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鋁合金高壓壓鑄模具典型早期失效案例的分析與對策

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文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2020-10-21 16:28:00

      壓鑄模具失效使模具壽命縮短不但增加產品的成本,而且嚴重影響生產,成為生產上急需解決的關鍵問題。文章分析討論了鋁合金高壓壓鑄模具在使用過程中典型的早期模具失效案例。對于模具常見的失效機理即:開裂,熱疲勞裂紋,熔蝕,空蝕,變形進行了案例分析并指出了技術解決方案。 

 

模具表面“空蝕”—模具設計問題

空蝕”現象:是壓鑄產品的表面有“麻點”形成。

 

  空蝕的產生是澆道路徑的橫截面積有膨脹,從而導致鋁合金液體在澆道流動過程中壓力下降,在液體鋁合金內部形成負壓的空洞。在壓鑄過程中以及增壓階段,負壓的“氣泡”在模具表面爆炸,把模具材料損壞,導致“麻點”的形成。缺陷的形成,可以是200-300模次。

空蝕”形成的原因:澆道橫截面積膨脹

  上圖中,側面主澆道橫截面積A=825mm² ;分岔成B,E兩個分支澆道,其B+E的澆道的橫截面積是1317mm² ;這樣,液體鋁合金在澆道流動的過程中壓力下降,其內部形成負壓的空洞。E的分支澆道,又進一步分支成C+F;E的橫截面積是:750mm² ;C+F橫截面積是:1032mm² ;液體鋁合金的壓力進一步下降,其內部產生負壓的空洞。

空蝕”:微觀分析與解決方案

 

  左側圖片為掃描電子顯微鏡照片,其顯示模具材料的表面被空蝕的負壓氣泡爆破出的孔洞。右側圖片顯示:模具材料的表面處理工藝,即氮化處理加表面涂層處理無法阻止空蝕坑的形成。通常,模具材料的使用硬度是470HV,而涂層的硬度是2200HV;提高表面硬度,無法解決空蝕問題。唯一的解決方案是:修改澆道設計,按照設計原則進行模具設計。

模具設計原則

新的模具設計基本原則:

1. 從料餅開始,主澆道的橫截面積在通往內澆口的路徑中,處于壓縮狀態。

2. 轉彎的R是橫截面寬度的2倍以上。

3. 澆口形狀:扇形澆口,錐形切線澆口,鑿子澆口。

4. 遵循澆口尺寸的定義。

5. 任何頂針與模具表面平行,不可以突出或者凹陷。

模具的溶蝕—壓射速度以及模具設計影響 

溶蝕”現象:模具少肉,被“磨損”掉一部分。產品多肉,產品形狀改變,頂出問題。

 

 

  左側圖片為產品動模側,圓圈部分為溶蝕部分。右側圖片為產品定模側,相應左側圖片的背面,也有溶蝕發生。模具在生產300多模次產品后,內澆口附近產生溶蝕以及空蝕。

溶蝕”缺陷產生的原因:內澆口速度過快。澆道設計不合理,澆口有凝固的鋁合金堵塞部分內澆口。

  這個案例中,內澆口部分的溶蝕是由于液體鋁合金在澆道流動的過程中,有橫截面積的膨脹。部分鋁合金液體,分散。由于內澆口比較薄,先到達內澆口的部分鋁合金液體,凝固并且封堵住局部澆口。這樣,內澆口的有效面積縮小。導致,后續液體鋁合金在流經過內澆口時,有效面積急劇減少。這樣,局部的速度超出設定的內澆口速度,導致溶蝕。改善方案:嚴格遵循澆道設計原則,避免澆口局部堵塞導致溶蝕。液體鋁合金能夠溶解約3.2%的鐵元素。而溶蝕的量與內澆口速度的2.7次方成正比。局部澆口速度過高,導致內澆口在幾百件產品出現溶蝕。

早期熱疲勞—溫度差的影響

模具熱疲勞現象:模具表面形成微裂紋,擴展后,導致掉塊。鑄件無法頂出。

 

  大型壓鑄模具(3500噸),在生產3200件產品后,內澆口附近的模具表面形成大量的熱疲勞裂紋,導致產品“粘模”。

  注意:如果模具材料韌性等有問題,那么凸臺的R角處應當有裂紋。

模具熱疲勞原因:模具表面溫度差影響材料的抗熱疲勞性能。

 

