簡(jiǎn)介：為了減少壓鑄模具裂紋的形成，增加壓鑄模具的使用壽命，選擇了一般熱模具鋼和高鉬熱模具鋼，測(cè)試了導(dǎo)致裂紋的模量。對(duì)兩種模具鋼表面滲氮處理后出現(xiàn)裂紋的模次和深度進(jìn)行了深入分析，并對(duì)模具制造的剩余應(yīng)力進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，在相同的產(chǎn)品和工作條件下進(jìn)行汽體表面滲氮處理的產(chǎn)品壽命比表面滲氮處理的產(chǎn)品壽命增加53%～75%。

　　現(xiàn)階段，汽車的發(fā)展促進(jìn)了鋁合金壓鑄件每年兩位數(shù)的增加。鑄造工藝的特點(diǎn)是持續(xù)高溫、高壓、快速，由于汽車零部件結(jié)構(gòu)繁瑣、高精度、壓力規(guī)定，壓鑄往往在高溫、高壓、高速惡劣環(huán)境下工作，一般生產(chǎn)8萬模次需要損壞，危及鋁合金壓鑄生產(chǎn)質(zhì)量、高效、成本。因此，制造復(fù)雜、精度高、使用壽命長(zhǎng)的壓鑄模具已成為制造商的必然選擇。有許多因素直接影響壓鑄模具的使用壽命，如鋼材品牌號(hào)（模具材料成分）、熱處理工藝、模具加工工藝、模具設(shè)計(jì)、表面處理及維護(hù)等。壓鑄件損壞的原因很多(鋁合金鑄造磨具占60%)～70%）、延性透裂(鋁合金鑄造磨占10%)～20%）、粘蝕、熔蝕、變形等。為了提高產(chǎn)品的使用壽命，對(duì)不同類型的鋼品牌、模具加工工藝和表面處理進(jìn)行了裂縫試驗(yàn)，并很好地應(yīng)用于支撐框架部件的鋁壓鑄生產(chǎn)和制造。

　　1、裂紋形成的原因及鋼材品牌號(hào)的選擇

　　裂紋的建立與磨具的熱疲勞應(yīng)力和自身的剩余應(yīng)力有關(guān)。鋁壓鑄是噴脫膜劑制冷和鋁液加熱更換的全過程，因此在模具腔表面引起熱疲勞應(yīng)力。當(dāng)熱疲勞應(yīng)力累積超過模具鋼本身的耐熱疲勞極限時(shí)，凹模表面出現(xiàn)小的熱裂紋，在后續(xù)鋁壓鑄生產(chǎn)過程中不斷增加，連接成一個(gè)凹模表面。模具加工工藝和外觀結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生剩余應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)延性裂紋，在鋁壓鑄生產(chǎn)過程中會(huì)繼續(xù)增加，最終導(dǎo)致模具大干裂紋。

　　由于汽車零件壓鑄件要求高，試驗(yàn)中選用耐熱疲勞極限強(qiáng)的進(jìn)口高端模具鋼，如8418、與常用模具鋼H13相比，DH31-EX和DAC55模具鋼的成分?jǐn)?shù)據(jù)信息取平均值，如表1所示?？梢钥闯?，前三種模具鋼的一個(gè)共同特點(diǎn)是Mo含量高。在鋼中加入少量鉬可以提高鋼的強(qiáng)度，特別是連續(xù)高溫強(qiáng)度的延展性，提高鋼在強(qiáng)酸強(qiáng)堿水溶液和形狀記憶合金中的耐腐蝕性，以及友好的切割性、焊接性和耐溫性。

　　表1：模具鋼成分

　　2、設(shè)備選擇及測(cè)試方法

　　鋁壓鑄全過程能量循環(huán)如下：打開磨具，取下鑄件，向凹模噴水溶解脫膜劑，干燥凹模，鎖模，鋁壓鑄。因此，鋁壓鑄是制冷(噴水溶離模劑)加熱(鋁壓鑄)更換周而復(fù)始的全過程。根據(jù)鋁壓鑄原理，開發(fā)了相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備，如圖1所示。

　　圖1：試驗(yàn)設(shè)備平面圖

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是直徑約80的模具鋼試件 mm，試件反面鉆直徑約5 mm孔組裝熱電阻，溫度測(cè)量孔前間距加熱端口20 mm。高周波儀與加熱盤連接，加熱盤直徑約35 mm。冷卻塔采用連接飲用水和空氣壓縮的噴漆槍。高周波快速加熱試件到6000 ℃后，噴霧冷卻至150 ℃ ，記錄為一個(gè)模次，循環(huán)往復(fù)。

