衡斌

摘 要：模具壽命的高低是衡量模具質量的重要標準。它不僅影響產品品質，而且還影響成本和生產率。隨著模具工業(yè)的發(fā)展，高質量、高效率、高性能模具的大量使用，模具的壽命已引起巨大的關注。提高模具的壽命就是減緩模具的失效，找到模具失效的原因和解決的方法，是提高模具壽命的重要目標。

關鍵詞：模具 壽命 型芯 熱處理

1 引言

模具，是現代制造業(yè)的重要基礎工藝裝備，屬于專用設備制造。在外力作用下使胚料成為有特定形狀和尺寸的工具。不同的模具由不同的零件構成。進入21世紀以來，我國模具行業(yè)一直以每年15%以上的增長速度發(fā)展，也別是近五年來，增長速度超過20%。模具一般按所加工胚料的不同分為三大類，即金屬模具、非金屬模具、其它特殊模具。金屬模具按工藝分為：沖壓模具、壓鑄模具、鍛模、擠出模具、鍛造模具等。非金屬模具按工藝分為：塑料成型模具，橡膠模具，玻璃模具，陶瓷模具，粉末冶金模具（聚四氟乙烯）等。隨著加工技術的不斷提高，壓鑄技術廣泛應用在各個領域使用，壓鑄模具作用也越來越突出。

壓鑄制造將金屬加熱到到熔融狀態(tài)，在高壓力作用，以高速度填充到模具型腔，通過型芯、型腔合模成型，快速冷卻凝固而獲得鑄件的一種方法。壓鑄制造使用的模具，稱為壓鑄模具。壓鑄的主要材料為鋁、鋅、銅等有色金屬，也可用于鋼件。壓鑄模具定模一般固定在壓鑄機定模固定板上，利用直澆道與噴嘴或壓室聯接，動模一般固定在壓鑄機動模固定板上，并隨動模固定板作開合模，閉合時構成型腔與澆鑄系統(tǒng)，熔融金屬在高速高壓下充滿型腔;開模時，動模與定模分開，借助于設在動模上的推出機構將鑄件推出。

由于有色金屬具有較強的流動性和可塑性，經高溫高壓作用后，壓鑄件可以做出各種較復雜的形狀，有眾多臺、筋等復雜結構，尺寸精度高，光潔度好。因為金屬在熔融狀態(tài)下成形，因此壓鑄模型芯、型腔需要采用耐高溫的材料制造。

我國壓鑄模具一直以來的優(yōu)勢主要是擁有廣闊市場以及相對低廉勞動力優(yōu)勢，與國際壓鑄模具相比占據著較大的價格優(yōu)勢，以此形式發(fā)展來看，我國壓鑄行業(yè)發(fā)展前景十分廣闊。隨著與國際接軌，國際市場也對我國壓鑄模具的結構設計、材料性能、特別是使用壽命等提出了更高的要求。模具使用壽命的高低是衡量模具質量的重要標準。它不僅影響產品品質，而且還影響成本和生產率。隨著模具工業(yè)的發(fā)展，高質量、高效率、高性能模具的大量使用，模具的壽命已引起巨大的關注。提高模具的壽命就是減緩模具的失效，找到模具失效的原因和解決的方法，是提高模具壽命的重要目標。

2 壓鑄模具失效的分類

壓鑄模具的壽命主要受熔融狀態(tài)的合金溫度的影響。失效主要有形式：

2.1 熱疲勞龜裂損壞

壓鑄模具在工作時，模具型芯、型腔反復受突冷突熱的作用，型芯、型腔表面與其內部因熱疲勞產生變形，相互影響而出現不斷反復循環(huán)的熱應力，從而導致金屬內部組織結構損傷和喪失韌性，脆性升高。引起微裂紋的出現，并不斷繼續(xù)擴展，一旦裂紋繼續(xù)擴大，還有熔融的高溫金屬液不斷沖入，加上反復的機械應力都使裂紋加速擴展。

