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铝合金压铸模具龟裂失效分析

2020-11-18 15:25:40 佛山市辰辉金属有限公司 阅读

1. 化学成分

从表1化学成分上看,该模具材料属于低Si高 Mo型的热作模具钢。降低钢中Si含量的主要作用 是减轻偏析、细化奥氏体晶粒和提高钢的塑韧性。 提高钢中Mo的含量的优点主要是提高淬透性,抑 制晶界碳化物的析出和贝氏体转变,提高回火抗力 和抗热裂能力。低Si高Mo型的钢在凝固时不易出 现成分过冷现象,就不易出现树枝晶或会出现胞状 柱晶,避免严重的枝晶偏析。而Mo和V元素能形成 热力学性质更加稳定的VC、MoC和Mo2C等合金碳 化物,这些合金碳化物在 500~600℃析出并保持细 小而弥散的形态,这是高温材料保持热硬性的重要 保证。从实测的化学成分上来讲,该模具钢应当具 有较好的显微组织和抗龟裂性能。但是在实际应用 过程中,该模具钢往往发生早期龟裂,这不得不从其显微组织上来研究其失效原因。

2. 显微组织

(1)真空淬火回火后未使用的模具材料 从金 相图片1中看到,热处理后基体存在不均匀组织。 金相显微镜低倍下观察,图1a中有分散分布的浅色 区域,放大后在图1b中看到这些区域内有较多的 颗粒状碳化物析出,且该区域碳化物比周围正常组 织中的碳化物颗粒要大,这种状况本质上还是属于 偏析。由于这些浅色区域有较多碳化物及合金碳化 物析出,导致周围碳和合金元素贫乏。正常淬火加 热时,由于偏析处碳化物颗粒较大,不易溶解,该 处仍处于贫碳和贫合金状态,淬火时易产生过热得 到粗大的马氏体组织,该处较正常区域基体不易受 回火,导致工件脆性大,材料的强韧性受到严重削 弱,增大了材料发生脆性开裂的倾向。

观察其真空淬火前退火态的钢材,金相组织。金相显微镜低倍下观察,图2a其基体中 亦存在不均匀的组织。放大后在图2b中看到该偏析 区域存在较大颗粒的碳化物。说明原材料中的组织 就存在偏析现象,这种组织形态对材质的均匀性有 很大影响。而这种偏析现象在后面的真空淬火过程 中又不能得到改善而被保留了下来,势必对模具使 用寿命带来重要影响。

(2)使用后的模具材料 将该模具材料投入到 实际生产中,仅使用3万余模次,就在模具表面发 生龟裂,如图3所示。图3a为单独一条裂纹,该裂 纹基本是沿晶断裂;图3b为多条裂纹交汇处长期冲 蚀剥落后形成的凹坑;其裂纹的周边区域同样存在 偏析组织和明显过热的晶界,如图3c和图3d所示。 原材料本身的冶金缺陷在球化退火和真空淬火阶段 都无法被改善,在液态金属冲刷和表层受循环热应 力的作用下,这些偏析的区域最为脆弱,最易发生 龟裂。

3. 电火花加工

电火花加工由于其加工精度高、自动化程度 高、易于加工形状复杂的零件等特点而在模具加工 中广泛使用。但是,电火花加工过程中,在火花 放电的瞬时高温高压,以及工作液的快速冷却作 用下,材料的表面层发生了很大的变化,出现了热 重熔区和热影响区。热重熔区位于表面最上层,是 表层金属被放电时的瞬间高温熔化后大部分抛出, 小部分滞留下来,并受工作液快速冷却而凝固形成 的。热影响层位于熔化凝固层与基体之间,热影响 层的金属材料并没有熔化,只是受到高温的影响, 使材料的金相组织发生了变化。

在进行铝合金压铸前必须对模具进行热模,国 内通常使用煤气炉火焰烤馍的方法。对上述模具材 料电火花加工后,其电火花热重熔区大概在2.1~ 9.5μm,如图4所示。为了考察热模过程对模具的 影响,将该电火花加工的模具进行煤气炉烤模,烘 烤并不会改变局部区域的金相组织,但是会造成电 火花热重熔区产生微裂纹,见图5圈内。这样的微 裂纹一般都是在热重熔区内出现,由于热重熔区和 基体的接合不牢固,容易剥落而加快磨损。如果微 裂纹延伸至热影响区,由于热影响区本身也存在组 织应力和热应力等残余应力,微裂纹得到进一步扩 展,同样加剧了模具表面的龟裂。

4. 预防措施

(1)对原材料的金相组织进行检验。一般的 模具生产企业对供应商提供的原材料,不管是退火 态还是真空淬火回火态,都不进行金相检验,这就 无法确保该模具材料是否符合要求。对于铝合金压 铸模,可选择在浇口套的位置取样,这样既不破坏 模仁核心部分,又能够对模具材料品质进行研究。

(2)去除电火花加工所造成的热重熔区。热 重熔区的硬度高,脆性大,很容易发生显微裂纹, 尤其是在普通的火焰烤馍情况下。这就需要在电 火花加工后去除该热重熔区,并且对该模具进行回 火,以减少热影响层的残余应力。


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