压铸模型芯失效分析及解决措施

衡斌

摘 要：模具寿命的高低是衡量模具质量的重要标准。它不仅影响产品品质，而且还影响成本和生产率。随着模具工业的发展，高质量、高效率、高性能模具的大量使用，模具的寿命已引起巨大的关注。提高模具的寿命就是减缓模具的失效，找到模具失效的原因和解决的方法，是提高模具寿命的重要目标。

关键词：模具 寿命 型芯 热处理

1 引言

模具，是现代制造业的重要基础工艺装备，属于专用设备制造。在外力作用下使胚料成为有特定形状和尺寸的工具。不同的模具由不同的零件构成。进入21世纪以来，我国模具行业一直以每年15%以上的增长速度发展，也别是近五年来，增长速度超过20%。模具一般按所加工胚料的不同分为三大类，即金属模具、非金属模具、其它特殊模具。金属模具按工艺分为：冲压模具、压铸模具、锻模、挤出模具、锻造模具等。非金属模具按工艺分为：塑料成型模具，橡胶模具，玻璃模具，陶瓷模具，粉末冶金模具（聚四氟乙烯）等。随着加工技术的不断提高，压铸技术广泛应用在各个领域使用，压铸模具作用也越来越突出。

压铸制造将金属加热到到熔融状态，在高压力作用，以高速度填充到模具型腔，通过型芯、型腔合模成型，快速冷却凝固而获得铸件的一种方法。压铸制造使用的模具，称为压铸模具。压铸的主要材料为铝、锌、铜等有色金属，也可用于钢件。压铸模具定模一般固定在压铸机定模固定板上，利用直浇道与喷嘴或压室联接，动模一般固定在压铸机动模固定板上，并随动模固定板作开合模，闭合时构成型腔与浇铸系统，熔融金属在高速高压下充满型腔;开模时，动模与定模分开，借助于设在动模上的推出机构将铸件推出。

由于有色金属具有较强的流动性和可塑性，经高温高压作用后，压铸件可以做出各种较复杂的形状，有众多台、筋等复杂结构，尺寸精度高，光洁度好。因为金属在熔融状态下成形，因此压铸模型芯、型腔需要采用耐高温的材料制造。

我国压铸模具一直以来的优势主要是拥有广阔市场以及相对低廉劳动力优势，与国际压铸模具相比占据着较大的价格优势，以此形式发展来看，我国压铸行业发展前景十分广阔。随着与国际接轨，国际市场也对我国压铸模具的结构设计、材料性能、特别是使用寿命等提出了更高的要求。模具使用寿命的高低是衡量模具质量的重要标准。它不仅影响产品品质，而且还影响成本和生产率。随着模具工业的发展，高质量、高效率、高性能模具的大量使用，模具的寿命已引起巨大的关注。提高模具的寿命就是减缓模具的失效，找到模具失效的原因和解决的方法，是提高模具寿命的重要目标。

2 压铸模具失效的分类

压铸模具的寿命主要受熔融状态的合金温度的影响。失效主要有形式：

2.1 热疲劳龟裂损坏

压铸模具在工作时，模具型芯、型腔反复受突冷突热的作用，型芯、型腔表面与其内部因热疲劳产生变形，相互影响而出现不断反复循环的热应力，从而导致金属内部组织结构损伤和丧失韧性，脆性升高。引起微裂纹的出现，并不断继续扩展，一旦裂纹继续扩大，还有熔融的高温金属液不断冲入，加上反复的机械应力都使裂纹加速扩展。

2.2 碎裂

压铸模具在压送熔融合金进入型腔时，会产生压射力，从而致使型芯、型腔的最薄弱处滋生微裂纹，对于成型面存在划痕或电加工痕迹未被处理地方尤为敏感，型芯、型腔的清根处均会先生出微细裂纹，当微细裂纹不断增加时时，就会导致模具关键部件断裂。

2.3 溶蚀

压铸模具型芯、型腔常用到的材质是热作模具钢，压铸成型的材质主要是各类有色金属合金和纯铝压铸，有色金属合金中锌、铝、镁等都是较活泼的金属元素，它们与模具材料有较强的亲和力，铝的亲和力更强。当模具型芯、型腔材料硬度较高时，则与有色金属的抗蚀性较好，若成型金属表面如有软点，则抗蚀性下降。另外各种材质它的熔点都不尽相同，有时会出现互相溶蚀的现象。

依据压铸实践和观测分析，压铸模具型芯失效的形式有折断、弯曲变形、粘合等。

3 型芯失效分析

3.1 折断

压铸模员的型芯，有的为了使铸件形成个穿透的孔，同时为了减少涛件毛刺的清理工作量在合楼时，型芯顶端距模典型腔面的距高般很小，压射时，由于压射力的作用，很容易使型芯项端与型腔表面紧密接触并且在型芯中产生压缩应力。再加上在充型时高速流动的金属液冲击型芯，对型芯产生冲击力，如果此时型芯的韧性差，就容易折断。压射时，由于高速高压的条件，细长的型芯很容易被挤断。为了保持细长的型芯所形成的孔不偏位往往要求其具有较高的硬度值。型芯高的硬度，韧性必定差，当碰到外物或者修模时的敲击，极容易受到损害，并在以后的循环压铸生产过程中突然折断。