2.2 碎裂

壓鑄模具在壓送熔融合金進入型腔時，會產生壓射力，從而致使型芯、型腔的最薄弱處滋生微裂紋，對于成型面存在劃痕或電加工痕跡未被處理地方尤為敏感，型芯、型腔的清根處均會先生出微細裂紋，當微細裂紋不斷增加時時，就會導致模具關鍵部件斷裂。

2.3 溶蝕

壓鑄模具型芯、型腔常用到的材質是熱作模具鋼，壓鑄成型的材質主要是各類有色金屬合金和純鋁壓鑄，有色金屬合金中鋅、鋁、鎂等都是較活潑的金屬元素，它們與模具材料有較強的親和力，鋁的親和力更強。當模具型芯、型腔材料硬度較高時，則與有色金屬的抗蝕性較好，若成型金屬表面如有軟點，則抗蝕性下降。另外各種材質它的熔點都不盡相同，有時會出現互相溶蝕的現象。

依據壓鑄實踐和觀測分析，壓鑄模具型芯失效的形式有折斷、彎曲變形、粘合等。

3 型芯失效分析

3.1 折斷

壓鑄模員的型芯，有的為了使鑄件形成個穿透的孔，同時為了減少濤件毛刺的清理工作量在合樓時，型芯頂端距模典型腔面的距高般很小，壓射時，由于壓射力的作用，很容易使型芯項端與型腔表面緊密接觸并且在型芯中產生壓縮應力。再加上在充型時高速流動的金屬液沖擊型芯，對型芯產生沖擊力，如果此時型芯的韌性差，就容易折斷。壓射時，由于高速高壓的條件，細長的型芯很容易被擠斷。為了保持細長的型芯所形成的孔不偏位往往要求其具有較高的硬度值。型芯高的硬度，韌性必定差，當碰到外物或者修模時的敲擊，極容易受到損害，并在以后的循環(huán)壓鑄生產過程中突然折斷。

3.2 彎曲變形

型芯的彎曲變形失效是較長型芯普遍的一種失效形式。由于大部分的型芯都是單端定位的形式，在熔融狀態(tài)的金屬液高溫高壓的沖擊下，不可避免地產生彎曲。

3.3 粘合

由于鋁和鐵在高溫下的親和性，合金液在高溫下與鐵基材料接觸，形成一對擴散偶，合金液與鐵基材料互相擴散。擴散的結果是在模具材料上形成一過渡層，該過渡層上極容易粘附鋁，導致發(fā)生粘模。這樣鑄件在脫模或者被推出的時勢必拉傷鑄件表面從而使鑄件報廢。所以說粘模在壓鑄模具失效分析中是個不可回避的問題。

4 以鋁合金壓鑄模型芯為例

鋁合金壓鑄模型芯采用合金工具鋼3Cr2W8V鋼制造，3Cr2W8V鋼在高溫下有有較高的強度和硬度、耐冷熱疲勞性良好，且有較好的淬透性，經熱處理后，硬度為50HRC左右。但其韌性和塑性較差。工作溫度為620℃-690℃左右，鋁合金液壓入型腔的速度為42～180m/s，壓力為15—100MPa，保壓時間為5～20s，每次壓射間隔時間為20～80s。壓鑄模具工作時，模具成形表面受高溫、高速鋁合金液的反復沖擊和摩擦，隨之會產生較大的應力。為了防止模具成型表面粘附鋁合金液，必須頻繁給成型表面涂抹防粘附涂料，從而容易引起成形表面溫度的急劇波動。每次脫模后需對型芯表面冷卻處理，使模具成形表面受急熱急冷的循環(huán)熱應力。

鋁合金壓鑄模型芯的失效形式及分析

鋁合金壓鑄模的壽命在3萬件左右，失效形式主要為熱疲勞龜裂。3Cr2W8V鋼的最佳工作硬度為42～48HRC，硬度高于50HRC時，韌性降低導致裂紋源的不斷擴展，造成模具型芯開裂。根據觀測，鋁合金壓鑄模型芯的熱疲勞裂紋主要產生在型芯端面的中心部位。從而推斷在加熱條件下工作的型芯，由于結構復雜、體積較大，會使表層和心部形成較大的溫差，型芯自由伸縮受阻，在其中心部位因產生的熱應力超過了合金材料高溫下的屈服強度從而發(fā)生塑性應變。開模后給型芯表面噴水冷卻。模具反復經歷受熱-冷卻-再受熱的溫度變動。在此循環(huán)過程中，塑性應變導致產生疲勞裂紋，從而使材料發(fā)生龜裂。