　　3、分析試驗(yàn)結(jié)果

　　首先，直接將模具鋼H13與Mo含量高的模具鋼DAC55進(jìn)行比較，獲得兩種建筑鋼不同強(qiáng)度的表面裂紋模次，如表2所示?？梢灾?，硬度越大，耐熱疲勞極限越大，發(fā)生熱裂紋的模次越大。Mo含量高的DAC55鋼在強(qiáng)度接近環(huán)境時(shí)，表面裂紋的模次比H13高6%。

　　表2：兩種建筑鋼材表面裂紋的模次強(qiáng)度不同

　　從表1可以看出，模具鋼強(qiáng)度越大，耐熱疲勞極限越大，表面裂紋模次越高。模具鋼強(qiáng)度越大，延展性越低，磨具剩余應(yīng)力集中部位會(huì)出現(xiàn)大干裂。因此，在保證模具鋼內(nèi)部結(jié)構(gòu)延展性的前提下，實(shí)驗(yàn)另一種表面處理技術(shù)，提高硬度，提高模具鋼的耐熱疲勞極限，如圖2所示。

　　圖2：兩種表面處理技術(shù)的硬度值圖

　　根據(jù)圖2，鹽奶浴滲氮處理的硬度將超過氣體氮化，本質(zhì)上鹽奶浴滲氮處理表面裂紋的模次將超過氣體氮化。熱冷循環(huán)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用無處理試件、鹽奶浴滲氮處理試件和氣體氮化試樣進(jìn)行。材料為H13鋼。表2了解到表面裂紋的主要模式為3600，因此實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖?000。試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表3所示，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)表面處理的試件裂紋的平均深度和較大深度較大；至少氣體氮化試件裂紋的平均深度和較大深度。表3顯示鹽奶浴滲氮處理試件表面開裂；氣體氮化試件表面開裂最晚。鹽奶浴滲氮處理表面裂紋的模次低于氣體氮化；表面裂紋的平均深度和較大深度比氣體氮化深。主要原因是鹽奶浴滲氮處理表面0.01 白層mm，引起應(yīng)力。

　　圖3：三種表面狀態(tài)的裂紋均值深度圖

　　圖4：三種表面狀態(tài)的裂紋深度較大

　　表3：表面裂紋在不同表面狀態(tài)下發(fā)生的模次

　　該項(xiàng)目不僅分析了建筑鋼材和表面處理，還分析了模具加工過程中產(chǎn)生的剩余應(yīng)力。根據(jù)X射線檢驗(yàn)獲得的剩余應(yīng)力值，凹模生產(chǎn)加工中常見的高速切削工藝如圖4所示。從數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出，切削用量不宜過高。這就需要在以后的退火處理中去除剩余應(yīng)力，否則在鋁壓鑄生產(chǎn)過程中很容易造成磨具干裂。

　　圖4：磨具磨削加工產(chǎn)生的剩余應(yīng)力

　　分析磨具放電加工產(chǎn)生的剩余應(yīng)力，獲得的剩余應(yīng)力值如圖5所示。主要原因是放電加工會(huì)導(dǎo)致白層到凹模，剩余應(yīng)力值較大，白層深度僅為0.11 mm，可用研磨砂紙和磨刀石進(jìn)行拋光和清除。

　　圖5：磨具放電加工產(chǎn)生的剩余應(yīng)力

　　為討論減少裂紋造成的磨具無效，選擇了支撐架零件磨具進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖6所示。商品的基本尺寸為155 mm×150 mm×86 mm，0.85鑄件質(zhì)量 kg。

　　圖6：支撐架零件圖

　　根據(jù)之前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同一產(chǎn)品采用三種模具鋼制成三套磨具，同一模具制造工藝。由于8418廠家不承認(rèn)氣體氮化可以減少磨具表面的裂紋，試件尺寸檢測(cè)合格后，只能在DH31-EX和DAC55鋼中進(jìn)行氣體氮化。根據(jù)具體操作數(shù)據(jù)，討論了減少裂紋造成磨具無效的方法。經(jīng)過一年的制造，氣體氮化處理產(chǎn)品的使用壽命大大提高，如表4所示。

　　表4：金屬表面處理產(chǎn)品壽命數(shù)據(jù)分析

　　4、結(jié)束語

　　為了減少壓鑄件裂縫的形成，提高壓鑄件的使用壽命，應(yīng)注意以下幾個(gè)層次：高含量模具鋼的耐熱疲勞極限明顯高于普通模具鋼。模具鋼熱處理工藝高，耐熱疲勞極限越大，熱裂紋模次越大。適當(dāng)調(diào)整模具鋼的熱處理工藝，并進(jìn)行表面處理，可有效提高磨具的使用壽命，具有模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的延展性和凹模表面的耐熱疲勞極限。應(yīng)力退火需要在模具生產(chǎn)后進(jìn)行。

　　創(chuàng)作者：

　　陳劍虹 汪學(xué)陽 安肇勇 黃志垣

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　　東莞特種鋼有限公司日立金屬材料

　　本文來自《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第08期