压铸模型腔龟裂失效分析

压铸模型腔龟裂失效分析——张年随着现代工艺技术水平的发展，少，无切削加工已经成为现代成形加工的一个发展趋势。

压铸就是一种高效率的少、无切削金属热加工成形方法。

近十几年来这项技术发展的十分迅速。

现在压铸模件已广泛地应用许多工业产品中。

但由于压铸模工作在极其恶劣的环境下，从而易产生型腔表面龟裂导致模具失效。

根据调查,压铸模的失效中大约有70%以上是龟裂失效。

那么型腔表面龟裂是怎样产生的呢？它与那些因素有关？本文运用热疲劳理论对其进行探讨，并提出相应是压铸模增寿措施。

一、表面是工作环境：在压铸过程中模腔表面直接与高温高压的金属相接触，它一方面要受到金属液的直接冲刷产生磨损，高温氧化和各种腐蚀，使型腔表面损坏而导致模具失效。

另一方面由于压铸生产时不停地浇铸和开模，使型腔表面温度周期性地剧烈上升、下降而导致热疲劳产生龟裂失效。

一般地说来压铸不同熔点的合金金属液时型腔表面的热冲击是大不相同的。

锌合金熔化温度大约为400℃，型腔表面的最高温度不会太高，她的失效主要取决于金属液对型腔表面的冲刷和腐蚀。

而在压铸高熔点合金时，由于合金的熔化温度较高，从而导致型腔表面的最高温度也高（铝合金熔化温度为600—700℃，型腔表面最高温度达600℃以上，铜合金熔化温度为900—1000℃，型腔表面最高温度达800℃以上，黑色金属熔化温度为1200—1600℃，压铸模型腔表面最高温度达1000℃以上），模具的寿命主要取决于热龟裂。

二、热疲劳的产生在压铸时由于压铸的时间很短，金属液进入型腔的先后不一致，流过的金属数量也各不相同，因此成型部分各零件的不同部位也各不相同，而且型腔还要受到金属液的冲刷、腐蚀以及周围气氛的氧化等腐蚀作用，因此其龟裂机理更加复杂。

1、循环热应力在压铸过程中，压铸模型腔直接受到高温、高压、高速合金液流的激烈冲刷和冲压作用，使部分动能转化为热能，以及本身的热量，致使型腔、型芯与液流接触的表面温度迅速升高，而内部温度相对较低，导致型腔表面由于热膨胀差而形成压应力，当开型后型腔与空气接触和喷刷涂料时，有激冷作用，型腔表面温度低于内部温度致使型腔表面产生拉应力.在周期性的热冲击作用下，型腔表面承受交变热应力作用。

某一瞬时的热应力超过材料的热疲劳极限时，就会在型腔表面产生热裂纹。

型腔表面的热应力时高维应力，在多维应力作用下产生龟裂纹，这些裂纹在以后的热应力作用下扩展而导致模具的龟裂失效。

2 、热疲劳组织变化（1）持续滑移带的产生疲劳滑移带与金属结晶在一个方向上变形时的滑移带明显不同。

在发生疲劳的铜试件剖面进行观察，有一部分滑移带由表面挤出来数微米，在挤出的附近同样发生了数微米，在挤出的附近同样发生了数微米的陷入。

从这个尖锐的“陷入”部位，由于应力集中而产生早期的疲劳龟裂纹（2）亚结构的发展与空穴的产生在裂纹附近产生2～3微米的亚结构，亚结构不断扩展，而在裂纹相接的应变集中区域产生成为裂纹的空穴，这些空穴进一步连接起来之后，裂纹便进一步扩展。

