，這也是目前國內(nèi)外為了促進模具技術(shù)發(fā)展而進行的一個熱門研究課題。通過對鋁壓鑄模的加工及熱處理工藝進行分析，以得到提高壓鑄模使用壽命的措施，這在具體的生產(chǎn)實踐中具有深遠的意義。

1 鋁合金壓鑄模具失效背景

鋁合金壓鑄的加工工藝過程包括下料、鍛造、球化退火、銑削加工、淬火、粗磨、精磨、電火花成形加工及研磨拋光。采用H13 鋼材料，通過高溫淬火以及回火處理，可以使H13 鋼材料的硬度達到46HRC 至49 HRC，這使得模具的耐磨性、抗疲勞性以及耐蝕性得到了很大程度的提高。模具的預熱溫度一般設(shè)置在200℃，對鋁合金進行澆筑的溫度通?？梢赃_到670℃，慢壓射的距離設(shè)置為0.35 m，慢壓射的速度設(shè)置為0.3 m/s，壓射的距離設(shè)置為0.070 m，快壓射的速度設(shè)置為3.0 m/s，經(jīng)過反復使用模具達3 000 次后，模具型腔表面會有裂紋產(chǎn)生，但數(shù)量不多，模具底部出現(xiàn)沖蝕情況，假如再多次使用，模具型腔表面的裂紋難免增多，導致模具外觀質(zhì)量受損。圖1（a）為某失效壓鑄模具的型芯結(jié)構(gòu)圖，圖1（b）則展示了此失效壓鑄模具具體的型腔結(jié)構(gòu)。

2 鋁合金壓鑄模具失效原因分析

以上對鋁合金壓鑄模具失效背景進行了介紹，下面對其失效的成因做具體分析。

首先對該失效模具進行取樣觀察，獲得了該失效模具裂紋處的金相組織圖，該金相組織灰白條紋間隔分布，其中，灰色條紋區(qū)域主要成分為回火馬氏體，而白色條紋區(qū)域主要成分為殘留奧氏體，說明有一定量的碳化物析出，組織中的非金屬物質(zhì)含量較多。

圖1 失效的模具結(jié)構(gòu)

通過對模具進行時效研究發(fā)現(xiàn)，H13 鋼材料具有較大的截面尺寸效應(yīng)，而且導熱性差，經(jīng)過長時間高溫淬火后，工件的晶粒變得更加粗大，局部奧氏體過飽和碳濃度升高，而經(jīng)過回火工藝后，組織內(nèi)的馬氏體變化明顯，出現(xiàn)較大的應(yīng)力現(xiàn)象，并且在熱處理過程中局部有大量碳化物析出，這就造成了工件韌性不足，發(fā)生脆化現(xiàn)象。隨著碳化物的大量析出，模具底部凹角處產(chǎn)生大量的集中放電現(xiàn)象，并且電流放電效應(yīng)不斷積累，進而造成模具型腔凹角處產(chǎn)生越來越明顯的裂縫，增大了失效模具內(nèi)部的拉應(yīng)力。除此之外，在壓鑄模具的過程中，鋁合金液由于受到模具型腔的空間包裹限制，在模具型腔內(nèi)的凹角處產(chǎn)生一定的拉伸力，而溫度較高的鋁合金液通過熱傳導使模具表面溫度隨之升高，進而導致模具膨脹，在模具工作表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，而在脫模后，需要對模具進行冷卻處理，進而導致模具收縮，產(chǎn)生一定的切向拉應(yīng)力，這幾種力反復作用，在模具型腔內(nèi)的凹角處不斷積累，導致脆化的模具出現(xiàn)裂紋，并且裂紋不斷加深。通過以上具體分析可以得知，不恰當?shù)臒崽幚砉に嚰皦鸿T過程中的交變應(yīng)力將導致模具產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)失效。

3 提高鋁合金壓鑄模具壽命的措施

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效地提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，可采取以下具體措施。1）采用CAE 技術(shù)對壓鑄模具的溢流槽與內(nèi)澆口的數(shù)量及位置進行優(yōu)化，以最大限度地減輕澆筑鋁液時對壓鑄模材料的沖蝕作用，進而延長壓鑄模的使用壽命。2）在不影響鑄造工件表面質(zhì)量的前提下，為了減小鋁合金液對壓鑄模的沖擊，可適當增大內(nèi)澆道的截面積，同時能夠起到增加流量的作用。3）在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，可采用整體式溢流槽結(jié)構(gòu)，以達到提高壓鑄模局部溫度、減小壓鑄件變形量的目的，進而保證壓鑄件生產(chǎn)品質(zhì)。4）可將模具型芯設(shè)計為臺階狀，以減少鋁合金液在壓鑄模工作表面產(chǎn)生的粘模力。5）把結(jié)構(gòu)設(shè)計成雙型芯對鑄結(jié)構(gòu)，可減輕細長型芯受鋁液的沖擊，避免在脫模過程中毀傷內(nèi)孔，防止變形。6）在壓鑄模常出現(xiàn)裂紋的位置，可設(shè)計成鑲件結(jié)構(gòu)，這樣即使在后期出現(xiàn)裂紋也能及時進行更換。

