压铸模具失效模式

侵蚀/ 冲蚀和金属速度的函数关系
侵 蚀
/
冲 蚀 速 度 金属流动速度
塌陷
分型面和型腔塌陷是由于高温强度太低造成的。 钢材的高温屈服强度随着温度的升高而降低。这 样，工作温度升高后塌陷的危险就更大了。
压铸模不同位置易产生的失效方式
整体开裂 塌陷
冲蚀，粘着 热裂纹
失效机理和所要求的模具特性
热裂纹 回火抗力 高温强度 延展性 热膨胀系数 热传导系数 韧性 各向同性
模具材料的延展性
高的延展性提高抗热龟裂的性能。
热裂纹的程度
无缺口冲击韧性, J
热裂纹的标准
网状裂纹 主裂纹
压铸模具使用一段时期后会出现小的裂纹 （网状）和大的裂纹（主裂纹）。他们影响 模具寿命的程度不同。 该标准共同使用网状裂纹和主裂纹的值来定 级。 将模具与标准比较 分别从两个标准中定级 将两个级别相加 两个读数的总和就是热裂纹程度的级别。
630°C
Heating and cooling curves.
ΔT 模具承受的最高及最低的温度 影响热裂纹形成的速度
Al die surface ΔT approx. 400°C
导致热裂纹的联合因素
以下因素联合作用导致热裂纹:
拉伸应力
Tensile stress
热裂纹:
Heat checking
热膨胀系数大致相同,因为模具钢都是马氏体. 奥氏体的热膨胀系数高出50% ，不适 合作压铸模具。
微观组织结构对延展性的影响
Microstructural influence on the ductility
延展性/塑性 Ductility
取决于:
钢材质量
受控于:
钢材生产过程 材料获得良好的塑性必须有: 高的洁净度 组织均匀
Thermal cyclic stress
Tensile stress
Creeping
可提高模具钢抗热裂纹能力的特性
高的蠕变抗力 → 减小模具在机械载荷和高温联合作
用下的塑性变形
Reduces die strain under the combine effect of mechanical load and high temp.
整体开裂
模具短时间内热应力或机械应力过载。
Temporarily thermal or mechanical overloading of the die.
整体开裂的原因
材料 热处理 模具制造 压铸过程
可提高模具钢抗整体开裂能力的重要特性
韧性 Toughness 各向同性 Isotropy
机械和热应力在模具各方向均匀分布。因此，所有 方向（各向同性）都具有良好的韧性非常重要。
Al-alloy Fe2A15 FeA13 Steel
粘着
由于形成严重的金属间化合物，压铸金属粘着到模具表面。
侵蚀/粘着的原因
压铸金属的温度 压铸金属的化学成分
0.8%Fe min. / 0.5%Mn min in Al-alloy reduces soldering.
压铸金属的速度 模具的表面处理
韧性/断裂韧性
韧性是表征材料抵抗裂纹扩展能力的量度。 材料的韧性越好，裂纹在模具中扩展越困难。
韧性和各向同性
模具内韧性的一致性通过 钢铁生产过程来控制。
The uniformity of toughness within the die is controlled by the steel making process.
Thermal cyclic stress
⇒
Tensile stress
Creeping
ΔT:温差 ΔT: temperature difference
模具钢的重要特性
取决于:
回火抗力 高温屈服强度 蠕变抗力 热导率 延展性 韧性 热膨胀系数
化学成分 (钢种)
钢材的质量
材料和热处理 原子晶格 (微观结构)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
早期热裂纹的原因
材料 设计 模具制造 热处理/表面处理 生产
பைடு நூலகம் 早期热裂纹的原因
材料
低的延展性 低的高温屈服强度
早期热裂纹的原因
设计
冷却水道距离表面太近 应力集中
(e.g., grinding scratches, corners, fillets, holes)
⇒ Lowers thermal induced stresses.