可以看出，疲劳裂纹是产生在持续滑带的“陷入”部分，也就是在形成亚结构时，由于空穴的连接而产生。

3、组织特征高温疲劳与低温疲劳的不同之处在于：持续滑移带的消失，由穿晶断裂向晶界断裂转变，亚结果断裂。

而且温度越高，这三个特征越明显。

高温疲劳过程中主要发生：⑴晶界移动境界的移动发生在最大剪应力放向上，结果晶界在最大剪应力向上排列。

⑵晶界滑移与断裂首先发生晶界移动，在晶体排列后，产生晶体界滑移并出现空穴，然后各孤立的晶界上的空穴渐渐成长而连成一体，高温度疲劳的裂纹便通过晶界相互连接而现实它的扩展。

⑶由结晶体分化引起饿了断裂在每个晶体中，裂纹发生在高温度疲劳中生成发展的饿亚结构的亚晶体上。

压铸模除了锌合金压铸模外，其它均很高，热疲劳组织变化以高温度低循环疲劳相似。

锌合金压铸模的热疲劳组织变化介于高温疲劳组织以低温疲劳组织变化之间。

三、影响龟裂产生的因素压型腔所承受的热应力相比，型腔所受的机械应力小得多，可以不予考虑。

影响龟裂产生的主要因素有：热因子在影响热度劳强度的因素中，直接有影响的是热应力的大小。

热应力是由热应变产生的，而热应变是模具中温度分布不均所引起的热膨胀差而感应出来的。

若设材料的弹性模具为E ，线胀系数为a ，温度差为∆T 泊松系数为r ，则热弹性应力为：γασ-I E ⋅∆T ⋅= 为了理解热应力的性质，需要知道与之有关的热因子。

⑴导热系数：导热系数越大，模具内产生的温度梯度就越小，因而热应力也小。

⑵线胀系数：线胀系数与热应力成正比。

⑶传热系数：传热系数越大，热应力越大。

材料的机械性能材料的屈服应力、弹性系数和应变硬化性决定热应变量和热应力的大小，而强度和延性影像材料的抗热应力能力。

（1）弹性模具E 与泊松指数r由前式可以看出E 、r 与б的关系。

随着温度的升高，E 渐渐减小，而r 只是略有增加。

﹙2﹚强度和延性热疲劳是基于应变循环产生的。

因此延性越大于低循环区城内的热疲劳寺命越有利 ，而强度与热疲劳没有多大的关系。

﹙3﹚每一循环的塑性应变由有关资料知塑性应变范围 P ε∆与断裂循环数N 成反比。

3、工作条件、⑴压铸工艺中的温度参数对龟裂影响较大。

若下限温度T 1 一定，而上限温度T 2 越高，N 越低，某上限温度T 2一定， T 1 减小，△T 增大，N 减小。

平均温度T m 越高，则N 越小。

⑵加热速度增大导致大幅度的温度变化及高应变速度。

一般来说，当应变速度增大时，材料的高温度强度和延性随之增加，所以加热速率大材料并非不利。

上限温度T2 的保持时间对于蠕变引起的应力松弛，材料的组织变化及腐 蚀作用都有很大作用，所以相当重要。

保持时间越长，寿命越低。

⑶压铸模工作时的环境气氛对模具寿命影响很大，由于温度的变化而产生的腐蚀、晶粒长大、氧化，以及压祷合金的腐蚀、冲刷均会加速龟裂的产生。

模块的尺寸越大，表面层热膨胀收缩的约束程度越高，则热疲劳强度越小。

（4）模具的加工工艺不当，如刀痕、磨削裂纹与磨削过热、电火花加工异常层的尺寸、焊接不良、锻造质量不好、型面脱碳以及模具设计尖角、冷却方式不当等均会加速龟裂产生，影响模具寿命。