  模具材料硬度測量顯示,在澆道上模具材料的硬度是40-42HRC。而在非澆道處,硬度是46HRC。說明,液體鋁合金的溫度偏高。在流經澆道處,溫度在630度左右。超過了模具的回火溫度600度。進而說明,壓鑄鋁合金的溫度超常(太高了)。

模具早期失效的問題:模具的開裂—模具設計的溫度場考量

  模具的溫度場設計包括:冷卻水道距離模具表面的距離,水流量,水道的水孔直徑,班產量,以及水基脫模劑的噴涂量,噴涂角度,噴涂距離,霧化程度,水基脫模劑帶走的熱量等等。

 

  上圖案例所示為3000噸壓鑄設備的模具,冷卻水距離模具表面23mm。紅外成像儀測試,模具表面溫度溫度從275℃/169℃/120℃之間變化。裂紋的產生有幾點原因:1. 內冷卻水道距離表面23mm。2. 模具開裂處是臺階的R角處,厚薄變化較大。110mm到280mm。熱處理殘留應力集中處。3. 三角鑲塊的凹槽是放電加工出來。建議,在熱處理前加工出來,這樣應力的分布會沿著模具外型,冷卻水道需要計算。

冷卻水道的計算

  以鋁合金A383為例,它的比熱是:2.90 J/cm³/℃,熱容量是:1094 J/cm³。

  如果考慮1立方厘米的鋁合金從593℃的液態冷卻到450℃鑄件頂出的固態,那么所散發的熱量是:每立方厘米的鋁合金散熱=比熱+2.90X(液相線溫度-產品出溫度)

=1094+2.90X(593-450)

=1500(J/cm³)

如果考慮50立方厘米的鋁合金,凝固到頂出時所散發的熱量是:

=50cm³X1500J/cm³

=75(KJ)

  如果考慮50立方厘米的鋁合金,班產量是200件/h;那么,在模具溫度場設計這一步就需要決定班產量。這時,鋁合金所散發的熱功率是75KJX200件/h=15000(KJ/h)。

  如果,動定模具各帶走50%的熱量,那么模具在動模所散發的熱功率是:7500 KJ/h。

  通過使用圖表就可以查到冷卻水距離模具表面多遠、所使用的冷卻水道直徑、冷卻水的流量等具體數據。通過查表,可以看到如果冷卻水道距離模具表面是47mm時,所帶走的熱功率是:80KJ/cm²/h;如果凸出的R是80mm,那么在曲線上修正后,查到模具冷卻水道距離模具表面距離是:35mm。

  如果冷卻水流量是6L/min,采用6mm直徑的水道,那么所帶走的熱量是400KJ/h。所需要冷卻水道的長度是:7500/400=18cm,如果冷卻水流量不變,采用10mm直徑的冷卻水道,那么,水道長度是:13cm。

 

Excel 中為冷卻水道計算表

以缸體模具為例:

鑄件產品重量:22 KG

壓鑄循環時間:90 s

壓鑄合金:鋁合金

鑄件外表面積:5000 cm²

計算出來的總冷卻水道長度是:1230 cm;

冷卻水距離表面距離:29.9 mm-33.2 mm

熱量輸出:510637 KJ/h

冷卻水道每厘米長度帶走的熱量:415 KJ/h

冷卻水流量(6mm孔徑):5.8 L/min

冷卻水流量(10mm孔徑):2.3 L/min

以上是總的冷卻水道長度。溫度場設計過程中,需要把鑄件分解。按照壁厚以及所接觸的模具表面積來計算某個分解部分的冷卻水道距離模具表面的距離、水流量、水道的孔徑。

  縱然模具材料與熱處理有良好的工藝以及質量控制,但是模具還是會有問題。其原因是很多模具的溫度場沒有進行計算。冷卻水距離表面距離多近?點冷的模具尤其如此。

  圖示是缸體模具在曲軸套一側的模具鑲塊側面有裂紋導致模具鑲塊漏水。其,漏水部位與液態鋁合金預填充(15%左右)的液態液面基本在一個水平上。說明,點冷水管道內部的水產生沸騰導致水的體積膨脹,進而模具被漲裂漏水。冷卻水道距離表面11.8mm。建議:點冷水道距離模具表面在15mm以上,避免模具開裂。

