文：陈 宇

重庆隆鑫压铸有限公司

 

摘 要：如何提高压铸铝合金模具的寿命一直是人们关心的问题，使压铸铝合金模具的使用寿命缩短的失效形式很多，但其主要的失效形式为热疲劳裂纹，即热裂。本文就这个问题进行了分析，导致铝合金压铸模具出现热裂的因素很多，如模具材料、模具设计、热处理状态及工作环境等，就对这些情况提出了相应的改善措施。

关键词：压铸；模具；寿命；热裂

前言

结合我们公司的生产情况来对压铸铝合金模具的情况进行分析，压铸模具主要选择的材料是H13（4Cr5MoSiV1）。H13钢是一种新型热作模具钢，其化学成分处于共析点附近，锻造后经球化退火，组织为球状珠光体和少量碳化物，1000～1050℃淬火后组织为针状马氏体，它具有高的韧性，良好的冷热疲劳性能，与熔融金属相互作用小，且价格便宜，因此广泛应用于铝合金的压铸模具。在国内H13钢已于20世纪90年代初批量生产投放市场, 取得了较好的效果。H13钢的主要成分（％）如下表：

 

其化学成分特点:①WC为0.32%～0.45%，以保证高硬度、高韧性和较高的热疲劳抗力；②加入较多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si，Mn 可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状，避免硫在晶界上形成低熔点的FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，从而消除硫的有害影响，改善H13钢的热加工性能，Cr和Si可以提高耐回火性；③加入产生二次硬化的元素Mo、V，Mo、V能防止第二类回火脆性，提高耐回火性。H13钢是目前世界上用量最大的二次硬化型铝压铸模具钢,90%以上的压铸型腔模都是由H13钢制造，由于H13钢是相当成熟的压铸模具钢,通过提高冶炼质量可进一步改进性能，但是H13钢在工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的冷热循环引起的热应力以及高温氧化，常出现热裂、塌陷、磨损和崩裂等失效形式，其中热裂是最重要的失效形式，如何防止这种缺陷是本文研究的重点。

1 热裂产生的原因及对模具的影响

1.1 热裂的形态

热裂是模具最常见的失效形式，如图1.1所示：

 

1.2 热裂的定义

热裂是模具最常见的失效形式。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空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形成网络状裂纹而导致模具失效。热裂主要是材料热应力疲劳所引起，即材料在热应力的作用下，由于经受反复或脉动应变而产生的一种连续的、局部的、永久性的组织变化。与热裂相对应的最重要的材料性能是材料的抗热疲劳性。迄今为止，衡量材料抗热疲劳性能的标准尚未统一。因此，如何用常规力学性能来反映抗热疲劳性能就显得较为重要。有资料表明，与抗热疲劳性能有关的最重要的力学性能是材料的强度，另一种观点则更倾向于材料的韧性。从热疲劳试验结果分析，铝压铸模具的热疲劳裂纹中存在疲劳辉纹，并以弹性应变为主，而且多数模具的使用寿命在104~105次以上，具有高周疲劳的特性。根据疲劳强度理论，强度高的材料更能适应长周期的弹性应变，在这种情况下，抗热疲劳性能与强度的联系更为紧密。但是，如果型腔表面的工作温度偏高( 如压铸铜及铁基合金等) 或因其他因素使模具产生过大的热应力，从而使应变幅度大大超过材料的弹性应变范围，应变则以塑性应变为主,具有低周疲劳特性。此时韧性高的材料具有更大的优势。因此考核材料的热疲劳性能时，应注意区分材料的疲劳形式，并据此确定模具合适的强韧性配合。

1.3 热裂产生的原因

（1）模具材料的影响，模具钢的晶界无共晶碳化物夹杂，大块状的共晶碳化物和杂质强度极小，不能抵抗热疲劳，降低了钢材的塑性，是热裂发生的起源点，同时模具组织存在的成分偏析导致在相同奥氏体化温度下, 淬火后得到的马氏体组织粗细不均匀，这也是产热裂的原因之一；

（2）模具的设计的影响，过小的圆角半径、壁厚差悬殊的扁宽薄壁截面，以及孔、槽位置不合适等，很容易在模具热处理和使用过程中引起过大的应力集中而萌生裂纹，同时冷却系统设计不合理，会使模具的冷却不均匀产生热应力，导致热裂的产生；

（3）模具的制造的影响，制造模具的一般选用机械加工和电火花加工，机械加工的表面粗糙度对模具热疲劳性能有很大影响，模具型腔表面应获得较低的表面粗糙度值，不能留有刀痕、划伤和毛刺，这些缺陷会引起应力集中，诱发热疲劳裂纹萌；电火花加工后的型腔表面会产生出一个变质层，这一层的化学成分、金相组织、力学性能（强度、硬度、韧性）等都发生了改变，变质层又硬又脆，并有应力和大量的微裂纹，会引起模具早期龟裂；

（4）模具的热处理的影响，合理的热处理工艺可以使模具获得所需要的力学性能，提高模具的使用寿命，但是如果因热处理工艺设计不当或操作不当而产生热处理缺陷，将严重危害模具的承载能力，引起早期失效，缩短工作寿命；热处理后的模具要求一定的硬度，硬度偏低，易出现粘模和早期龟裂，如果硬度太高又可能开裂；