另外，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，應(yīng)注意到壓鑄模的精度。在加工過程中，一定要采取閉環(huán)控制的方式，務(wù)必對裝配尺寸鏈的累積誤差進行及時消除。

3.2 工藝優(yōu)化

工藝優(yōu)化能夠有效地提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命。具體的工藝優(yōu)化過程包括以下4 個方面。1）通常情況下，磨削加工存在大量的熱量，通常會引起成型腔表面的破裂。基于以上分析，為了盡可能地避免壓鑄模失效現(xiàn)象的發(fā)生，最大程度地提高壓鑄模的使用壽命，在進行磨削加工處理的時候，應(yīng)當盡量選擇冷卻充分、自銳性好的砂輪進行精磨加工。2）要有效采取H13 鋼硬態(tài)銑削措施，通過此方法盡可能獲得與磨削處理工藝相當?shù)拇植诙?，想方設(shè)法運用此方法代替磨削加工，從而使生產(chǎn)成本盡可能減少。3）為了盡量減少甚至消除壓鑄模表層存在的殘余壓應(yīng)力，需要對電加工后得到的壓鑄模表面進行噴丸，從而緩解熱疲勞造成的裂紋，最終達到提高壓鑄模使用壽命的目的。4）在切割過程中產(chǎn)生了大量的脈沖能量，進而造成壓鑄模工作表面產(chǎn)生裂紋。為了避免這種現(xiàn)象造成的壓鑄模失效，在H13 鋼成形切割過程中，應(yīng)采用中脈寬、大峰值電流的加工工藝，而后續(xù)的精修加工，再采用小脈寬來降低脈沖能量。

3.3 硬度設(shè)計與熱處理工藝

除結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝優(yōu)化外，硬度設(shè)計與熱處理工藝也能夠有效地提高鋁合金壓鑄模具的使用壽命，具體包括2點。1）硬度設(shè)計：在選擇壓鑄模不同部分的硬度時，應(yīng)遵循科學合理的原則。研究證實，通過真空淬火處理后，H13鋼可以達到的最佳硬度值范圍是44HRC 至48HRC，當然，還需要按照實際壓鑄模失效的形式來確定具體如何選取壓鑄模表面的硬度，其中，壓鑄模熱疲勞失效取上限，壓鑄模脆性開裂失效取下限；根據(jù)鋁合金壓鑄模的尺寸大小不同，鋁合金壓鑄模硬度的選取不同，對于大尺寸、形狀復雜的壓鑄模表面硬度值范圍是44HRC 至46HRC，中小型鋁合金壓鑄模表面硬度值范圍是46HRC 至48HRC；對于大型型腔，可采取降低硬度的方式提高韌性、防止開裂，而采取降低韌性的方式，能夠防止型芯失效。2）熱處理工藝：在1 020℃～1 100℃中對H13 鋼進行保溫，其可以讓碳化物更好、更充分地與奧氏體相溶，這對于提高壓鑄模具的使用壽命無疑是一個巨大的福音。熱處理工藝具體的操作流程主要包含對熱油中的壓鑄模型腔進行反復翻轉(zhuǎn)，從而盡可能改善和實現(xiàn)對流傳熱效果；選用氮化或碳氮共滲方式處理壓鑄模型腔表面，避免侵蝕作用；在對型芯進行處理時，不要整體侵入熱油中，應(yīng)該先將表面與熱油進行接觸，這樣能夠提高型芯的韌性與硬度。

3.4 生產(chǎn)注意事項

在實施提高鋁合金壓鑄模具壽命措施的同時，注意在使用壓鑄模前應(yīng)對其進行合理預熱，以達到減小熱應(yīng)力的效果，另外要注意對壓鑄模定期退火，這樣做能夠消除在反復使用壓鑄模具過程中產(chǎn)生的交變應(yīng)力。

4 結(jié)論

在運用壓鑄模具進行加工的過程中，應(yīng)嚴密監(jiān)視每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過對模具采取結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝優(yōu)化、硬度設(shè)計與改善熱處理工藝等措施來延長壓鑄模具的使用壽命。