模具的變形—尺寸膨脹的考慮

  材料膨脹量的計算:膨脹量=材料熱膨脹系數x溫度差x450。對于大型模具,尤其需要考慮模具是在高溫下使用而不是室溫。635長X150厚度的模具如果表面與背面的溫差是95℃度時,模具表面鼓出的弧度是0.5mm,兩側相加是1mm??紤]這些變量,可避免模具局部開裂、壓鑄的飛邊、模具變形問題。

R角大小的定義,脫模劑噴涂是溫度場的一部分

  產品R角的大小一直是影響模具壽命的因素之一。對于多數產品,R角的控制應當在1.5mm以上。

  如圖所示,通訊壓鑄基站殼體產品、R角是90度。模具在生產1000件產品后、出現裂紋。當模具材料的R角從1.5mm下降到0.5mm的時候,模具材料的沖擊韌性從22J下降到16J。而如果R下降到0.25mm,模具材料韌性下降到8J。壓鑄模具由于在高溫下生產,建議模具型腔的R角控制在2.5mm以上。注意:R角部分不可以有額外的刀痕。

  水基脫模劑的噴涂會影響模具壽命。圖示的模具在生產6萬件產品后,鑄件產品壁厚處有比較嚴重的熱疲勞裂紋。而壁薄處,無任何熱疲勞裂紋。需要考慮局部的水基脫模劑噴涂量,噴涂角度,以及計算脫模劑帶走的熱量。1cm³的水基脫模劑能夠帶走2600J的熱量。如果,1cm³的鋁合金從液態到凝固的熱量都是由脫模劑的噴涂所帶走,那么所需要的脫模劑噴涂量是0.7cm³。具體的,還需要根據產品形狀計算脫模劑噴涂量。

結論

1.模具的表面空蝕所導致的模具表面“麻點”的形成,是模具設計問題。只要嚴格遵守壓鑄模具澆道設計原則,從料餅處開始的主澆道的橫截面積到內澆口的路徑中,整個的橫截面積處于收縮狀態,空蝕的問題可以迎刃而解。

2. 模具內澆口局部溶蝕的問題,是模具澆道設計時沒有遵守壓鑄模具設計的原則。在壓射過程中,有部分鋁合金液體在澆道流動時,先到達內澆口,并且凝固而堵塞部分澆口從而使得其后的鋁合金液體在到達內澆口處,在壓射流動過程中局部的射速過高進而導致模具的澆口的溶蝕??朔@類溶蝕的解決方案是嚴格遵守壓鑄模具設計準則,避免液態鋁合金在澆道流動過程中壓力下降導致部分澆搗口的阻塞。

3. 模具的早期熱疲勞產生,多數與模具材料表面的溫度差有關系。文章討論了溫度差所導致的材料應力與應變。案例分析結論是鋁合金液態溫度過高導致模具表面在生產3200件產品后,在模具的平面上產生大量的早期熱疲勞裂紋。其原因是鋁合金液態溫度超常已經高于模具材料回火溫度并且達到630℃,使得模具與鋁合金液態接觸部分硬度下降,出現早期熱疲勞裂紋。

4. 模具的開裂有多種原因,本文討論了由于模具溫度場所導致的模具開裂現象。具體的溫度場計算,需要按照文章例舉的excel表格來計算冷卻水道的設計。冷卻水道距離模具表面最小20mm,點冷距離15mm,這樣模具不至于開裂。

5.模具的變形是由于模具在高溫下進行生產,這樣模具材料本身會膨脹,既有線性尺寸改變,也有表面凸起的形狀改變??紤]這些變量能夠解決飛邊問題,變形問題。

6.  R角的大小至關重要,模具可以在1000模次就開始在R角處出現裂紋。建議的R值,是R大于2.5mm。脫模劑噴涂是模具溫度場的一部分。具體噴涂量需要計算來衡量并且控制噴涂量,只有這樣才能夠達到延長模具使用壽命的目標。

 

 

 

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