简介：为了减少压铸模具裂纹的形成，增加压铸模具的使用寿命，选择了一般热模具钢和高钼热模具钢，测试了导致裂纹的模量。对两种模具钢表面渗氮处理后出现裂纹的模次和深度进行了深入分析，并对模具制造的剩余应力进行了深入分析。结果表明，在相同的产品和工作条件下进行汽体表面渗氮处理的产品寿命比表面渗氮处理的产品寿命增加53%～75%。

　　现阶段，汽车的发展促进了铝合金压铸件每年两位数的增加。铸造工艺的特点是持续高温、高压、快速，由于汽车零部件结构繁琐、高精度、压力规定，压铸往往在高温、高压、高速恶劣环境下工作，一般生产8万模次需要损坏，危及铝合金压铸生产质量、高效、成本。因此，制造复杂、精度高、使用寿命长的压铸模具已成为制造商的必然选择。有许多因素直接影响压铸模具的使用寿命，如钢材品牌号（模具材料成分）、热处理工艺、模具加工工艺、模具设计、表面处理及维护等。压铸件损坏的原因很多(铝合金铸造磨具占60%)～70%）、延性透裂(铝合金铸造磨占10%)～20%）、粘蚀、熔蚀、变形等。为了提高产品的使用寿命，对不同类型的钢品牌、模具加工工艺和表面处理进行了裂缝试验，并很好地应用于支撑框架部件的铝压铸生产和制造。

　　1、裂纹形成的原因及钢材品牌号的选择

　　裂纹的建立与磨具的热疲劳应力和自身的剩余应力有关。铝压铸是喷脱膜剂制冷和铝液加热更换的全过程，因此在模具腔表面引起热疲劳应力。当热疲劳应力累积超过模具钢本身的耐热疲劳极限时，凹模表面出现小的热裂纹，在后续铝压铸生产过程中不断增加，连接成一个凹模表面。模具加工工艺和外观结构也会产生剩余应力集中，容易出现延性裂纹，在铝压铸生产过程中会继续增加，最终导致模具大干裂纹。

　　由于汽车零件压铸件要求高，试验中选用耐热疲劳极限强的进口高端模具钢，如8418、与常用模具钢H13相比，DH31-EX和DAC55模具钢的成分数据信息取平均值，如表1所示。可以看出，前三种模具钢的一个共同特点是Mo含量高。在钢中加入少量钼可以提高钢的强度，特别是连续高温强度的延展性，提高钢在强酸强碱水溶液和形状记忆合金中的耐腐蚀性，以及友好的切割性、焊接性和耐温性。

　　表1：模具钢成分

　　2、设备选择及测试方法

　　铝压铸全过程能量循环如下：打开磨具，取下铸件，向凹模喷水溶解脱膜剂，干燥凹模，锁模，铝压铸。因此，铝压铸是制冷(喷水溶离模剂)加热(铝压铸)更换周而复始的全过程。根据铝压铸原理，开发了相应的试验设备，如图1所示。

　　图1：试验设备平面图

　　实验目标是直径约80的模具钢试件 mm，试件反面钻直径约5 mm孔组装热电阻，温度测量孔前间距加热端口20 mm。高周波仪与加热盘连接，加热盘直径约35 mm。冷却塔采用连接饮用水和空气压缩的喷漆枪。高周波快速加热试件到6000 ℃后，喷雾冷却至150 ℃ ，记录为一个模次，循环往复。

　　3、分析试验结果

　　首先，直接将模具钢H13与Mo含量高的模具钢DAC55进行比较，获得两种建筑钢不同强度的表面裂纹模次，如表2所示。可以知道，硬度越大，耐热疲劳极限越大，发生热裂纹的模次越大。Mo含量高的DAC55钢在强度接近环境时，表面裂纹的模次比H13高6%。

　　表2：两种建筑钢材表面裂纹的模次强度不同

　　从表1可以看出，模具钢强度越大，耐热疲劳极限越大，表面裂纹模次越高。模具钢强度越大，延展性越低，磨具剩余应力集中部位会出现大干裂。因此，在保证模具钢内部结构延展性的前提下，实验另一种表面处理技术，提高硬度，提高模具钢的耐热疲劳极限，如图2所示。

　　图2：两种表面处理技术的硬度值图

　　根据图2，盐奶浴渗氮处理的硬度将超过气体氮化，本质上盐奶浴渗氮处理表面裂纹的模次将超过气体氮化。热冷循环系统实验采用无处理试件、盐奶浴渗氮处理试件和气体氮化试样进行。材料为H13钢。表2了解到表面裂纹的主要模式为3600，因此实验模式为5000。试验结果如图3和表3所示，发现未经表面处理的试件裂纹的平均深度和较大深度较大；至少气体氮化试件裂纹的平均深度和较大深度。表3显示盐奶浴渗氮处理试件表面开裂；气体氮化试件表面开裂最晚。盐奶浴渗氮处理表面裂纹的模次低于气体氮化；表面裂纹的平均深度和较大深度比气体氮化深。主要原因是盐奶浴渗氮处理表面0.01 白层mm，引起应力。

　　图3：三种表面状态的裂纹均值深度图

　　图4：三种表面状态的裂纹深度较大

　　表3：表面裂纹在不同表面状态下发生的模次

　　该项目不仅分析了建筑钢材和表面处理，还分析了模具加工过程中产生的剩余应力。根据X射线检验获得的剩余应力值，凹模生产加工中常见的高速切削工艺如图4所示。从数据对比分析可以看出，切削用量不宜过高。这就需要在以后的退火处理中去除剩余应力，否则在铝压铸生产过程中很容易造成磨具干裂。

　　图4：磨具磨削加工产生的剩余应力

　　分析磨具放电加工产生的剩余应力，获得的剩余应力值如图5所示。主要原因是放电加工会导致白层到凹模，剩余应力值较大，白层深度仅为0.11 mm，可用研磨砂纸和磨刀石进行抛光和清除。

　　图5：磨具放电加工产生的剩余应力

　　为讨论减少裂纹造成的磨具无效，选择了支撑架零件磨具进行对比试验，产品结构如图6所示。商品的基本尺寸为155 mm×150 mm×86 mm，0.85铸件质量 kg。

　　图6：支撑架零件图

　　根据之前的实验数据，同一产品采用三种模具钢制成三套磨具，同一模具制造工艺。由于8418厂家不承认气体氮化可以减少磨具表面的裂纹，试件尺寸检测合格后，只能在DH31-EX和DAC55钢中进行气体氮化。根据具体操作数据，讨论了减少裂纹造成磨具无效的方法。经过一年的制造，气体氮化处理产品的使用寿命大大提高，如表4所示。

　　表4：金属表面处理产品寿命数据分析

　　4、结束语

　　为了减少压铸件裂缝的形成，提高压铸件的使用寿命，应注意以下几个层次：高含量模具钢的耐热疲劳极限明显高于普通模具钢。模具钢热处理工艺高，耐热疲劳极限越大，热裂纹模次越大。适当调整模具钢的热处理工艺，并进行表面处理，可有效提高磨具的使用寿命，具有模具内部结构的延展性和凹模表面的耐热疲劳极限。应力退火需要在模具生产后进行。

　　创作者：

　　陈剑虹 汪学阳 安肇勇 黄志垣

　　广东鸿图科技有限公司

　　涉泽明秀

　　东莞特种钢有限公司日立金属材料

　　本文来自《特种铸造及有色合金》杂志2020年第40卷第08期