模具損壞分析

　　在壓鑄生產中，模具損壞最常見的形式是裂紋、開裂。應力是導致模具損壞的主要原因。熱、機械、化學、操作沖擊都是產生應力之源，包括有機械應力和熱應力，應力產生于：

　　一．在模具加工制造過程中

　　1、毛坯鍛造質量問題。有些模具只生產了幾百件就出現裂紋，而且裂紋發展很快。有可能是鍛造時只保證了外型尺寸，而鋼材中的樹枝狀晶體、夾雜碳化物、縮孔、氣泡等疏松缺陷沿加工方法被延伸拉長，形成流線，這種流線對以后的最后的淬火變形、開裂、使用過程中的脆裂、失效傾向影響極大。

　　2、在車、銑、刨等終加工時產生的切削應力，這種應力可通過中間退火來消除。

　　3、淬火鋼磨削時產生磨削應力，磨削時產生摩擦熱，產生軟化層、脫碳層，降低了熱疲勞強度，容易導致熱裂、早期裂紋。對H13鋼在精磨后，可采取加熱至510－570℃，以厚度每25mm保溫一小時進行消除應力退火。

　　4、電火花加工產生應力。模具表面產生一層富集電極元素和電介質元素的白亮層，又硬又脆，這一層本身會有裂紋，有應力。電火花加工時應采用高的頻率，使白亮層減到最小，必須進行拋光方法去除，并進行回火處理，回火在三級回火溫度進行。

　　二．模具處理過程中

　　熱處理不當，會導致模具開裂而過早報廢，特別是只采用調質，不進行淬火，再進行表面氮化工藝，在壓鑄幾千模次后會出現表面龜裂和開裂。

　　鋼淬火時產生應力，是冷卻過程中的熱應力與相變時的組織應力疊加的結果，淬火應力是造成變形、開裂的原因，固必須進行回火來消除應力。

　　三．在壓鑄生產過程中

　　1、模溫

　　模具在生產前應預熱到一定的溫度，否則當高溫金屬液充型時產生激冷，導致模具內外層溫度梯度增大，形成熱應力，使模具表面龜裂，甚至開裂。

　　在生產過程中，模溫不斷升高，當模溫過熱時，容易產生粘模，運動部件失靈而導致模具表面損傷。

　　應設置冷卻溫控系統，保持模具工作溫度在一定的范圍內。

　　2、充型

　　金屬液以高壓、高速充型，必然會對模具產生激烈的沖擊和沖刷，因而產生機械應力和熱應力。在沖擊過程中，金屬液、雜質、氣體還會與模具表面產生復雜的化學作用，并加速腐蝕和裂紋的產生。當金屬液裹有氣體時，會在型腔中低壓區先膨脹，當氣體壓力升高時，產生內向爆破，扯拉出型腔表面的金屬質點而造成損傷，因氣蝕而產生裂紋。

　　3、開模

　　在抽芯、開模的過程中，當某些元件有形變時，也會產生機械應力。

　　4、生產過程

　　在每一個壓鑄件生產過程中，由于模具與金屬液之間的熱交換，使模具表面產生周期性溫度變化，引起周期性的熱膨脹和收縮，產生周期性熱應力。如澆注時模具表面因升溫受到壓應力，而開模頂出鑄件后，模具表面因降溫受到拉應力。當這種交變應力反復循環時，使模具內部積累的應力越來越大，當應力超過材料的疲勞極限時，模具表面產生裂紋。

　　預防模具損傷的措施

　　1．良好的鑄件結構設計

　　鑄件壁厚盡可能均勻，避免產生熱節，以減少模具局部熱量集中產生的熱疲勞。鑄件的轉角處應有適當的鑄造圓角，以避免模具上有尖角位導致應力產生。

　　2．合理的模具結構設計

　　1）模具中各元件應有足夠的剛度、強度，以承受壓力而不變形。模具壁厚要足夠，才能減少變形。

　　2）澆注系統設計盡量減少對型芯沖擊、沖蝕。

　　3）正確選擇各元件的公差配合和表面粗糙度。

　　4）保持模具熱平衡。

　　3．規范熱處理工藝

　　通過熱處理可改變材料的金相組織，保證必要的強度、硬度、高溫下尺寸穩定性、抗熱疲勞性能和材料切削性能。

　　正確的熱處理工藝，才會得到最佳的模具性能，而鋼材的性能是受到淬火溫度和時間、冷卻速度和回火溫度控制。

　　4．壓鑄生產過程控制

　　1）溫度控制：模具的預熱溫度和工作溫度；合金澆注溫度，在保證成型良好前提下，用較低的澆注溫度。

　　2）合理的壓鑄工藝：比壓、充填速度。

　　3）調整機器的鎖模力，使模具受力均勻。注意清掃模具表面的殘削碎片，以免合模時這些多余物使模具表面受力不均勻，引起變形。

　　4）對合金熔煉嚴格控制，減少金屬液中氣體。

　　5．模具的維護與保養

　　1）定期消除應力

　　2）模具修補

　　壓鑄件結構設計的注意事項

　　如何提高壓鑄模壽命

　　壓鑄模由于生產周期長、投資大、制造精度高，故造價較高，因此希望模具有較高的使用壽命。但由于材料、機械加工等一系列內外因素的影響，導致模具過早失效而報廢，造成極大的浪費。

