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摘 要：铝压铸模由于工作条件恶劣，受到很高的热应力和机械应力，因而寿命很短。日本铝压铸模的平均寿命为11万次，我国只6万次左右。造成铝压铸模失效的主要原因是热疲劳引起失效。
关键词：铝压铸模;热疲劳;失效
1 铝压铸模的工作条件与热疲劳
压铸时的压射速度很高，压射压力也很高，因而模具表面受到很强的冲击负荷。模具表面接触高温熔体，据测量模壁最高可达750℃。资料表明，根据模具解剖、热稳定曲线和热疲劳试样剖面上的硬度变化估测模面表层温度为：浇口820～840℃;型腔圆角部780～870℃，型腔750℃。在这种高温急热状态下，模具表面要产生压缩热应力。每次压铸前要在模具内喷润滑剂，进行急冷，因而又在其表面产生拉应力。这样就产生了交变热应力，在超过模面的屈服强度时就在其表面产生热疲劳微裂纹，接着念剧扩展，有的向心部扩展，形成龟裂纹。这就将引起铸件拉伤及粘模，严重的会造成模具的早期开裂。
2 影响铝压铸模热疲劳寿命的因素
由上述分析，热循环应力、拉应力和塑性应变结合在一起产生热疲劳裂纹。如果这三个因素有一个不存在，热疲劳裂纹既不会产生也不会扩展。材质、热处理条件及压铸模的工作环境是影响压铸模热疲劳寿命的主要因素。此外，模具的结构设计及模具的使用也与其热疲劳寿命有关。
2.1 材质
压铸模具材料质量的提高与改进对其热疲劳寿命的提高影响极大。其中气体与杂质的含量高、成分偏析及碳化物的不均匀程度严重，都会降低模具的热疲劳寿命。精炼钢热疲劳性能优于普炼钢。用特殊精炼技术脱硫和减少杂质而获得的超纯度钢与原来的钢种的耐热疲劳对比，前者的热裂纹长度约为原来的1/2，而且随硬度的提高，其效果更明显。
对电渣重熔的YZ钢与未电渣重熔时3CrZWSV钢的热疲劳寿命进行了对比试验，发现前者优于后者。对后者进行金相检验发现，碳化物带状偏析为3.5级，夹杂为1.5一2级。模具剖面上可见裂纹沿碳化物偏析带扩展，转向，沿夹杂带产生次生裂纹。采用真空自耗熔炼的模具钢，由于非金属夹杂物的降低和气体（O：、N：、HZ）的减少，明显地改善了韧性和模具表面的光洁度，从而提高了压铸模的热疲劳抗力。常规熔炼的凸模通常在压铸四千至五千个铸件后，凸模根部出现热裂，而用真空自耗熔拣的同样成分的模具钢制造的凸模，生产近两万个铸件后仍未出现热裂。
2.2 热处理条件
近几年来多数研究都认为，适当提高淬火加热温度对回火稳定性和抗软化性能（这些性能减轻了热裂纹的趋势）的提高具有有利的影响，就3CrZW8V钢制铝压铸模而言，国内有些厂采用950～1000℃淬火加热.多数厂采用1050一1080℃淬火加热。分别用1050℃和1150℃淬火，再进行高温回火处理后，进行650～700℃20℃热疲劳试验发现，1150℃油淬的抗热疲劳性能优于1050℃油悴。但如果淬火温度过高，晶粒粗化，韧性会急剧恶化，又会缩短热裂纹萌生的孕育期，提高其扩展的速率。从压铸模使用条件和提高抗热疲劳性能出发，希望回火温度尽可能地采用高温。但是，回火温度超过二次硬化温度，硬度就急剧下降，稍微有一点温差，热疲劳抗力也会急剧下降。此外，还应采取二次回火法。该方法是为了使一次回火生成的马氏体充分回火，残余奥氏体马氏体化。如果在表层有残余奥氏体，则在模具表面存在拉伸残余应力，有助于热龟裂的发生。从上述分析可见，在选择铝压铸模淬、回火温度时，应注意到：在一定的热循环条件下（即模具工作条件），存在一个最佳的淬、回火温度可获得最大的热疲劳抗力。例如，3Cr2W8V钢在650℃0℃的热循环条件，以1150℃油淬、570℃回火的抗热疲劳性能最好。适当的淬、回火温度可获得热疲劳抗力最高的原因是：钢的高温屈服弧度、高温塑性及循环热稳定性得到适当配合。一般认为，提高淬火冷却速度可以提高压铸模的强韧性，因此也提高其热疲劳抗力。试验表明：冷却速度快，则裂纹深度浅。
