簡介：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，測試了導致裂紋的模量。對兩種模具鋼表面滲氮處理后出現裂紋的模次和深度進行了深入分析，并對模具制造的剩余應力進行了深入分析。結果表明，在相同的產品和工作條件下進行汽體表面滲氮處理的產品壽命比表面滲氮處理的產品壽命增加53%～75%。

　　現階段，汽車的發展促進了鋁合金壓鑄件每年兩位數的增加。鑄造工藝的特點是持續高溫、高壓、快速，由于汽車零部件結構繁瑣、高精度、壓力規定，壓鑄往往在高溫、高壓、高速惡劣環境下工作，一般生產8萬模次需要損壞，危及鋁合金壓鑄生產質量、高效、成本。因此，制造復雜、精度高、使用壽命長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（模具材料成分）、熱處理工藝、模具加工工藝、模具設計、表面處理及維護等。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。為了提高產品的使用壽命，對不同類型的鋼品牌、模具加工工藝和表面處理進行了裂縫試驗，并很好地應用于支撐框架部件的鋁壓鑄生產和制造。

　　1、裂紋形成的原因及鋼材品牌號的選擇

　　裂紋的建立與磨具的熱疲勞應力和自身的剩余應力有關。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力。當熱疲勞應力累積超過模具鋼本身的耐熱疲勞極限時，凹模表面出現小的熱裂紋，在后續鋁壓鑄生產過程中不斷增加，連接成一個凹模表面。模具加工工藝和外觀結構也會產生剩余應力集中，容易出現延性裂紋，在鋁壓鑄生產過程中會繼續增加，最終導致模具大干裂紋。

　　由于汽車零件壓鑄件要求高，試驗中選用耐熱疲勞極限強的進口高端模具鋼，如8418、與常用模具鋼H13相比，DH31-EX和DAC55模具鋼的成分數據信息取平均值，如表1所示。可以看出，前三種模具鋼的一個共同特點是Mo含量高。在鋼中加入少量鉬可以提高鋼的強度，特別是連續高溫強度的延展性，提高鋼在強酸強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、設備選擇及測試方法

　　鋁壓鑄全過程能量循環如下：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)更換周而復始的全過程。根據鋁壓鑄原理，開發了相應的試驗設備，如圖1所示。

　　圖1：試驗設備平面圖

　　實驗目標是直徑約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 ℃ ，記錄為一個模次，循環往復。

　　3、分析試驗結果

　　首先，直接將模具鋼H13與Mo含量高的模具鋼DAC55進行比較，獲得兩種建筑鋼不同強度的表面裂紋模次，如表2所示。可以知道，硬度越大，耐熱疲勞極限越大，發生熱裂紋的模次越大。Mo含量高的DAC55鋼在強度接近環境時，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度不同

　　從表1可以看出，模具鋼強度越大，耐熱疲勞極限越大，表面裂紋模次越高。模具鋼強度越大，延展性越低，磨具剩余應力集中部位會出現大干裂。因此，在保證模具鋼內部結構延展性的前提下，實驗另一種表面處理技術，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的硬度值圖

　　根據圖2，鹽奶浴滲氮處理的硬度將超過氣體氮化，本質上鹽奶浴滲氮處理表面裂紋的模次將超過氣體氮化。熱冷循環系統實驗采用無處理試件、鹽奶浴滲氮處理試件和氣體氮化試樣進行。材料為H13鋼。表2了解到表面裂紋的主要模式為3600，因此實驗模式為5000。試驗結果如圖3和表3所示，發現未經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，引起應力。

　　圖3：三種表面狀態的裂紋均值深度圖

　　圖4：三種表面狀態的裂紋深度較大

　　表3：表面裂紋在不同表面狀態下發生的模次

　　該項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生的剩余應力。根據X射線檢驗獲得的剩余應力值，凹模生產加工中常見的高速切削工藝如圖4所示。從數據對比分析可以看出，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力，否則在鋁壓鑄生產過程中很容易造成磨具干裂。

　　圖4：磨具磨削加工產生的剩余應力

　　分析磨具放電加工產生的剩余應力，獲得的剩余應力值如圖5所示。主要原因是放電加工會導致白層到凹模，剩余應力值較大，白層深度僅為0.11 mm，可用研磨砂紙和磨刀石進行拋光和清除。

　　圖5：磨具放電加工產生的剩余應力

　　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行對比試驗，產品結構如圖6所示。商品的基本尺寸為155 mm×150 mm×86 mm，0.85鑄件質量 kg。

　　圖6：支撐架零件圖

　　根據之前的實驗數據，同一產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廠家不承認氣體氮化可以減少磨具表面的裂紋，試件尺寸檢測合格后，只能在DH31-EX和DAC55鋼中進行氣體氮化。根據具體操作數據，討論了減少裂紋造成磨具無效的方法。經過一年的制造，氣體氮化處理產品的使用壽命大大提高，如表4所示。

　　表4：金屬表面處理產品壽命數據分析

　　4、結束語

　　為了減少壓鑄件裂縫的形成，提高壓鑄件的使用壽命，應注意以下幾個層次：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。適當調整模具鋼的熱處理工藝，并進行表面處理，可有效提高磨具的使用壽命，具有模具內部結構的延展性和凹模表面的耐熱疲勞極限。應力退火需要在模具生產后進行。

　　創作者：

　　陳劍虹 汪學陽 安肇勇 黃志垣

　　廣東鴻圖科技有限公司

　　涉澤明秀

　　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