鋁合金壓 鑄模的服役條件較為苛刻,鋁合金熔體的溫度通常在80℃ 左右,其充填速度為50～180ｍ/ｓ,成形周期較短,一般在2min以內(nèi)。如果壓鑄模存在機(jī)械加工、熱處理工藝不當(dāng)?shù)葐?wèn)題,當(dāng)壓鑄模表面承受循環(huán)熱應(yīng)力 時(shí),易發(fā)生熱疲勞龜裂、斷裂、塑性變形等,從而降低壓鑄模的使用壽命。因此,研究鋁壓鑄模的機(jī)械加工工藝與熱處理工藝對(duì)壓鑄模壽命的影響,有實(shí)際意義。1鋁壓鑄件壓鑄模失效分析某鋁壓鑄件壓鑄模結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,尺寸為800mm×600mm×200mm，材質(zhì)為H13鋼。壓鑄模加工工藝為：下料→鍛造→球化退火→銑削加工→淬火→電火花成形加工→研磨拋光。經(jīng)熱處理（600、850℃分級(jí)加熱＋1100℃真空油淬＋570℃二次回火），硬度（HRC）達(dá)到48～50，符合設(shè)計(jì)要求。生產(chǎn)200模后，壓鑄模內(nèi)凹角處出現(xiàn)裂紋，繼續(xù)生產(chǎn)到500模時(shí)壓鑄模出現(xiàn)明顯龜裂紋，裂紋宏觀形貌見(jiàn)圖2。在壓鑄模裂紋附近線切割取樣，其金相組織見(jiàn)圖3。
圖1壓鑄模
從圖3看出,H13鋼組織有灰白相間的條紋分布，表明組織中存在較多的非金屬夾雜與一定碳化物偏析。灰色區(qū)內(nèi)大量存在較細(xì)小的回火馬氏體,而殘留奧氏體較少;白色區(qū)內(nèi)存在較多的殘留奧氏體,且竹葉狀回火馬氏體較粗大。原因分析：①由于壓鑄模型腔截面尺寸較大,H13鋼導(dǎo)截面尺寸效應(yīng)較明顯,選擇淬火溫度較高,保溫時(shí)間長(zhǎng)。一方面局部奧氏體過(guò)飽和碳濃度偏高,晶粒變粗 大,經(jīng)回火后馬氏體粗大,其組織內(nèi)應(yīng)力較大,另一方面組織中存在大塊狀的碳化物,在熱處理中會(huì)造成局部脆化,導(dǎo)致壓鑄模型腔韌性差；②放電加工過(guò)程中,由 于H13鋼含碳化物較大,需要放電能量較大,及放電尖角效應(yīng)導(dǎo)致凹角處放電集中,從而導(dǎo)致導(dǎo)致局部電流值過(guò)大,在型腔凹角處形成的微裂紋深度較深,研磨拋 光變質(zhì)層后微裂紋依舊存在,且存在較大拉應(yīng)力；③壓鑄模工作時(shí),受到鋁液包裹擠壓在內(nèi)凹角處產(chǎn)生較大拉伸力,鋁液使壓鑄模工作表面受熱膨脹,產(chǎn)生壓應(yīng)力,壓鑄件脫模后,由于向壓鑄模工作表面噴撒冷卻劑,使壓鑄模工作表面急劇冷卻而收縮,產(chǎn)生切向拉應(yīng)力,熱交變應(yīng)力與拉伸應(yīng)力在型腔內(nèi)凹角處產(chǎn)生疊加,加之壓鑄模型腔的韌性不足與微裂紋的存在,從而出現(xiàn)宏觀裂紋,繼而發(fā)展成龜裂。綜上分析,壓鑄模熱處理及放電加工導(dǎo)致內(nèi)凹角處存在缺陷,在交變熱應(yīng)力作用下,壓鑄模出現(xiàn)龜裂失效。2工藝優(yōu)化優(yōu)化工藝如下：①適當(dāng)降低壓鑄模硬度（HRC）至46～47,調(diào)整對(duì)應(yīng)的熱處理工藝為480、700、850℃分級(jí)加熱＋1050℃真空油淬＋600℃二次回火,熱處理后的金相組織見(jiàn)圖４,從圖4a可見(jiàn),殘余奧氏體減少且竹葉狀回火馬氏體有所減少,從圖4b可觀察到細(xì)小球化碳化物,故壓鑄模型腔韌性得到提高；②壓鑄模型腔加工時(shí),粗加工時(shí)采用中脈寬、大峰值電流,而精加工時(shí)采用低脈寬、中峰值電流,避免表面微裂紋過(guò)深；③沒(méi)有預(yù)熱的壓鑄模其龜裂紋發(fā)生的速度快,故壓鑄模投產(chǎn)后