Thermal cyclic stress Tensile stress Creeping
可提高模具钢抗热裂纹能力的特性
高的热导率 → 降低模具表面和心部的ΔT ⇒ 降低热
应力
Reduces ΔT between surface and core of the die Lowers thermal induced stresses.
高的回火抗力 → 模具材料可以在高温下保持
高强度
Die resists softening at high temperature.
Thermal cyclic stress
Tensile stress
Creeping
可提高模具钢抗热裂纹能力的特性
良好的高温强度 (红硬性) → 降低塑性变形
Lowers the plastic strain.
模具材料的韧性
取决于:
钢材的质量 热处理的质量,特别是 高的冷却速度。
冲蚀
型腔表面的热磨损
冲蚀的原因
模具材料的高温硬度 模具的润滑 压铸金属的速度 压铸金属的温度 压铸金属的化学成分
(ppt. hard Si particles in Al melt with 12.7%Si) (>55m/s substantially increases erosion)
热作模具
在压铸中的使用
失效类型 模具钢的主要特性
热裂纹
模具表面的温度和应力分布
温度
拉应力 最低工作强度
时间 最高工作强度
温度 应力
压应力
在热裂纹机理中，模具表面冷却周期 起着关键作用。
Factors which influence die temperature cycle (模具的温度循环) Preheating temp. Surface temp. of the die Holding time at peak temp. Cooling rate
Thermal cyclic stress
Creeping
循环热应力
短期蠕变*
*塑性变形(短期蠕变)
可提高模具钢抗热裂纹能力的重要特性
回火抗力 高温强度 蠕变强度 延展性 / 韧性 热膨胀系数(CTE) 热导率
循环热应力
Thermal cyclic stress
短期蠕变
Creeping
可提高模具钢抗热裂纹能力的特性
仅受成分影响 也受钢铁生产过程影响
整体开裂
冲蚀
侵蚀
塌陷
也受热处理影响
压铸模应用的合理选材
按照主要失效方式和应用要求选择钢种。
热裂纹 整体开裂 冲蚀 侵蚀 塌陷或塑性变形
Thermal cyclic stress Tensile stress Creeping
可提高模具钢抗热裂纹能力的特性
良好的延展性 (Ductility) → 增加模具承受塑性变形
而不开裂的能力。
Increases the ability of the die steel to absorb plastic strain without cracking.
早期热裂纹原因
生产
模具预热不充分 气体喷枪预热 高的压铸周期 高的熔化温度 高的压射速度
(Al usu. 50m/s, >55m/s is bad) (high cycle time) (Al usu. 180-300°C)
表面脱模剂太多 冷却介质温度太低(50°C recommended, <20°C is bad)
早期热裂纹的原因
模具制造
表面的EDM白层 表面补焊 过于光滑的抛光表面 未氧化的表面
(220-600 grit recommended)
早期热裂纹的原因
热处理/表面处理
硬度不足 淬火组织不良 脱碳 氮化层太厚
(0.3mm max. for HW appln., inserts should be 0.05mm max.)
The mechanical and thermal stresses in a die are distributed in all directions. Therefore, it is also important that the toughness is good in all directions (isotropy).
Thermal cyclic stress
Tensile stress
Creeping
可提高模具钢抗热裂纹能力的特性
低的热膨胀系数 → 模具心部有较小的相对膨胀和
收缩 ⇒ 降低热应力
Less relative expansion and contraction between the surface and core of the die.
表面处理
可提高模具钢抗冲蚀能力的重要特性
回火抗力 高温屈服强度
侵蚀
当熔化金属与模具材料发生化学反应时产生侵蚀。
侵蚀
型腔表面缺乏保护层，压铸金属渗透进 入模具表面。 同时，模具内的合金元素（特别是铁） 会从模具表面扩散进入压铸金属。 这些过程在模具表面和压铸金属之间产 生了金属间化合物。
(0.8% Fe min. in Al melt reduces corrosion.)