鋁合金壓鑄模零件服役開裂失效分析

劉仲仁，唐勝峰，高國利，袁 林，賈宇霖，趙建剛

（廣東銀寶山新科技有限公司，廣東 東莞 523475）

0 引言

鋁合金壓鑄模零件材料常采用熱作模具鋼H13系列，以8407和國產(chǎn)H13 為主。鋁合金壓鑄模零件在急冷急熱（60～550 ℃）、高壓受力（70～100 MPa）循環(huán)往復(fù)熱力耦合的工況條件下服役，其服役初期模具零件表面一般表現(xiàn)為輕微龜裂紋及熱蝕點(diǎn)等表征[1]，如圖1 所示，該表征一般對模具繼續(xù)使用影響不大，可以通過去應(yīng)力回火降低模具零件內(nèi)的應(yīng)力積聚[2]，改善和延長模具的使用壽命。在服役初期階段模具零件也常出現(xiàn)大貫穿的開裂，造成模具報(bào)廢，工程人員會從模具零件材料、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、殘余應(yīng)力等方面分析，但有時(shí)無法找到問題出現(xiàn)的原因，為揭示該現(xiàn)象的原因，對1副服役2 000模次出現(xiàn)大貫穿開裂的鋁合金壓鑄模零件鋼材進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)模具溫度因素引起的應(yīng)力分布不均是鋁合金壓鑄模零件開裂的主要原因之一，為指導(dǎo)模具鋼材料選擇、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具制造工藝提供參考。

圖1 龜裂紋及熱蝕點(diǎn)

1 模具零件開裂表征

模具零件開裂表征如圖2 橢圓所示，1 塊采用8407 模具鋼材料的鋁合金壓鑄模零件在服役2 000模次后，出現(xiàn)大貫穿開裂，無法修復(fù)而導(dǎo)致其報(bào)廢。

圖2 貫穿裂紋

裂紋斷面光滑整齊，如圖3所示，斷面顏色由表面灰色向淺灰色變化，灰色主要集中在離表面30 mm 的區(qū)域內(nèi)，與淺灰色有明顯分界線，在灰色區(qū)域還可見白色鋁合金薄片（見圖3中圓圈處）。由裂紋斷面表征分析判斷，裂紋由表面向底部縱深演變。在逐步演變過程中，氧氣滲透進(jìn)裂紋尖端，在裂紋斷面上形成氧化層，氧化層尖端裂紋不斷向縱深擴(kuò)散[3]。在壓鑄成型過程中液態(tài)合金鋁液不斷向裂紋內(nèi)滲透，附著在裂紋斷面上，最終在合力作用下將裂紋越擴(kuò)越大，在離表面30 mm 位置突破了鋼材的屈服強(qiáng)度，模具零件發(fā)生整體崩裂形成淺灰色斷面區(qū)域。

圖3 裂紋斷面

2 材料檢測分析

2.1 材料成分及金相組織結(jié)構(gòu)檢測

在圖4 所示位置進(jìn)行取樣檢測，從材料成分和金相組織方面檢測分析材料是否合格，材料成分檢測結(jié)果如表1所示，符合8407材料的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 材料成分檢測結(jié)果 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖4 檢測取樣位置

金相組織檢測如圖5 所示，基體為板條狀馬氏體+片狀馬氏體+殘留奧氏體組織，同時(shí)存在局部帶狀組織缺陷引起開裂的可能[4]。

圖5 金相組織檢測

2.2 硬度檢測

模具零件按圖6 所示熱處理工藝進(jìn)行淬火處理，設(shè)計(jì)硬度為46～48 HRC。模具零件表面實(shí)測硬度在45～48 HRC，內(nèi)部實(shí)測硬度在47～50 HRC，內(nèi)部硬度比外部硬度平均高2 HRC。檢測結(jié)果表明，模具零件硬度不均勻，材料存在內(nèi)外組織不均勻引起開裂的可能[4]。

圖6 熱處理工藝

3 有限元分析

通過CAE 軟件對模具零件的受力、溫度分布、熱應(yīng)力分布、變形等進(jìn)行模擬分析，可以對模具零件工況進(jìn)行提前預(yù)判，預(yù)判出現(xiàn)問題缺陷位置和問題演變趨勢，為指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)及制造工藝提供參考。

3.1 受力及變形分析

受力變形趨勢如圖7 所示，模具零件受周期性循環(huán)變化壓力引起彈性變形，在模具成型一定數(shù)量零件后產(chǎn)生疲勞，最終發(fā)展為塑性變形，導(dǎo)致模具零件屈服開裂。