首次預(yù)熱采用低壓慢速預(yù)熱,且投產(chǎn)后壓鑄模定期退火,壓鑄模未發(fā)生早期裂紋及龜裂失效。３提高壓鑄模使用壽命的措施3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在金屬液的沖擊角為72°～75°時(shí),鋁液對(duì)CAE壓鑄模材料的沖蝕焊合最為嚴(yán)重。通過(guò)CAE優(yōu)化內(nèi)澆口和溢流槽位置及數(shù)量,避免上述沖擊角,可提高壓鑄 模使用壽命。在保證鑄件表面品質(zhì)的情況下,適當(dāng)增大內(nèi)澆道截面積可以增加流量并減小對(duì)壓鑄模的沖擊力。采用整體式溢流槽減小了壓鑄件的變形量,提高了壓鑄模局部溫度,保證了壓鑄件的品質(zhì)。壓鑄模型芯表面受到鋁液沖擊而粘模,將該處型芯改為臺(tái)階成形（加厚部分成形壁厚為0.5～1.0mm）,可以減小鋁液在壓鑄模表面形成的粘模力。為了避免 細(xì)長(zhǎng)型芯受鋁液沖擊變形,脫模時(shí)拉傷內(nèi)孔,采用雙型芯對(duì)鑄結(jié)構(gòu)。壓鑄模的易龜裂部位和易損傷部位盡量采取鑲件結(jié)構(gòu),便于維修和更換。壓鑄模精度取決于設(shè)計(jì)加工過(guò)程中基準(zhǔn)之間的無(wú)縫銜接。必須注意：①壓鑄模設(shè)計(jì)階段盡可能保證基準(zhǔn)的可靠性和唯一性；②壓鑄模配件加工,消除裝配尺寸鏈的誤差累積效應(yīng)；③壓鑄模零件加工時(shí)一定要閉環(huán)控制,采用實(shí)際尺寸的測(cè)控精度為反饋,實(shí)施閉環(huán)加工。3.2 工藝優(yōu)化H13鋼在淬硬后直接進(jìn)行高速銑削,可獲得相當(dāng)于磨削的粗糙度。故可以用H13鋼硬態(tài)銑削代替磨削加工,降低生產(chǎn)成本。磨削加工會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,導(dǎo)致型腔表面出現(xiàn)裂紋,影響壓鑄模壽命。為避免磨削裂紋產(chǎn)生,精磨時(shí)盡量選擇自銳性好的砂輪,且冷卻充分。電脈沖放電功率的大小直接決定壓鑄模型腔表面形成淬火馬氏體的厚度和顯微裂紋的大小。而H13鋼中含有較多高熔點(diǎn)的碳化鉻、碳化釩,需要切割脈沖能量較 大,從而導(dǎo)致壓鑄模表面產(chǎn)生微裂紋加深,且后續(xù)精修放電加工也不能消除這些裂紋。故H13鋼成形切割采用中脈寬、大峰值電流；后續(xù)精修加工,采用小脈寬來(lái) 降低脈沖能量,而脈沖峰值不宜太小。壓鑄模表面在電加工后應(yīng)進(jìn)行噴丸處理,可使壓鑄模表層形成殘余壓應(yīng)力,使微裂紋封閉而不易擴(kuò)展,推遲熱疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展,從而提高壓鑄模壽命。3.3 硬度設(shè)計(jì)與熱處理工藝H13鋼經(jīng)真空淬火后最佳硬度（HRC）為44～48。合理選擇壓鑄模各部分硬度：①若壓鑄模熱疲勞失效為主要失效形式,壓鑄模表面硬度取上限,若壓鑄模失效為脆性開裂,則壓鑄模表面硬度取下限；②一般中小型的鋁合金壓 鑄模硬度（HRC）為46～48,尺寸大的鋁合金鑄件和比較厚或形狀復(fù)雜件的壓鑄模,硬度（HRC）應(yīng)降至44～46 ； ③ 大型 型腔為提高韌性避免早期開裂可以適當(dāng)降低硬度； 型芯主要是發(fā)生彎曲變形失效， 而發(fā)生裂紋失效的可能性不大,可降低型芯韌性提高其硬度。H13 鋼在1020～1100 ℃ 保溫， 使碳化物充分溶入奧氏體,避免壓鑄模因熱處理碳 化物溶解不充分殘留在晶界之間而造成的壓鑄模龜裂:① 如H13 鋼尺寸效應(yīng)明顯時(shí),將壓鑄模型腔放入熱油中反復(fù)翻轉(zhuǎn),破壞蒸氣膜，加強(qiáng)對(duì)流傳熱效果；②將型芯表面先接觸熱油,然后再整體浸入油中,可使型芯工作部分硬度 高,裝配部分韌性好；③對(duì)壓鑄模型腔表面容易出現(xiàn)粘模的部位和型芯,選用氮化、碳氮共滲等表面強(qiáng)化處理,以減小侵蝕、 粘模。3.4生產(chǎn)注意事項(xiàng)（1）合理預(yù)熱使用壓鑄模時(shí)，應(yīng)采用先預(yù)熱至180～300℃再緩慢澆注、壓射，可以有效減小熱應(yīng)力，起到延緩壓鑄模表面龜裂紋的作用。(2)壓鑄模定期退火壓鑄模在使用過(guò)程中會(huì)積累較大的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力，因此在使用一段時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行回火處理，其工藝為：（570±10）℃保溫2～3ｈ，隨爐冷至400～450℃出爐空冷，然后進(jìn)行再氮化處理。
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