压铸模具失效分析

宁志良1，周彼德2，薛样2，左峰1

(1。哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150040；)

(2。哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150001)

摘  要：利用扫描电镜对失效压铸模具热疲劳裂纹的宏观、微观、断口形貌进行了分析。分析表明，裂纹尖端不断分枝，裂纹内的氧化物内部被破坏，并产生了新的裂纹。热疲劳断口形貌为典型的沿晶加韧窝混合型断口。

关键词：压铸模具；失效分析；断口形貌

铸模具经过一段时间后不可避免地要失效，其主要失效形式是热疲劳、磨损、焊合、腐蚀和断裂。目前我国压铸铝合金模具在生产形状复杂的大件时，疲劳实验在6000～8000次即在型腔表面出现热疲劳裂纹，20000～30000次就报废，模具使用寿命大大低于国外压铸模具的使用寿命，增加了压铸生产成本，影响了我国压铸行业的竞争力间。由于压铸模具的工作条件非常复杂，对于压铸模具表面裂纹的产生和发展，宏现和微观的力学行为的认识还不很清楚。

1  模具材料及工作条件

为分析压铸模具的失效形式，模具材料取3Cr2W8V；材料的热处理工艺为：在1050℃淬火，保温2h后油冷，在560℃两次回火，每次保温2h后，空冷；热处理后的硬度为HRC36～42。实际工作条件：模具无预热，无冷却系统。为自然冷却。每生产3～4个铸件喷一次涂料。涂料为DFY-1型脂基涂料。乒慷罩件平均壁厚4mm,压铸机是捷克布拉格900型，合模力ll5t。合金浇注温度为680～710℃，每生产一个铸件需1min左右。此模具生产了1.3万件铸件后将作为报废处理。

2  分析结果

2.1  失效模具的宏观形貌

由于风扇罩件较小，模具型腔表面形貌相差很大。为了研究方便，将模具表面分为两部分一部分为模具的一般部位，一部分为模具正对内浇口处。模具一般部位，由于使用时间短，表面裂纹不明显，有Al合金粘附在模具表面，表明有焊合现象，同时可以观察到表面有一定方向性的轻微划痕，表面较平整，没有明显的凹凸。模具正对内浇口处，由于高温的液态金属直接冲击，该部位温度高于其他部位。尽管是受热冲击的次数相同，但此部位形成了明显的裂纹，裂纹呈网状，即龟裂，这就是压铸模具失效的主要形式—热疲劳裂纹。最大裂纹长度为8。4mm,最大裂纹宽度为1。2mm。可以观察到裂纹表面氧化，裂纹内部充满夹渣物。除形成了明显的热疲劳裂纹外，此部位有明显的凹凸，凹凸部位相差0。2～0。6mm，这主要是由于液态金属的直接冲击而造成。压铸模具使用一定时间后，模具表面形成热疲劳裂纹，是由循环热应力引起的。

2.2  裂纹的表面特征

图1是失效模具型腔表面的SEM形貌一般部位表面主要是冲蚀坑，大小比较均匀(图la)。冒口所对部位除有明显的冲蚀坑外，表面明显具有一定方向的划痕，图lc是图1b的高倍SEM形貌，可以清楚的看到划痕，划痕上分布有大小不等的铝合金块状物。由于正对浇口部位直接承受掖态金属的冲刷，该部位具有明显的冲刷犁沟，同时可观察到划痕间有裂纹。图1d是冲蚀坑的放大属，冲蚀坑内呈团絮状。图le示出了裂纹源位置，裂纹从裂纹源出发，并向四周扩展，图if是裂纹图，裂纹内有大量的夹杂物，裂纹边缘有二次裂纹。由于该模具使用时间短，一般部位表面形貌主要是冲蚀坑和焊合，而浇口所对部位主要为液态金属冲刷所形成的犁沟和热疲劳裂纹。

图1  失效模具表面的SEM形貌

2.3  断口形貌分析

图2是失效模具的断口形貌SEM图。采用三点弯曲法沿着裂纹扩展方向将裂纹打开形成断口(图2,a)。断口可分为两部分，一部分为图2a下部的黑色与锈色区(图2b)，有致密的砚盖物，能谱分析结果主要是Fe峰和A1峰。根据压铸模具的工作温度判断，氧化产物主要是Fe0；另一部分为图2a上部的光亮区，是打开裂纹时所形成的新鲜断口，其特点为韧窝型断口，有撕裂痕迹。图2c是采用断口清洗剂清洗后的断口形貌，断口形貌为典型的沿晶加韧窝混合型断口，热疲劳裂纹是典型的沿晶断裂，但在热应力、机械应力及温度变化等因素的影响下，能够促进某些晶粒撕裂形成沿晶加韧窝混合型断口。同时可以看出断口具有块状花样及腐蚀坑微观形貌特征，表明断口具有应力腐蚀疲劳破坏断口的特征。压铸模具在工作中，需要喷涂脱模剂，此模具生产中采用的脱模剂为水基脱模剂，与受热的模具接触时产生水蒸气。对模具有腐蚀作用，因此，失效模具的断口具有腐蚀疲劳破坏的特征。

图2  断口形貌

2.4  裂纹扩展形貌分析

由于高温液态金属的冲刷，模具型腔表面首先形成冲击坑及犁沟，模具的表面变成凸凹不平，造成局部应力远远大于名义应力，产生应力集中现象，这些部位是裂纹产生的危险部位。分布在模具型腔表面的夹杂物，如氧化物，硫化物等，在热循环过程中与基体脱离，直接成为热疲劳裂纹一方面夹杂物同基体的弹性模量不同。当热应力及机械力作用时，在其周围形成应力集中；另一方面在冷却时夹杂物与基体有不同的热收缩，造成镶嵌应力，两者叠加的结果，在夹杂物周围产生很大的应力场。应力集中的结果使冲击坑、犁沟及夹杂物成为疲劳裂纹的诱发核心和扩展择优取向。

圈3  裂纹长度方向扩展形貌

图3是长度方向的裂纹形貌。图3a裂纹的扩展是以桥接的方式进行，裂纹的宽度有较大的变化，在裂纹的扩展方向上，裂纹有狭窄区。热疲劳裂纹尖端先在最大切应力方向上发生滑移和钝化，同时滑移带中萌生新的微裂纹或孔洞，夹杂物周围产生微裂纹(图3b)，然后以微裂纹或孔洞的桥接方式使主裂纹延长。这种长大方式与显微组织对滑移变形洲表现出的各向异性有关，结果使主裂纹的形貌具有折线特性。

图3c表明疲劳裂纹在扩展过程中，裂纹尖端不断分枝，裂纹内的氧化物内部被破坏，并产生了新的裂纹，随着生产中热循环的重复，裂纹不断扩展，同时裂纹的宽度增加。

3  结论

1) 失效模具型腔表面的主要失效形式是热疲劳裂纹、冲蚀坑、冲刷犁沟和焊合；

2) 疲劳裂纹在扩展过程中，裂纹尖端不断分枝，裂纹内的氧化物内部被破坏，并产生了新的裂纹，随着生产中热循环的重复，裂纹不断扩展，同时裂纹的宽度增加；

3) 断口形貌为典型的沿晶加韧窝混合型断口。热疲劳裂纹是典型的沿晶断裂，但在热应力、机械应力及温度变化等因素的影响下，能够促进某些晶粒撕裂形成沿晶加韧窝混合型断口。