壓鑄模具失效形式以及如何提高壽命

1、壓鑄鋁合金零件失效分析摘要：本文結(jié)合工廠的壓鑄模具的實際失效情況，總結(jié)分析了壓鑄模的主要失效形式,系統(tǒng)地提出了分析壓鑄模具失效的方法和手段。從工程實用的角度提出了避免早期失效、提高模具壽命的方法。 壓鑄是一種節(jié)能、低價、高效的金屬成形方式。壓鑄件具有尺寸精度高，表面光潔，強(qiáng)度和硬度高的特點(diǎn)，一般不需要機(jī)械加工或稍經(jīng)加工便可使用，適合批量生產(chǎn)。但是在使用過程中，由于各種原因壓鑄模容易失效。關(guān)鍵字:壓鑄模具 失效 提高壽命 1 壓鑄模具常見失效形式下面結(jié)合工廠實際情況分析了壓鑄模具的失效形式和失效機(jī)理。1.1熱裂熱裂是模具最常見的失效形式，如圖1所示。熱裂紋通常形成于模具型腔表面或內(nèi)部熱應(yīng)力集中處

2、，當(dāng)裂紋形成后，應(yīng)力重新分布，裂紋發(fā)展到一定長度時，由于塑性應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力松弛使裂紋停止擴(kuò)展。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋尖端附近出現(xiàn)一些小孔洞并逐漸形成微裂紋，與開始形成的主裂紋合并，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，最后裂紋間相互連接而導(dǎo)致模具失效。 1.2整體脆斷整體脆斷是由于偶然的機(jī)械過載或熱過載導(dǎo)致模具災(zāi)難性斷裂。材料的塑韌性是與此現(xiàn)象相對應(yīng)的最重要的力學(xué)性能。材料中有嚴(yán)重缺陷或操作不當(dāng),會引起整體脆斷，如圖2所示。 1.3侵蝕或沖刷這是由于機(jī)械和化學(xué)腐蝕綜合作用的結(jié)果,熔融鋁合金高速射入型腔,造成型腔表面的機(jī)械磨蝕。同時,金屬鋁與模具材料生成脆性的鐵鋁化合物,成為熱裂紋新的萌生源。此外,鋁充填到裂紋之中與

3、裂紋壁產(chǎn)生機(jī)械作用,并與熱應(yīng)力疊加,加劇裂紋尖端的拉應(yīng)力,從而加快了裂紋的擴(kuò)展。提高材料的高溫強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性有利于增強(qiáng)材料的抗腐蝕能力。 2 壓鑄模具常見失效分析方法為了延長模具的使用壽命,節(jié)約成本,提高生產(chǎn)效率,就必須研究模具的失效形式和導(dǎo)致模具失效的原因以及模具失效的內(nèi)部機(jī)理。由于壓鑄模具失效的原因比較復(fù)雜,要從模具的設(shè)計、材料選擇、工作狀態(tài)等很多方面來進(jìn)行分析。 圖3為壓鑄模具常見失效分析圖。圖 3 壓鑄模具常見失效分析方法2.1裂紋的表面形狀及裂紋擴(kuò)展形貌分析失效模具型腔表面主要是沖蝕坑，大小比較均勻，冒口所對部位有明顯的沖蝕坑外，表面明顯具有一定方向的劃痕，劃痕上分布有大小不等的鋁

4、合金塊狀物。由于正對澆口部位直接受金屬液的沖刷，該部位具有明顯的沖刷犁溝，同時可觀察到劃痕間有裂紋。裂紋從裂紋源出發(fā)，并向西周擴(kuò)展。裂紋內(nèi)有大量的夾雜物，裂紋邊緣有二次裂紋。由于模具使用時間短，一般部位表面主要是沖蝕坑和焊合，而澆口所對部位主要為液態(tài)金屬沖刷形成的犁溝和熱疲勞裂紋。 由于高溫液態(tài)金屬的沖刷，模具型腔表面首先沖擊坑及犁溝，模具的表面變得凸凹不平，造成局部應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于名義應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這些部位是裂紋產(chǎn)生的危險部位。另外，分布在模具型腔表面的夾雜物，如氧化物、硫化物等，在熱循環(huán)過程中與基體脫離，直接成為熱疲勞裂紋。一方面夾雜物同集體的彈性模量不同，當(dāng)熱應(yīng)力及機(jī)械力作用時，

5、在其周圍形成應(yīng)力集中;另一方面在冷卻時夾雜物與基體有不同的熱收縮，造成鑲嵌應(yīng)力，兩者疊加的結(jié)果，在夾雜物周圍產(chǎn)生很大的應(yīng)力場。應(yīng)力集中的結(jié)果使沖擊坑、犁溝及夾雜物成為疲勞裂紋的誘發(fā)核心和擴(kuò)展優(yōu)取向。 2.2殘余應(yīng)力分析 壓鑄模具的殘余應(yīng)力較為復(fù)雜,主要是在機(jī)械加工、電火花加工、熱處理及生產(chǎn)過程中熱沖擊產(chǎn)生的熱應(yīng)力等原因產(chǎn)生。模具使用一定時間后,模具的表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,裂紋前端無論是平行于裂紋擴(kuò)展方向還是垂直于裂紋的擴(kuò)展方向,都受壓應(yīng)力。型腔表面裂紋前端的殘余應(yīng)力大于裂紋沿深度方向裂紋前端的殘余應(yīng)力,模具的型腔表面溫度變化大,產(chǎn)生的熱應(yīng)力的殘余應(yīng)力要大,而且模具投入使用之前的機(jī)械加工和熱處

