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。如果壓鑄模存在機械加工、熱處理工藝不當等問題,當壓鑄模表面承受循環熱應力 時,易發生熱疲勞龜裂、斷裂、塑性變形等,從而降低壓鑄模的使用壽命。因此,研究鋁壓鑄模的機械加工工藝與熱處理工藝對壓鑄模壽命的影響,有實際意義。1鋁壓鑄件壓鑄模失效分析某鋁壓鑄件壓鑄模結構見圖1,尺寸為800mm×600mm×200mm，材質為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。經熱處理（600、850℃分級加熱＋1100℃真空油淬＋570℃二次回火），硬度（HRC）達到48～50，符合設計要求。生產200模后，壓鑄模內凹角處出現裂紋，繼續生產到500模時壓鑄模出現明顯龜裂紋，裂紋宏觀形貌見圖2。在壓鑄模裂紋附近線切割取樣，其金相組織見圖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。灰色區內大量存在較細小的回火馬氏體,而殘留奧氏體較少;白色區內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鋼導截面尺寸效應較明顯,選擇淬火溫度較高,保溫時間長。一方面局部奧氏體過飽和碳濃度偏高,晶粒變粗 大,經回火后馬氏體粗大,其組織內應力較大,另一方面組織中存在大塊狀的碳化物,在熱處理中會造成局部脆化,導致壓鑄模型腔韌性差；②放電加工過程中,由 于H13鋼含碳化物較大,需要放電能量較大,及放電尖角效應導致凹角處放電集中,從而導致導致局部電流值過大,在型腔凹角處形成的微裂紋深度較深,研磨拋 光變質層后微裂紋依舊存在,且存在較大拉應力；③壓鑄模工作時,受到鋁液包裹擠壓在內凹角處產生較大拉伸力,鋁液使壓鑄模工作表面受熱膨脹,產生壓應力,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,產生切向拉應力,熱交變應力與拉伸應力在型腔內凹角處產生疊加,加之壓鑄模型腔的韌性不足與微裂紋的存在,從而出現宏觀裂紋,繼而發展成龜裂。綜上分析,壓鑄模熱處理及放電加工導致內凹角處存在缺陷,在交變熱應力作用下,壓鑄模出現龜裂失效。2工藝優化優化工藝如下：①適當降低壓鑄模硬度（HRC）至46～47,調整對應的熱處理工藝為480、700、850℃分級加熱＋1050℃真空油淬＋600℃二次回火,熱處理后的金相組織見圖４,從圖4a可見,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,粗加工時采用中脈寬、大峰值電流,而精加工時采用低脈寬、中峰值電流,避免表面微裂紋過深；③沒有預熱的壓鑄模其龜裂紋發生的速度快,故壓鑄模投產后
首次預熱采用低壓慢速預熱,且投產后壓鑄模定期退火,壓鑄模未發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 結構設計在金屬液的沖擊角為72°～75°時,鋁液對CAE壓鑄模材料的沖蝕焊合最為嚴重。通過CAE優化內澆口和溢流槽位置及數量,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的情況下,適當增大內澆道截面積可以增加流量并減小對壓鑄模的沖擊力。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。壓鑄模型芯表面受到鋁液沖擊而粘模,將該處型芯改為臺階成形（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 細長型芯受鋁液沖擊變形,脫模時拉傷內孔,采用雙型芯對鑄結構。壓鑄模的易龜裂部位和易損傷部位盡量采取鑲件結構,便于維修和更換。壓鑄模精度取決于設計加工過程中基準之間的無縫銜接。必須注意：①壓鑄模設計階段盡可能保證基準的可靠性和唯一性；②壓鑄模配件加工,消除裝配尺寸鏈的誤差累積效應；③壓鑄模零件加工時一定要閉環控制,采用實際尺寸的測控精度為反饋,實施閉環加工。3.2 工藝優化H13鋼在淬硬后直接進行高速銑削,可獲得相當于磨削的粗糙度。故可以用H13鋼硬態銑削代替磨削加工,降低生產成本。磨削加工會產生大量的熱量,導致型腔表面出現裂紋,影響壓鑄模壽命。為避免磨削裂紋產生,精磨時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的碳化鉻、碳化釩,需要切割脈沖能量較 大,從而導致壓鑄模表面產生微裂紋加深,且后續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；后續精修加工,采用小脈寬來 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進行噴丸處理,可使壓鑄模表層形成殘余壓應力,使微裂紋封閉而不易擴展,推遲熱疲勞裂紋的形成和擴展,從而提高壓鑄模壽命。3.3 硬度設計與熱處理工藝H13鋼經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雜件的壓鑄模,硬度（HRC）應降至44～46 ； ③ 大型 型腔為提高韌性避免早期開裂可以適當降低硬度； 型芯主要是發生彎曲變形失效， 而發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 鋼尺寸效應明顯時,將壓鑄模型腔放入熱油中反復翻轉,破壞蒸氣膜，加強對流傳熱效果；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對壓鑄模型腔表面容易出現粘模的部位和型芯,選用氮化、碳氮共滲等表面強化處理,以減小侵蝕、 粘模。3.4生產注意事項（1）合理預熱使用壓鑄模時，應采用先預熱至180～300℃再緩慢澆注、壓射，可以有效減小熱應力，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程中會積累較大的熱應力和相變應力，因此在使用一段時間后應進行回火處理，其工藝為：（570±10）℃保溫2～3ｈ，隨爐冷至400～450℃出爐空冷，然后進行再氮化處理。
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