5 解決和防止模具型芯熱疲勞龜裂的措施

5.1 定期對模具型芯進行回火處理

熱應力是導致型芯龜裂的主要原因之一。模具在生產一個周期內，熱應力的不斷積累，達到一定程度后就會致使型芯產生龜裂。為了減少熱應力的影響，模具開模生產一定數量后應對型芯進行回火處理，這樣可以消除熱應力積累。按經驗得出數據：開模不超過2000次進行第一次回火熱處理，開模不超過10000次進行第二次回火熱處理，開模不超過30000次進行第三次回火熱處理?？墒鼓＞邏勖岣?～2倍。

5.2 采用改變應力性質的處理工藝

對型芯、型腔進行表面激光噴丸處理能起到有效的表面微動防護，使型芯、型腔表層冷作硬化并產生殘余壓應力。冷作硬化能起到增加其強度的作用，殘余壓應力可以消除因開合模帶來的拉應力。激光噴丸處理就是將超短脈沖激光束通過高速高壓噴射到零件表面，使零件表層發(fā)生塑性變形，同時由于表面產生塑性變形保護表層下的彈性變形層難以恢復，并使表層內形成一定的殘余壓應力。從而提高零件的疲勞強度，使模具壽命得到提高。

5.2 切除加固

對型芯心部已產生的熱疲勞龜裂，可將產生龜裂裂紋的心部手動切除，專門加工一個鑲件放入心部裂紋切除的位置，并用螺釘進行加固，從而保證型芯滿足繼續(xù)使用的要求，實現模具壽命的提高。

5.3 采取減小溫差的工藝措施

減小模具溫差可以降低熔融鋁合金液忽冷忽熱對型芯的影響。在生產前應對壓鑄模具進行充分預熱的操作，可以提高模具型芯的韌性，保證其達到較好的熱平衡和良好的流動性，促使成型件凝固速度均勻并有利于壓力傳遞，起到提高成型件表面質量的作用。鋁合金壓鑄模的預熱溫度由100-130℃提高至180-200℃，模具壽命可大幅度提高。

5.4 使用H13替代

用H13鋼替代3Cr2W8V鋼制造鋁合金壓鑄模。3Cr2W8V優(yōu)點很多，但是缺點也明顯，因為含有較多的碳化物形成元素，所以導致偏析嚴重，在高溫高壓作用下韌性、塑性、導熱性、抗冷熱疲勞性能和抗溶蝕性較差。采用H13鋼替代，該鋼具有較高含量的碳和釩，耐磨性好，具有良好的耐熱性。相較于3Cr2W8V鋼，在中溫情況下強度和硬度較好，耐磨性和韌性較高，雖然回火抗力及熱穩(wěn)定性稍遜于3Cr2W8V鋼，但冷熱疲勞抗力較3Cr2W8V鋼要高得多，模具壽命可提高2～10倍。

6 結語

隨著國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和2035年遠景目標的發(fā)布，我國社會經濟的發(fā)展必然會出現一個井噴期。社會的不斷發(fā)展也將帶動模具工業(yè)的不斷創(chuàng)新。隨著互聯網+技術、大數據技術、云計算技術的不斷融合，智能制造、工業(yè)3.0的不斷轉型升級，模具技術也在向全球化、自動化、智能化、綠色制造方向發(fā)展。對模具材料、壽命的要求也越來越高。加快壓鑄模具材料的研究，優(yōu)化模具設計方案，查明模具失效的原理，對失效的原因做出判斷，采取有針對性維護和預防措施，從而實現改進模具質量，達到延長使用模具壽命的目的，是十分緊迫的任務。

參考文獻：

[1]趙建偉.鋁合金壓鑄模具龜裂失效分析.中國金屬通報，2020，（01）.

[2]張露，鄧凌曲.鋁合金壓鑄模具龜裂失效分析.金屬加工（熱加工），2014，（S2）.