铝合金压铸模具失效成因与改善措施

廖伟平

广东鸿图武汉压铸有限公司，湖北武汉，430200

0 引言

铝合金压铸模具是一种先进的特殊铸造工艺，它的材料利用率已经达到1级以上，可以加工具有复杂形状和低粗糙度的高精度金属制品。铝合金压铸模具具有高速、高压、高温等特点。所以，分析和研究压铸过程中出现的各种失效及其成因尤为重要。根据国内外有关资料研究显示，在不同的材料中，材料的失效比例包括：热疲劳开裂的类型为60%～70%，塑性变形为15%～20%，崩块和断裂为15%～25%，熔损和冲蚀为5%～10%，另外还有模具脱模困难、铸造质量差等其他失效形式。与国外同类产品比较，我国铝合金模具的使用寿命仅为世界领先水平的50%[1]。为此，我们应积极开发新的材料，大力研发新的工艺，追赶世界先进水平。下面对铝合金压铸模具失效的表现及具体原因进行了探讨，并根据实际情况，提出了一些改进措施，主要围绕生产材质、结构设计、工艺水平以及强化处理等方面具体展开。

1 模具的划分及发展前景

模具是一种特殊的加工设备，是现代工业的基础加工设备。利用外力把毛坯制成具有特定尺寸和外形的模具，不同的模具是由不同的部件组成的。进入新世纪以后，我国模具行业的年均增速已达15%以上，特别是最近5年，已经达到了20%以上。根据被加工的毛坯类型，可分为金属、非金属和其他特种模具。根据工艺，金属模具分为：冲模、压铸模、锻模、挤压模。通常，金属模具是由金属材料制成的。在一些特定的条件下，需要用其他的材料，例如橡胶，或者用特别的工艺。根据加工技术的不同，非金属模可分为塑料模、玻璃模、陶瓷模、粉末冶金模等。随着技术水平的提高，压铸技术在各行各业中得到了广泛的应用，而压铸模的作用也日益凸显。

压铸工艺是将金属加热至熔化，在高压下高速注入模腔，通过型芯、型腔合模，迅速冷却、固化而得到铸件。用于铸造的模具，叫作铸造模。压铸材料以铝、锌、铜等有色金属为主，并可作钢材。

模具的定模一般是固定在压铸机的定模固定板上，用直接流道与喷嘴或压力腔相连，动模一般固定在动模的固定板上，用动模的固定板作为开、关模，关闭时形成模腔和浇铸系统，在高温、高压的条件下对模腔进行充填。在开模过程中，动模与定模分离，用推压装置把模推出来。有色金属由于其高的塑性、高的流动性，在高温、高压的作用下，可以形成多种复杂的形态，有许多台、筋等复杂的结构，具有较高的尺寸精度和平滑的表面。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[2]。

我国的压铸模历来具有较大的市场和较低的劳动力成本优势。国内的压铸模具结构设计、材料性能及使用效果的要求越来越高。模具的使用效能是一个很大的指标，不但会影响到产品的质量，也会影响到生产的成本和效率。伴随着模具行业的快速发展，高质量、高效率、高性能模具的应用越来越受到人们的重视。提高模具的工作效率，是延缓模具失效、找出故障的根源和解决方法，是提高模具使用效能的一个重要目标。现就铝合金压铸模具的失效进问题进行详细的分析，并对其原因进行了探讨，并给出了相应的改进措施，以促进我国铝合金压铸模具的实用功能提升，提高铝合金压铸模具使用率。

2 铝合金压铸模具的失效成因

认识到模具有压铸模具、冲压模具、挤出模具、锻模、锻造模具等不同类型，下面以铝合金压铸模具为研究对象，研究合金压铸模具的失效成因，主要围绕压铸模具的失效类型以及合金压铸模型失效的具体表现两部分展开。

2.1 压铸模具的失效类型

2.1.1 热疲劳龟裂损坏

在压铸模具工作中，模具型芯、型腔反复受到突冷和突热的影响，型芯和型腔表面会因为热疲劳而发生变形，并会产生反复的热应力，使模具的内部结构发生破坏，韧性下降，脆性增加。引起微裂纹的出现，并不断扩展，随着裂缝的蔓延，大量的金属液体涌入裂缝，再加上机械的压力，裂缝的蔓延速度越来越快，压铸模具损毁严重。

2.1.2 碎裂

当压铸模将熔化的合金压入型腔时，会有压力作用在型芯、型腔最脆弱的地方而产生微小的裂纹，对成形表面有刮痕、电加工痕迹的未处理部分尤其敏感，型芯和型腔的清根部位都会有细小裂纹出现，微细裂纹继续增多时会造成模具关键部件破裂。