6、理過程中模具表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力要大于模具內(nèi)部。由于液態(tài)金屬的沖刷,澆口所對部位的溫度要高于一般部位,加上沖擊力的作用,澆口所對部位的殘余應(yīng)力大于一般部位.殘余應(yīng)力范圍90MPa-420MPa。模具型腔表面殘余應(yīng)力的存在對裂紋的擴(kuò)展有一定的影響,殘余應(yīng)力場中的裂紋擴(kuò)展研究表明,殘余應(yīng)力可以增加裂紋的閉合程度,減緩裂紋的擴(kuò)展速率.模具型腔表面形成的殘余應(yīng)力的大小及壓應(yīng)力存在的深度對減弱模具熱疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展有一定益處。模具經(jīng)過一定時間使用后,模具表面的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,裂紋前端無論是平行于裂紋擴(kuò)展方向還是垂直與裂紋擴(kuò)展方向都受壓應(yīng)力。所以在模具的使用過程中隔一段時間要進(jìn)行清洗和維修。3 提高模

7、具壽命的方法對壓鑄模具失效及提高壓鑄模壽命的研究，無論是從實驗方法還是對模具壽命的估算，都沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使壓鑄模具的使用壽命遇到了一個瓶頸，因此提高模具壽命是工程界一個十分艱巨的任務(wù)。 3.1精心設(shè)計壓鑄件和壓鑄模具 模具的局部開裂、型腔表面磨損以及型壁面交界處的裂紋等失效，往往是由于壓鑄件的工藝設(shè)計不合理所造成的。因此，設(shè)計壓鑄件必須注意以下幾點(diǎn)：(1)在滿足壓鑄件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下，宜采用薄壁結(jié)構(gòu)，這不僅減輕了壓鑄件的質(zhì)量，而且也減少了模具的熱載荷。(2)壓鑄件壁厚應(yīng)均勻，避免熱節(jié)，以減少局部熱量集中引起模具過早的熱疲勞失效。(3)壓鑄件所有轉(zhuǎn)角處，應(yīng)有適當(dāng)?shù)蔫T造圓角，以避免在模具相應(yīng)

8、部位形成棱角，產(chǎn)生裂紋和塌陷。 (4)壓鑄件上應(yīng)盡量避免深而窄的凹穴，以避免模具相應(yīng)部位出現(xiàn)尖劈，使散熱條件惡化而產(chǎn)生斷裂。 (5)壓鑄件應(yīng)該有合理的脫模斜度，以避免開模抽芯取件時擦傷模具型壁。3.2保證模具的加工質(zhì)量 模具的加工制造、安裝、裝配的實際精度對模具的壽命有影響，需要引起重視，其中的磨削加工對模具壽命的影響很大，至少會從三個方面對損壞模具壽命：(1)砂輪不鋒利引起的摩擦使模具表面出現(xiàn)磨銷裂紋。 (2)摩擦熱使模具表面軟化，降低了模具抗熱疲勞能力和內(nèi)腐蝕能力。(3)表面存在磨銷應(yīng)力，降低了模具的抗熱疲勞能力和機(jī)械疲勞能力。 3.3選用優(yōu)質(zhì)鋼材壓鑄模具材料質(zhì)量的提高于改進(jìn)對其熱疲勞壽命

9、的提高影響極大。其中，氣體中雜質(zhì)的含量高、成分偏析及碳化物的不均勻程度嚴(yán)重，都會降低模具的熱疲勞壽命。鋼中的夾雜物往往是萌生裂紋的核心，夾雜物的尺寸大于某一臨界尺寸后，疲勞強(qiáng)度隨夾雜物顆粒尺寸的加大而下降。疲勞強(qiáng)度的下降與顆粒尺寸的立方成正比 12 。(1)采用先進(jìn)的毛坯鍛造工藝采用先進(jìn)的毛坯鍛造工藝有兩個目的，一是使碳化物分布均勻，二是形成合理的流線分布，以提高鋼材的耐磨性和各項同性以及抗咬合能力 1 。(2)采用合理的熱處理規(guī)范作為壓鑄模具材料必須具有較高的熱強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，這樣才有可能獲得高的熱疲勞抗力和耐磨性。從壓鑄工作條件和提高抗熱疲勞性能出發(fā)，回火溫度應(yīng)盡量提高一些，但必須低于二

10、次硬化溫度。此外，為了使一次回火生成的馬氏體充分回火，以及使殘余奧氏體馬氏體化，還應(yīng)采取二次回火。 (3)采用表面強(qiáng)化處理 采用表面強(qiáng)化工藝提高模具表面的強(qiáng)度、耐磨性及耐蝕性，可以延長熱裂紋萌生的孕育期，防止熱裂紋的擴(kuò)展，由此提高模具的使用壽命。常見的表面強(qiáng)化處理有：噴丸強(qiáng)化法、壓應(yīng)力冷作撞擊法、蒸汽處理法、電火花放電強(qiáng)化法、高頻淬火、軟氮化、鎢鎳合金沉積法等 123 。 (4)采用良好的操作規(guī)程在操作前預(yù)熱模具是十分重要的。不僅可以提高鋼的韌性。同時也可以減少模具斷面的溫度梯度，以降低模具的熱應(yīng)力。但預(yù)熱模具溫度不能太高，過高的預(yù)熱溫度則會降低表層的屈服強(qiáng)度，反而會降低模具的使用壽命。合金的冶煉和保溫也都應(yīng)該嚴(yán)格按操作規(guī)范執(zhí)行，特別是重視精練排氣，減少材料內(nèi)部的裂紋源 3 。要進(jìn)一步提高模具的使用壽命，最重要的就是開發(fā)新的鋼種并運(yùn)用;建立全面的質(zhì)量管理制度，提高職工的綜合素質(zhì)。4小結(jié) 模具的多種失效方式是影響壓鑄模具使用壽命的因素,本文結(jié)合工廠實際情況