（5）压铸工艺的影响，高温的铝水传递给模具的热量比较多，致使模具温度比较高，当铸件取走后模具温度就急剧下降，这样就很容易产生热疲劳现象，出现热裂现象；充填速度过高会造成粘模、冲蚀、龟裂；当低速压射速度较高使金属液包裹较多的气体时，气体在高速压射进入型腔中的低压区会膨胀，气体膨胀产生爆破，气体带动铝液以很高的速度冲击、侵蚀型腔表面，造成型腔表面气蚀缺损，被气蚀的表面还会有裂纹产生；铝液压力的大小和受力方向对模具龟裂的影响也是很大的；脱模剂对模具激冷也会对模具产生热疲劳现象。

2 如何防止模具热裂现象

2.1 模具材料的要求

为提高模具抗热冲击韧度，目前常用的H13钢的化学成分纯净度要求为：优级钢Ｓ含量（质量分数，下同）要小于0.005％；超级H13钢要求Ｓ含量小于0.003％，Ｐ含量小于0.015％，同时要使用电渣重熔炉的精炼钢，它不仅纯净度高，还具有组织致密、优良的热疲劳抗力、抗热裂性好、优良的韧性及塑性，优良的抛光性、较好的异向同性等性能。钢材的均一性要求材料的组织要均匀，钢坯具备任意方向力学性能同性，不要有纵、横、深方向的性能差异。正确选用模具材料，采用高强度合金材料可以提高模具使用寿命；

2.2 模具设计要求

压铸件壁厚应尽量均匀，棱角过渡要有圆角或斜坡以减小应力集中，可使用筋条结构消除铸件形成的热节；模具的易龟裂部位和易损伤部位尽量采取镶件结构，损坏后便于维修和更换；模具中各组件、各部位都具有足够的厚度、宽度，使模具有足够的刚性以承受各种应力，还要使这些受力达到适当的平衡，以防止模具变形、开裂；正确设计浇注系统，设计内浇口的位置和充填流向时，尽量防止高速充填的铝水正面喷射冲击到型壁或型芯，设计内浇口截面大小时，如果选用的压射充填速度太高，有大量的动能减速后转变成热能传递到模具上，使模具温度升高，促使模具出现粘模、龟裂、冲蚀缺陷，压铸铝水的最大充填速度不应超过56m/s，充填速度以≤46 m/s为好，设计内浇口的厚度时，在保证产品表面品质的情况下，还是选用厚而大一点的内浇口为好，这样可以增加流量，又不增加对模具的冲击力；在模具的横浇道、分支浇道、内浇口附近，在铸件厚壁处的型腔、型芯等模具吸收热量比较多的部位要通水冷却；

2.3 模具制造的要求

模具制造的尺寸精度和配合精度要高，密封接触的配合面，必须密封配合，密封接触的面积要大，防止铝液钻入，尽量避免人为因素造成的烧焊修补处理，因模具烧焊修补过的部位，很容易出现龟裂；电脉冲或线切割放电精细加工时，应尽量采用低的电流及高的频率，以减小模具表面的过烧深度，使用好的电火花专用油液，可以起到冲洗、冷却、润滑、绝缘、防电离和减轻变质层的作用，放电时浸油比冲油能更好地减轻变质层；模具型腔精加工时，走刀量要小，不要留下刀痕，必要时需留下打磨抛光的余量，模具型腔的所有表面，即使没有留下加工刀痕的表面，都要进行一次打磨抛光，用以消除刀具加工或放电加工产生的硬化层和白亮层；

2.4 模具的热处理要求

H13 钢采用高压液氮气冷高真空炉淬火为好，可以有效防止模具表面的脱碳、氧化、变形和开裂，把淬火温度升高到1000～1050℃，根据模块材料的尺寸大小，和各个零部件要求的强度和韧性，适当控制温度和保温时间，使合金碳化物充分溶入奥氏体，这样可以减少模具因热处理碳化物溶解不充分，残留在晶界之间而造成的模具龟裂，但要注意钢的临界点Ac1和Ac3及保温时间，防止奥氏体粗化。淬火后用不同温度分3次回火，特别注意回火的效果，如果还要进行氮化处理，可以减少一次回火处理。模具加工时产生的切削应力、电火花放电变质层的应力、和压铸时产生的热疲劳应力，可以通过退火来减轻或消除，模具应定期退火处理消除应力：第一次去应力退火应安排在淬火之前(退火温度700～750℃  )，第二次去应力退火应安排在试模合格后的量产之前，再在压铸1万模、3 万模时各退火处理一次，氮化一次可以代替一次退火处理，对H13钢退火消除应力的温度比淬火时最后一次回火的温度低20～40℃，保温时间为1.0～1.5h，合理选择模具的硬度(HRC)，所以一般建议：中、小型的铝合金压铸模为46～48；尺寸大的铝合金铸件和比较厚或形状复杂件的模具，应适当降低硬度(HRC)为44～46；

2.5 压铸工艺的要求

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