　　壓鑄模失效形式主要有：尖角、拐角處開裂、劈裂、熱裂紋(龜裂)、磨損、沖蝕等。造成壓鑄模失效的主要原因有：材料自身存在的缺陷、加工、使用、維修及熱處理的問題。

　　1 材料自身存在的缺陷

　　眾所周知，壓鑄模的使用條件極為惡劣。以鋁壓鑄模為例，鋁的熔點為580-740℃，使用時，鋁液溫度控制在650-720℃。在不對模具預熱的情況下壓鑄，型腔表面溫度由室溫直升至液溫，型腔表面承受極大的拉應力。開模頂件時，型腔表面承受極大的壓應力。數千次的壓鑄后，模具表面便產生龜裂等缺陷。

　　由此可知，壓鑄使用條件屬急熱急冷。模具材料應選用冷熱疲勞抗力、斷裂韌性、熱穩定性高的熱作模具鋼。H13(4Cr5MoV1Si)是目前應用較廣泛的材料，據介紹，國外80％的型腔均采用H13，現在國內仍大量使用3Cr2W8V，但3Cr2W8V工藝性能不好，導熱性很差，線膨脹系數高，工作中產生很大熱應力，導致模具產生龜裂甚至破裂，并且加熱時易脫碳，降低模具抗磨損性能，因此屬于淘汰鋼種。馬氏體時效鋼適用于耐熱裂而對耐磨性和耐蝕性要求不高的模具。鎢鉬等耐熱合金僅限于熱裂和腐蝕較嚴重的小型鑲塊，雖然這些合金即脆又有缺口敏感性，但其優點是有良好的導熱性，對需要冷卻而又不能設置水道的厚壓鑄件壓鑄模有良好的適應性。因此，在合理的熱處理與生產管理下，H13仍具有滿意的使用性能。

　　制造壓鑄模的材料，無論從哪一方面都應符合設計要求，保證壓鑄模在其正常的使用條件下達到設計使用壽命。因此，在投入生產之前，應對材料進行一系列檢查，以防帶缺陷材料造成模具早期報廢和加工費用的浪費。常用檢查手段有宏觀腐蝕檢查、金相檢查、超聲波檢查。

　　(1)宏觀腐蝕檢查。主要檢查材料的多孔性、偏柝、龜裂、裂紋、非金屬夾雜以及表面的錘裂、接縫。

　　(2)金相檢查。主要檢查材料晶界上碳化物的偏析、分布狀態、晶料度以及晶粒間夾雜等。

　　(3)超聲波檢查。主要檢查材料內部的缺陷和大小。

　　2 壓鑄模的加工、使用、維修和保養

　　模具設計手冊中已詳細介紹了壓鑄模設計中應注意的問題，但在確定壓射速度時，最大速度應不超過100m/S。速度太高，促使模具腐蝕及型腔和型芯上沉積物增多；但過低易使鑄件產生缺陷。因此對于鎂、鋁、鋅相應的最低壓射速度為27、18、12m/s，鑄鋁的最大壓射速度不應超過53m/s，平均壓射速度為43m/s。 在加工過程中，較厚的模板不能用疊加的方法保證其厚度。因為鋼板厚1倍，彎曲變形量減少85％，疊層只能起疊加作用。厚度與單板相同的2塊板彎曲變形量是單板的4倍。另外在加工冷卻水道時，兩面加工中應特別注意保證同心度。如果頭部拐角，又不相互同心，那么在使用過程中，連接的拐角處就會開裂。冷卻系統的表面應當光滑，最好不留機加工痕跡。

　　電火花加工在模具型腔加工中應用越來越廣泛，但加工后的型腔表面留有淬硬層。這是由于加工中，模具表面自行滲碳淬火造成的。淬硬層厚度由加工時電流強度和頻率決定，粗加工時較深，精加工時較淺。無論深淺，模具表面均有極大應力。若不清除淬硬層或消除應力，在使用過程中，模具表面就會產生龜裂、點蝕和開裂。消除淬硬層或去應力可用：①用油石或研磨去除淬硬層；②在不降低硬度的情況下，低于回火溫度下去應力，這樣可大幅度降低模腔表面應力。