减缓冷却速度，会使晶界碳化物析出量增加，引起抗软化性恶化。压铸模在热循环过程中，随着循环次数的增加，软化现象十分严重。该现象是动态回复、动态再结晶及空洞的产生和组织变化等因素的综合结果。抗软化性和热强度的大小有关，因此对热龟裂寿命影响极大。对于截面尺寸较大的压铸模，淬火时模具心部冷却速度较低，致使碳化物沿晶界析出和有贝氏体甚至珠光体组织形成，直接影响模具的热疲劳寿命。有资料发现，随淬火冷却速度的降低，5CrMnM钢的断口由韧窝形态逐渐过渡到解理形态。提高淬火冷却速度，可得到单一板条马氏体组织，抑制贝氏体组织的生成，使钢具有更高的热疲劳抗力。但是，在生产现场上冷却速度快会使淬火开裂和变形等间题出现的可能性增大。悴火时出现的微裂纹，是以后热裂纹的根源。淬火裂纹常出现在模具型腔的转角、凹沟及缺口处，所以，在设计模具及模具加工中，应尽量避免出现类角，或将尖角变成圆弧，且加大圆弧尺寸
2.3 工作环境及加工使用条件
压铸模工作时表面往往所受压力不均匀，结果在承受最大压力的区域就会出现裂纹。在热循环过程中，已出现的裂纹就成为热裂纹源。熔融铝被注入模具中，在某些情况下，还会引起熔融铝与模具钢之间的反应，使得模具钢被侵蚀（铝约在720℃时开始与钢起反应）。模面被侵蚀会使其热疲劳抗力急剧下降。当用焊枪去除模面上的粘结铝时，使模面局部受热发红，造成回火过渡区，该处就会出现热裂。铝压铸模往往是经预热后使用。预热本来是为了缩小热循环温差，由此减小热应力。但是在实际生产中，不能保持模具预热的均匀度，结果引起不均匀膨胀，相反会加剧热裂纹的形成。铝压铸模表面常出现表面脱碳现象。有试验表明，脱碳使得模具的热疲劳寿命降低一半。一般脱碳区域的硬度为HRC35，而压铸模的内部为HRC48，脱碳区的强度低，易于产生热裂纹。对于一些形状复杂的压铸模，一般都用电加工法进行精加工。该法会在模具表面上生成2～3μm厚的白色脆化层，此处残存微裂纹，也是热裂纹根源。
3 表面强化提高热疲劳强度
采用表面强化工艺提高模具表层的强度、耐磨性及耐蚀性，可以延长热裂纹萌生的孕育期，阻止热裂纹的扩展，由此提高模具的热疲劳寿命。
3.1 喷丸强化
对经喷丸强化与未经喷丸强化的3Cr2W8V钢进行65050℃热疲劳试验，结果表明，喷丸能明显减缓热疲劳裂纹的萌生期或抑制其扩展速度。
3.2 撞击法
该法是一种压应力冷作撞击法，它可使精加工和研磨后模具内的正常拉应力转换为残余压应力。金属内的压应力可以減少疲劳损坏，阻止应力腐蚀裂纹和在整个压应力层内阻止裂纹扩展。有资料报道，有一次，用撞击法处理因裂纹而需修理的模具，用户要求再压铸1万件，结果超过12万件，模具上的裂纹可以封闭，大裂纹停止扩展。
3.3 蒸汽处理
该法是将模具置于蒸汽气氛中回火，使表面形成Fe3O`薄膜。它可提高模具热疲劳寿命的原因是：氧化铁的导热率比钢小，延迟了热量向模具传递，使表面实际达到的最高温度降低，缓和了热应力的冲击。
3.4 电火花放电强化
该法是通过电极与金属工件之间电火花放电，使电极材料向基体金属工件进行扩散、迁移，以实现局部金属表面熔化、涂覆，获得硬质薄层化合物，实现表面硬化。由于所形成的硬化层是由合金化合物组成，它们与基体结合牢固，高温时热稳定性与化学稳定性好，同时合金化合物热膨胀系数较小，因而温度反复交变，表层热应力小。