四、增寿途径1、合理选材模具材料选用是否合理对模具寿命至关重要。

目前我国企业仍大量使用3 Cr2W8V钢制造钢、铝合金压祷模，而国外较多采用H13钢。

3Cr2W8V钢韧性差，工艺性不好，导热性差，线胀系数高，抗热疲劳性能差，因而模具易产生龟裂失效。

H13钢具有优良的抗热疲劳性能，应该取代3Cr2W8V钢。

此外，马氏体时效钢制压祷模具有更高的寿命，但马氏体时效钢不能用来制造黑色金属压祷模。

对于熔点合金压祷模、采用钨基、钼基合金取得了很好的效果。

2、用热处理改善材料性能为了适应生产需要，充分发挥内在潜力，最大限度地改善模具钢各项性能指标，应采用有效的热处理工艺。

(1)常规热处理工艺为了提高H13韧性和热疲劳性能，最佳热处理工艺为1080℃淬火，600℃回火，可获得细板状回火马氏和少量粒状碳化物，能大幅度提高钢的高温区服强度和韧性，从而有效地提高热疲劳抗力和回火抗力。

(2)双重处理H13钢经1160 淬火/520 回火+1050淬火，经高温淬火能提高断裂韧性K。

使冲击韧性下降。

采用双重处理，可在不降低ak的情况下显著提高Kzc。

Kzc的改善是由于孪晶马氏体和未溶碳化物量的减少及残奥氏体量的增加所致。

而Kzc提高有利于提高热作模具钢的疲劳寿命。

(3)细化处理其工艺为1150℃淬火，使碳化物基本全固溶于奥氏体中，再经780℃回火后得到回火索氏体组织，碳化物呈均匀，细小，弥散析出。

通过这种预处理后，再在1000℃淬火加热，碳化物溶解速度快，基体中碳及合金元素的浓度差小，成分不均匀的微区尺寸小，且碳化物均匀弥散分布强烈阻碍奥氏体晶粒长大，因而淬火后是碳化物尺寸显著减小且弥散分布，同时使奥氏体晶体细化，达到13级，碳化物平均直径0.1µm。

与常规热处理相比，H13钢塑性基本不变，硬度、冲击韧性及耐磨性明显提高。

3、表面强化为了提高型腔的抗蚀性，耐磨性，抗热疲劳性能和抗粘附性，可进行型腔表面强化处理。

常用的方法有渗氮、渗硫、渗铬、渗硼等。

表面强化处理方法很多，如3Cr2W8V钢制压铸模在450℃～520℃栗子渗氮处理6~9小时后，渗氮层深可达到0.2～0.3mm，可大大提高其疲劳寿命。

4、结构合理化在模具设计中注意避免尖角，厚薄壁相接处合理，以免出现应集中而失效。

对大型镶块可用许多小型镶块代替，因为小型镶块温度梯度，变形小且易于热处理、表面处理。

模具加工时要防止出现刀痕，磨削裂纹及磨削过热，防止脱电花火加工异常层中微裂纹的危害，还要防止脱碳、氧化等缺陷，以及改用铸造模具代替段造模具，因为在高温下铸造模具具有较高抗热裂性能及强度。

5、保养（1）预热预热可提高模具德尔断裂韧性，减小模具的温差。

但过高的预热温度将升高模具型腔表面的接触温度，降低模具的屈服强度和疲劳强度。

这要根据生产经验确定。

（2）停工时的保温中途停工，必须对模具做适当保温，以免引起内应力开裂。

（3）中间去应力回火当新模具使用到设计寿命的1／6～1／8时，应对模具型腔及模架进行450℃～480℃回火，并对型腔抛光和氮化，以消除内应力和型腔表面的较微裂纹。

以后每1200～1500模次进行同样保养。

此外，模具使用一段时间后，由于压铸速度过高和长时间使用，型腔和型芯上含有沉积物，应采用研磨或机械去除，但不要损伤其他型面。

压铸模型腔龟裂失效机理十分复杂，目前还没有完整系统的科学解释，随着热疲劳理论等相等相关学科的发展，其机理及与措施有待进一步地深入研究。

【参考文献】：[1] 何晋瑞。

金属高温度疲劳。

国防工业出版社，1988[2] 张玮玮。

浅谈提高压铸模寿命。

模具工业，1996.（4）[3] 沈利群。

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模具工业，1996.（4）[4 ]张玉林,压铸件质量及模具寿命,模具技术,1996.(2)。