圖7 模具零件受力變形趨勢

最大極限變形值如圖8 所示，在鋁液溫度為680 ℃，模具溫度為200 ℃，鑄造壓力設(shè)置100 MPa的峰值條件下，CAE 軟件分析得到模具零件最大峰值變形量為0.437 4 mm，模具零件服役一段時(shí)間后具有疲勞開裂的可能。最大變形峰值出現(xiàn)在模具零件型腔壁區(qū)域，即開裂最先出現(xiàn)的區(qū)域，而實(shí)際模具零件開裂出現(xiàn)在流道區(qū)域及靠近流道區(qū)域的型腔壁區(qū)域，與CAE 軟件分析的結(jié)果不符，可以判斷該受力及變形引起的疲勞斷裂因素不是模具零件實(shí)際開裂的原因。

圖8 最大極限變形值

3.2 溫度因素及變形分析

在壓鑄成型過程中，模具型腔溫度呈周期性循環(huán)變化（200～471 ℃），如圖9 所示，流道區(qū)域維持較高溫度。由溫度因素引起模具零件內(nèi)凹陷變形趨勢，CAE 軟件分析結(jié)果如圖10 所示，最大變形峰值為0.17 mm。

圖9 模具溫度分布趨勢

圖10 溫度因素引起變形趨勢

由溫度因素引起的熱應(yīng)力分布如圖11所示，從圖11分析結(jié)果可知，模具零件存在局部熱積引起的應(yīng)力集中區(qū)，形成應(yīng)力不均。應(yīng)力集中在拐角及尖角區(qū)域[5]，應(yīng)力分布與模具零件實(shí)際開裂位置一致，流道區(qū)域應(yīng)力大，開裂風(fēng)險(xiǎn)高；模具零件型腔壁區(qū)域應(yīng)力小，開裂風(fēng)險(xiǎn)低。最大應(yīng)力值約為1 139 MPa，接近于材料8407 的屈服強(qiáng)度δ0.2=1 250～1 600 MPa，表明模具零件由溫度因素引起的塑性變形導(dǎo)致開裂的可能性較大。

圖11 熱應(yīng)力分布

4 對比驗(yàn)證

根據(jù)CAE 軟件分析結(jié)果，模具零件存在變形趨勢和應(yīng)力分布不均，有引起開裂的可能性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證，分別從模具零件材料及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變更上進(jìn)行對比驗(yàn)證。

4.1 不同材料對比驗(yàn)證

分別采用P20材料和國產(chǎn)H13材料進(jìn)行相同的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行制作和服役工況的同位對比驗(yàn)證。采用國產(chǎn)H13 材料的模具零件在服役1 500模次后，流道區(qū)域的中心推桿位置已經(jīng)開始出現(xiàn)裂紋，裂紋出現(xiàn)位置與原模具零件開裂位置相同，如圖12 所示，推斷原模具零件起始裂紋也出現(xiàn)在該位置。

圖12 國產(chǎn)H13模具零件裂紋起始位置

采用P20 材料的模具零件由于其屈服強(qiáng)度δ0.2=900～1 100 MPa，低于國產(chǎn)H13 材料及原模具零件8407材料，服役800模次后就有大面積裂紋產(chǎn)生，如圖13所示，裂紋出現(xiàn)區(qū)域與模流分析的熱應(yīng)力分布區(qū)域一致，在模具零件拐角和尖角特征上已出現(xiàn)裂紋。由此可見，由溫度引起的熱應(yīng)力分布不均是模具零件裂紋產(chǎn)生的主要因素之一，而模具零件表面的屈服強(qiáng)度是影響其裂紋產(chǎn)生的因素之一。模具零件表面的屈服強(qiáng)度低，抗熱疲勞的性能就低，易引發(fā)裂紋的產(chǎn)生[6]。

圖13 P20材料模具零件裂紋位置與熱應(yīng)力分布對照

4.2 設(shè)計(jì)變更對比驗(yàn)證

取消流道區(qū)域中心推桿設(shè)計(jì)，如圖14 所示，模具零件材料同樣使用國產(chǎn)H13，經(jīng)服役3 000模次后在模具零件拐角位置和其他推桿孔口部尖角處發(fā)現(xiàn)細(xì)裂紋，而取消的推桿位置處并沒有裂紋。由此可見，取消此位置的推桿也就規(guī)避了其口部尖角，避免了由口部尖角引發(fā)的裂紋。

圖14 取消推桿服役表現(xiàn)

5 結(jié)束語

由分析結(jié)果及對比驗(yàn)證結(jié)果可知，原模具零件材料8407 開裂的主要原因之一是由于流道區(qū)域拐角和推桿孔口部尖角特征處熱應(yīng)力集中疊加，與平緩特征區(qū)域形成明顯熱應(yīng)力差，材料表面的熱應(yīng)力平衡被破壞，同時(shí)突破了材料表面所能承受的屈服強(qiáng)度極限，引發(fā)表面初始裂紋產(chǎn)生，繼續(xù)服役后裂紋氧化層尖端向內(nèi)部逐步擴(kuò)散而造成整體崩裂。由此可見加大模具零件拐角和尖角特征的R角、規(guī)避各特征引起的熱應(yīng)力疊加等合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對改善模具零件因熱應(yīng)力集中造成的裂紋具有明顯的效果，是減少模具零件開裂情況的主要方法之一。