3.2 弯曲变形

型芯的弯曲变形失效是较长型芯普遍的一种失效形式。由于大部分的型芯都是單端定位的形式，在熔融状态的金属液高温高压的冲击下，不可避免地产生弯曲。

3.3 粘合

由于铝和铁在高温下的亲和性，合金液在高温下与铁基材料接触，形成一对扩散偶，合金液与铁基材料互相扩散。扩散的结果是在模具材料上形成一过渡层，该过渡层上极容易粘附铝，导致发生粘模。这样铸件在脱模或者被推出的时势必拉伤铸件表面从而使铸件报废。所以说粘模在压铸模具失效分析中是个不可回避的问题。

4 以铝合金压铸模型芯为例

铝合金压铸模型芯采用合金工具钢3Cr2W8V钢制造，3Cr2W8V钢在高温下有有较高的强度和硬度、耐冷热疲劳性良好，且有较好的淬透性，经热处理后，硬度为50HRC左右。但其韧性和塑性较差。工作温度为620℃-690℃左右，铝合金液压入型腔的速度为42～180m/s，压力为15—100MPa，保压时间为5～20s，每次压射间隔时间为20～80s。压铸模具工作时，模具成形表面受高温、高速铝合金液的反复冲击和摩擦，随之会产生较大的应力。为了防止模具成型表面粘附铝合金液，必须频繁给成型表面涂抹防粘附涂料，从而容易引起成形表面温度的急剧波动。每次脱模后需对型芯表面冷却处理，使模具成形表面受急热急冷的循环热应力。

铝合金压铸模型芯的失效形式及分析

铝合金压铸模的寿命在3万件左右，失效形式主要为热疲劳龟裂。3Cr2W8V钢的最佳工作硬度为42～48HRC，硬度高于50HRC时，韧性降低导致裂纹源的不断扩展，造成模具型芯开裂。根据观测，铝合金压铸模型芯的热疲劳裂纹主要产生在型芯端面的中心部位。从而推断在加热条件下工作的型芯，由于结构复杂、体积较大，会使表层和心部形成较大的温差，型芯自由伸缩受阻，在其中心部位因产生的热应力超过了合金材料高温下的屈服强度从而发生塑性应变。开模后给型芯表面喷水冷却。模具反复经历受热-冷却-再受热的温度变动。在此循环过程中，塑性应变导致产生疲劳裂纹，从而使材料发生龟裂。

5 解决和防止模具型芯热疲劳龟裂的措施

5.1 定期对模具型芯进行回火处理

热应力是导致型芯龟裂的主要原因之一。模具在生产一个周期内，热应力的不断积累，达到一定程度后就会致使型芯产生龟裂。为了减少热应力的影响，模具开模生产一定数量后应对型芯进行回火处理，这样可以消除热应力积累。按经验得出数据：开模不超过2000次进行第一次回火热处理，开模不超过10000次进行第二次回火热处理，开模不超过30000次进行第三次回火热处理。可使模具寿命提高1～2倍。

5.2 采用改变应力性质的处理工艺

对型芯、型腔进行表面激光喷丸处理能起到有效的表面微动防护，使型芯、型腔表层冷作硬化并产生残余压应力。冷作硬化能起到增加其强度的作用，残余压应力可以消除因开合模带来的拉应力。激光喷丸处理就是将超短脉冲激光束通过高速高压喷射到零件表面，使零件表层发生塑性变形，同时由于表面产生塑性变形保护表层下的弹性变形层难以恢复，并使表层内形成一定的残余压应力。从而提高零件的疲劳强度，使模具寿命得到提高。

5.2 切除加固

对型芯心部已产生的热疲劳龟裂，可将产生龟裂裂纹的心部手动切除，专门加工一个镶件放入心部裂纹切除的位置，并用螺钉进行加固，从而保证型芯满足继续使用的要求，实现模具寿命的提高。

5.3 采取减小温差的工艺措施

减小模具温差可以降低熔融铝合金液忽冷忽热对型芯的影响。在生产前应对压铸模具进行充分预热的操作，可以提高模具型芯的韧性，保证其达到较好的热平衡和良好的流动性，促使成型件凝固速度均匀并有利于压力传递，起到提高成型件表面质量的作用。铝合金压铸模的预热温度由100-130℃提高至180-200℃，模具寿命可大幅度提高。

5.4 使用H13替代

用H13钢替代3Cr2W8V钢制造铝合金压铸模。3Cr2W8V优点很多，但是缺点也明显，因为含有较多的碳化物形成元素，所以导致偏析严重，在高温高压作用下韧性、塑性、导热性、抗冷热疲劳性能和抗溶蚀性较差。采用H13钢替代，该钢具有较高含量的碳和钒，耐磨性好，具有良好的耐热性。相较于3Cr2W8V钢，在中温情况下强度和硬度较好，耐磨性和韧性较高，虽然回火抗力及热稳定性稍逊于3Cr2W8V鋼，但冷热疲劳抗力较3Cr2W8V钢要高得多，模具寿命可提高2～10倍。

6 结语

随着国家“十四五”发展规划和2035年远景目标的发布，我国社会经济的发展必然会出现一个井喷期。社会的不断发展也将带动模具工业的不断创新。随着互联网+技术、大数据技术、云计算技术的不断融合，智能制造、工业3.0的不断转型升级，模具技术也在向全球化、自动化、智能化、绿色制造方向发展。对模具材料、寿命的要求也越来越高。加快压铸模具材料的研究，优化模具设计方案，查明模具失效的原理，对失效的原因做出判断，采取有针对性维护和预防措施，从而实现改进模具质量，达到延长使用模具寿命的目的，是十分紧迫的任务。

参考文献：

[1]赵建伟.铝合金压铸模具龟裂失效分析.中国金属通报，2020，（01）.

[2]张露，邓凌曲.铝合金压铸模具龟裂失效分析.金属加工（热加工），2014，（S2）.