2.1.3 溶蚀

压铸模具型芯、型腔常用的材料为热型模具钢，其中锌、铝、镁等为活性金属，对模具材料具有良好的亲和性，铝具有更好的亲和性。模具型芯和型腔材料的硬度越高，对有色金属的耐蚀性能越好，而在成形的金属上如果存在软点，抗腐蚀性能就会降低。而且不同的材料，其熔点也不一样，经常会出现互相溶蚀的现象。根据实际情况和观察，压铸模具的破坏形式主要有断裂、弯曲、型腔塑性变形等。

2.2 铝合金压铸模具失效的具体表现

2.2.1 铝合金压铸模具介绍

由于模具结构比较复杂，加上热疲劳的影响因素很多，所以在选用模具的加工材料时候一定要慎重。压铸模是一种用于高压成形的金属制品，它的工作时间长，工作温度高，交变应力大。除了自身具备的特性外，它还要求模具钢具应具备优良的耐热性、耐寒性及耐热疲劳特性。铝合金模具采用3Cr2W8V工具钢，其强度、硬度、耐冷热疲劳性能良好，经热处理后硬度可达50HRC。不过，这种材料的柔韧度和可塑性都不高。工作温度为620～690℃，铝合金液压腔的流速为42～180m/s，空腔压力15～100MPa，保持5～20s，每次压射间隔20～80s。在压铸模工作过程中，由于铝合金高温高速液不断地撞击、摩擦，从而使模具表面产生较大的应力。为避免在模塑表面上附着铝合金液体，经常在模塑表面涂覆防粘剂，造成成型面温度剧烈波动。每一次脱模后，需要对模芯进行冷却，以保证模具的成型面在急热和急冷的循环热应力[3]。

2.2.2 铝合金压铸模具的失效形式及分析

铝合金压铸模具使用寿命约为3万件，其失效方式以热疲劳裂纹为主。3Cr2W8V钢的工作硬度在42～48HRC时表现出良好的工作性能，但超过50HRC后，裂纹会继续扩大，最终导致模具核心断裂。对铝合金压铸模具进行观察，结果表明，模具的芯部存在着较多的热疲劳裂纹。由此可以看出，在受热状态下，模芯因其结构复杂、体积大，其表面与芯部的温度相差很大，从而影响到芯体的自由收缩。而在其中间位置，由于温度高于合金的温度，会产生塑性变形。模具打开后，对模具进行喷水降温。模具不断地经受着加热——冷却——再次加热的温度变化。在这个周期内，由于塑性变形引起的疲劳开裂，导致了材料开裂。

2.2.3 铝合金压铸模具失效的具体原因

通过以上探究，我们可以看出，铝合金铸造模具的断裂有多种类型，主要有开裂、开裂、劈裂、磨损、冲刷等。造成这种现象的原因有：

（1）模具材料本身的缺点。铝合金压铸模的材质好坏对模具的寿命有很大的影响，其中夹杂是造成模具开裂的主要原因，夹杂颗粒越多，模具的疲劳强度就越低。在压铸过程中，由于模具在冷急热交替的条件下，容易产生裂纹和断裂。因此，在选择模具的材质时，应充分考虑其冷热稳定性、抗冷热疲劳、韧性等因素。

（2）结构设计不合理。铸件的结构设计不当将对压铸模的寿命产生直接的影响。如：①铸造坡度不合理的设计会导致抽芯，模具打开后进行取料时易产生划痕；②铸造工艺的不合理不仅会使铸件的壁厚分布不均，而且还会使模具内的横断面变薄，从而使模具出现早期开裂。

（3）残余应力作用。在模具工作环境比较苛刻的情况下，在铸造过程中，由于金属液体在模腔中的流动，模具内部的空间有限，在模腔的凹角上会产生张力。随着模具温度不断上升，模具内的热胀冷缩现象越来越明显。在铸件脱模后，对模具进行冷却，使其产生切向拉伸。模具受到内外各方面的压力作用，日积月累，使模具产生了裂缝，并且逐渐加深[4]。

（4）操作不规范。在实际生产中，操作不当也会对压铸模的寿命造成很大的影响。比如：①未预热或预热温度太高；太高的预热温度会影响铸件材料的屈服强度，从而降低铸件的耐热疲劳性能；②模具涂料喷漆不均匀；③不能经常维护模具；④不规范的装配工艺。