4 结束语
由中国、日本、苏联的统计资料表明，铝压铸模的失效形式主要是热疲劳裘纹，并引起剥落。因而有必要对铝压铸模的热疲劳间题进行研究。
关键词：铝压铸模;热疲劳;失效
1 铝压铸模的工作条件与热疲劳
压铸时的压射速度很高，压射压力也很高，因而模具表面受到很强的冲击负荷。模具表面接触高温熔体，据测量模壁最高可达750℃。资料表明，根据模具解剖、热稳定曲线和热疲劳试样剖面上的硬度变化估测模面表层温度为：浇口820～840℃;型腔圆角部780～870℃，型腔750℃。在这种高温急热状态下，模具表面要产生压缩热应力。每次压铸前要在模具内喷润滑剂，进行急冷，因而又在其表面产生拉应力。这样就产生了交变热应力，在超过模面的屈服强度时就在其表面产生热疲劳微裂纹，接着念剧扩展，有的向心部扩展，形成龟裂纹。这就将引起铸件拉伤及粘模，严重的会造成模具的早期开裂。
2 影响铝压铸模热疲劳寿命的因素
由上述分析，热循环应力、拉应力和塑性应变结合在一起产生热疲劳裂纹。如果这三个因素有一个不存在，热疲劳裂纹既不会产生也不会扩展。材质、热处理条件及压铸模的工作环境是影响压铸模热疲劳寿命的主要因素。此外，模具的结构设计及模具的使用也与其热疲劳寿命有关。
2.1 材质
压铸模具材料质量的提高与改进对其热疲劳寿命的提高影响极大。其中气体与杂质的含量高、成分偏析及碳化物的不均匀程度严重，都会降低模具的热疲劳寿命。精炼钢热疲劳性能优于普炼钢。用特殊精炼技术脱硫和减少杂质而获得的超纯度钢与原来的钢种的耐热疲劳对比，前者的热裂纹长度约为原来的1/2，而且随硬度的提高，其效果更明显。
对电渣重熔的YZ钢与未电渣重熔时3CrZWSV钢的热疲劳寿命进行了对比试验，发现前者优于后者。对后者进行金相检验发现，碳化物带状偏析为3.5级，夹杂为1.5一2级。模具剖面上可见裂纹沿碳化物偏析带扩展，转向，沿夹杂带产生次生裂纹。采用真空自耗熔炼的模具钢，由于非金属夹杂物的降低和气体（O：、N：、HZ）的减少，明显地改善了韧性和模具表面的光洁度，从而提高了压铸模的热疲劳抗力。常规熔炼的凸模通常在压铸四千至五千个铸件后，凸模根部出现热裂，而用真空自耗熔拣的同样成分的模具钢制造的凸模，生产近两万个铸件后仍未出现热裂。
2.2 热处理条件
近几年来多数研究都认为，适当提高淬火加热温度对回火稳定性和抗软化性能（这些性能减轻了热裂纹的趋势）的提高具有有利的影响，就3CrZW8V钢制铝压铸模而言，国内有些厂采用950～1000℃淬火加热.多数厂采用1050一1080℃淬火加热。分别用1050℃和1150℃淬火，再进行高温回火处理后，进行650～700℃20℃热疲劳试验发现，1150℃油淬的抗热疲劳性能优于1050℃油悴。但如果淬火温度过高，晶粒粗化，韧性会急剧恶化，又会缩短热裂纹萌生的孕育期，提高其扩展的速率。从压铸模使用条件和提高抗热疲劳性能出发，希望回火温度尽可能地采用高温。但是，回火温度超过二次硬化温度，硬度就急剧下降，稍微有一点温差，热疲劳抗力也会急剧下降。此外，还应采取二次回火法。该方法是为了使一次回火生成的马氏体充分回火，残余奥氏体马氏体化。如果在表层有残余奥氏体，则在模具表面存在拉伸残余应力，有助于热龟裂的发生。从上述分析可见，在选择铝压铸模淬、回火温度时，应注意到：在一定的热循环条件下（即模具工作条件），存在一个最佳的淬、回火温度可获得最大的热疲劳抗力。例如，3Cr2W8V钢在650℃0℃的热循环条件，以1150℃油淬、570℃回火的抗热疲劳性能最好。适当的淬、回火温度可获得热疲劳抗力最高的原因是：钢的高温屈服弧度、高温塑性及循环热稳定性得到适当配合。一般认为，提高淬火冷却速度可以提高压铸模的强韧性，因此也提高其热疲劳抗力。试验表明：冷却速度快，则裂纹深度浅。
减缓冷却速度，会使晶界碳化物析出量增加，引起抗软化性恶化。压铸模在热循环过程中，随着循环次数的增加，软化现象十分严重。该现象是动态回复、动态再结晶及空洞的产生和组织变化等因素的综合结果。抗软化性和热强度的大小有关，因此对热龟裂寿命影响极大。对于截面尺寸较大的压铸模，淬火时模具心部冷却速度较低，致使碳化物沿晶界析出和有贝氏体甚至珠光体组织形成，直接影响模具的热疲劳寿命。有资料发现，随淬火冷却速度的降低，5CrMnM钢的断口由韧窝形态逐渐过渡到解理形态。提高淬火冷却速度，可得到单一板条马氏体组织，抑制贝氏体组织的生成，使钢具有更高的热疲劳抗力。但是，在生产现场上冷却速度快会使淬火开裂和变形等间题出现的可能性增大。悴火时出现的微裂纹，是以后热裂纹的根源。淬火裂纹常出现在模具型腔的转角、凹沟及缺口处，所以，在设计模具及模具加工中，应尽量避免出现类角，或将尖角变成圆弧，且加大圆弧尺寸
2.3 工作环境及加工使用条件
压铸模工作时表面往往所受压力不均匀，结果在承受最大压力的区域就会出现裂纹。在热循环过程中，已出现的裂纹就成为热裂纹源。熔融铝被注入模具中，在某些情况下，还会引起熔融铝与模具钢之间的反应，使得模具钢被侵蚀（铝约在720℃时开始与钢起反应）。模面被侵蚀会使其热疲劳抗力急剧下降。当用焊枪去除模面上的粘结铝时，使模面局部受热发红，造成回火过渡区，该处就会出现热裂。铝压铸模往往是经预热后使用。预热本来是为了缩小热循环温差，由此减小热应力。但是在实际生产中，不能保持模具预热的均匀度，结果引起不均匀膨胀，相反会加剧热裂纹的形成。铝压铸模表面常出现表面脱碳现象。有试验表明，脱碳使得模具的热疲劳寿命降低一半。一般脱碳区域的硬度为HRC35，而压铸模的内部为HRC48，脱碳区的强度低，易于产生热裂纹。对于一些形状复杂的压铸模，一般都用电加工法进行精加工。该法会在模具表面上生成2～3μm厚的白色脆化层，此处残存微裂纹，也是热裂纹根源。
3 表面强化提高热疲劳强度
采用表面强化工艺提高模具表层的强度、耐磨性及耐蚀性，可以延长热裂纹萌生的孕育期，阻止热裂纹的扩展，由此提高模具的热疲劳寿命。
3.1 喷丸强化
对经喷丸强化与未经喷丸强化的3Cr2W8V钢进行65050℃热疲劳试验，结果表明，喷丸能明显减缓热疲劳裂纹的萌生期或抑制其扩展速度。
3.2 撞击法
该法是一种压应力冷作撞击法，它可使精加工和研磨后模具内的正常拉应力转换为残余压应力。金属内的压应力可以減少疲劳损坏，阻止应力腐蚀裂纹和在整个压应力层内阻止裂纹扩展。有资料报道，有一次，用撞击法处理因裂纹而需修理的模具，用户要求再压铸1万件，结果超过12万件，模具上的裂纹可以封闭，大裂纹停止扩展。
3.3 蒸汽处理
该法是将模具置于蒸汽气氛中回火，使表面形成Fe3O`薄膜。它可提高模具热疲劳寿命的原因是：氧化铁的导热率比钢小，延迟了热量向模具传递，使表面实际达到的最高温度降低，缓和了热应力的冲击。
3.4 电火花放电强化
该法是通过电极与金属工件之间电火花放电，使电极材料向基体金属工件进行扩散、迁移，以实现局部金属表面熔化、涂覆，获得硬质薄层化合物，实现表面硬化。由于所形成的硬化层是由合金化合物组成，它们与基体结合牢固，高温时热稳定性与化学稳定性好，同时合金化合物热膨胀系数较小，因而温度反复交变，表层热应力小。
4 结束语
由中国、日本、苏联的统计资料表明，铝压铸模的失效形式主要是热疲劳裘纹，并引起剥落。因而有必要对铝压铸模的热疲劳间题进行研究。