3 铝合金压铸模具失效的改善措施

结合铝合金压铸模型失效原因，提出具体的改善建议。

3.1 使用H13钢替代原有材质

采用H13钢代替3Cr2W8V钢制作铝合金压铸模具。3Cr2W8V钢的优势很多，但也有一个很大的缺陷，那就是它含有大量的碳化物，高温高压条件下，韧性、塑性、热导率、耐冷热疲劳、耐腐蚀性能差。将3Cr2W8V钢换成H13钢，其碳、钒含量高，耐磨性能好，耐热性能好。与3Cr2W8V钢相比，中温条件下，H13钢的强度、硬度、耐磨性和韧性均优于3Cr2W8V钢。尽管回火抗性和热稳定性比3Cr2W8V钢要差一些，但其冷热疲劳性能明显优于3Cr2W8V钢，使用寿命可延长2到10倍。

3.2 优化压铸模具的结构设计

通过优化铝合金压铸模的结构设计，可以有效延长其使用寿命。在进行结构设计时，可以采用下列特定的步骤：

①采用计算机辅助设计技术，对铸型中的溢流槽和内浇口进行优化，以降低浇铸过程中的冲蚀作用，从而延长模具的使用寿命。②为保证铸件表面质量，适当增加内浇口截面，从而使铸件的流动速度得到改善。③在结构上，要使模具的局部温度升高，减少压铸变形，可以采用一体化溢流槽结构，从而确保产品质量。④在浇铸模工作面上使用台阶状的模具型芯，降低浇注模具上铝液的附着力。⑤在铸造结构中使用双芯的压铸模具，减少铝液对长型芯体的冲击和影响，并在脱模时不会损坏内部孔洞，避免变形。⑥在模具容易产生裂缝的部位，可以采用嵌件结构，这样当裂纹发生时，可以及时更换。此外，模具结构设计必须考虑模具的精确性。在生产中，必须采取闭环控制，确保及时消除组装尺寸链的累计错误[5]。

3.3 提升模具加工的工艺水平

对铝合金压铸模进行工艺优化，可有效延长其使用寿命。该流程主要由四部分组成：①由于磨削过程中经常会产生大量的热量，导致模腔表面出现裂纹。根据上述分析，为使模具失效最小化，最大限度地提高模具的使用寿命。在研磨过程中，应该选择具有充分冷却和自锐性的砂轮。②采用H13钢的硬态铣削措施，尽量达到与磨削工艺相近的表面粗糙程度，寻找其他方法来代替磨削加工，以尽量降低生产成本。③对经过电加工的模具进行喷丸处理，该方法能降低或消除残余压应力，降低模具的热疲劳开裂，提高模具的使用寿命。④切割过程中产生的大量脉冲能，使模具工作表面出现了裂缝。为防止因此原因导致模具的断裂，采用中脉宽、大电流峰值电流的加工工艺切割H13钢，然后对其进行精整处理，以减小脉冲功率[6]。

3.4 加强压铸模具的表面处理

表面强化可明显改善铸件的耐磨性和强度，从而延长热裂纹的潜伏时间，避免热裂纹的蔓延，达到延长模具寿命的目的。通过表面渗氮、渗碳等工艺，能有效降低铸件的磨损，提高耐热性。近几年，为了延长模具的使用寿命，采用了热喷涂、物理化学沉积法、PVD法和离子辅助喷涂技术。但是，仅靠一层涂料难以阻碍各种失效形式。因此，当前众多科研工作人员投身复合涂层系统的设计研究。现在仍然有许多强化压铸模具表面的处理方式，我们在进行实际生产的过程中，可以根据具体的条件，选用最经济、有效的工艺方法。

3.5 采用合理规范的热处理工艺

合理、规范的热处理工艺能有效延长模具的使用寿命。在采用压铸模前，先进行去应力，进行一次退火，然后进行淬火，这样才能防止由于淬火引起的变形和裂纹。根据这一结果，模具的去应力回火温度应比原回火温度降低30～50℃，模具在5000～10000模次时进行一次应力回火，此后每一次回火间隔为15000～20000模次。在处理压铸模具的核心时，热油先与型芯表面接触，这样可以改善模芯的强度和硬度。在热油中多次翻动压铸模，可以提高和达到流传热效果。采用氮化法和碳氮法对模具进行表面处理，可以防止模具的侵蚀。

4 结论

随着“十四五”规划和2035年国家发展战略纲要的发布，我国的社会、经济将进入一个新的发展阶段，社会的不断发展也将带动模具不断进行革新。与此同时，大数据、互联网、云计算等技术的不断融合，以及智能化制造、3.0产业的持续变革，使得模具技术向全球化、自动化、智能化、绿色制造方向发展，对模具的材质、使用寿命提出了更高的要求。所以，我们要加速发展模具的原材料，优化模具结构，提高加工技术，有针对性地进行维修和防范，以提高模具的质量和使用寿命。压铸技术是一种高效的非切削成形技术，其在国内已得到了广泛的应用。对铝合金压铸模的失效原因及改进方法进行了深入的探讨，对于今后我国压铸工业的发展有着重要的指导作用。