1、H13 钢铝合金压铸模具失效分析及寿命提高措施代兵，胡晓涛，袁世平（重庆理工大学 材料科学与工程学院，重庆 400054）摘要：通过化学成分分析、硬度测试、显微组织分析、微观形貌观察、能谱分析等手段，分析 H13钢铝合金压铸模具失效的原因。结果发现，失效的主要原因是模具型腔的红硬性下降、耐磨性、耐腐蚀性不够，在高温金属液体的冲击下模具型腔产生磨损、腐蚀。提出了提高模具寿命的措施：通过采用合理的热处理工艺及表面强化技术提高压铸模具型腔的红硬性、耐磨性、耐腐蚀性。关键词：压铸模具；失效；热处理工艺；表面强化；使用寿命Failure Analysis on H13 Steel Aluminum Al
2、loy Die-casting Mold and Measures of Improving Service lifeDAI Bing, HU Xiaotao, YUAN Shiping(College of Material Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)Abstract: According to chemical analysis, hardness testing, microstructure analysis, microscopic morp
3、hology, spectrum analysis, etc, the reasons for H13 steel aluminum die casting failure was analyzed. The results show that the mold cavitys red hardness dropped and the wear and corrosion resistance were not enough, which are the main reasons for the failure, with the cavity being worn and corroded
4、by the crash of the high temperature metal liquid. Put forword measures of improving the service life of the mold ,that is through improving heat treatment and surface hardening technology which were used to improve the casting mold cavitys red hardness, wear resistance and corrosion resistance.Key
5、words: die-casting die; failure; heat treatment process; surface hardening; service life作者简介：代 兵（1971-） ，男，重庆人，硕士，副教授，主要研究方向为精密塑性成形及模具技术、非传统加工及模具数字化制造；电话:13983862804；Email:1 引言H13 钢铝合金压铸模具工作时，熔融的高温金属液以高压、高速进入模具型腔，对模具型腔表面产生激烈的冲击和冲刷，造成型腔表面的机械冲蚀，高温使压铸模具硬度下降，导致型腔软化，产生塑性变形和早期磨损，从而降低模具的使用寿命 1。如何提高压铸模具的使用寿
6、命，历来是人们所关心的问题。压铸模具寿命短不但增加产品的成本，而且严重影响生产，成为生产上急需解决的关键问题。2 铝合金压铸模具失效背景及失效原因分析2.1 失效背景某压铸模具的型芯型腔结构如图 1，加工工艺过程为：下料锻造球化退火铣削加工淬火电火花成形加工研磨抛光。其材料为 H13 钢，经 1030淬火、再经过两次 500-600的回火，基体硬度 46-49HRC，模具的耐磨性、抗疲劳性、耐蚀性等有所提高。该厂的模具钢在浇注温度 670，模具预热温度 200，压铸速度 0.3-3m/s，慢/快压射距离为 350/70，模具使用 500 次，在模具型腔表面出现了一些小坑及一些沟槽，底部凹角处有
7、冲蚀痕迹。如果模具再继续使用，模具型腔表面缺陷会更大，将会影响产品的外观质量。（a）模具型芯 （b）模具型腔（a） （b）图 1 失效的模具及失效的位置 （a）模具型芯 （b）模具型腔2.2 失效原因分析（1）H13 钢材质分析将模具失效的部分用线切割机切下，并横向切下一块未失效的 H13 钢，用火花直读光谱仪，测 H13钢的材质是否有问题。表 1 试样化学成分(质量分数/%)元素名称 C Si Mo V Cr Mn P SH13 钢化学成分 0.32-0.45 0.80-1.20 1.10-1.75 0.8-1.20 4.75-5.50 0.20-0.50 0.030 0.030失效模具化学
8、成分 0.35 1.0 1.50 0.98 4.92 0.42 0.02 0.02由表 1 可知失效的模具钢的材质没有问题，符合标准。H13 钢的特点是：中碳，碳的质量分数为0.320.45，以保证高硬度、高韧性和较高的热疲劳抗力 2。（2）硬度分析在模具失效的表面及失效的坑及沟槽的附近用显微硬度计对其硬度做了测试，结果如表 2 所示：表 2 材料硬度测试表硬度（HV）失效的位置失效表面 479 490 503 472 460 512 483 506 500 477平均值 488.2材料基体 518由硬度测试表可知：模具失效位置处硬度值表现出不同程度的变化，模具失效位置表面硬度偏低，最低达到了
9、 460HV，失效模具表面的平均硬度与正常基体硬度相比略为降低。经分析可知，压铸模具在工作过程中，型腔处在高温的铝合金液体当中，温度高达 670甚至更高，高温使压铸模型腔软化；由于失效部位局部温度过高，此部位受到不断冷热循环作用，加上金属液不断地冲刷，使模具型腔表面的硬度下降 3。因此，提高压铸模具型腔的高温硬度可以减少高温金属液体对型腔冲蚀产生的磨损。（3）显微组织分析（a） (b)（c）图 2 光学显微镜下失效位置（c）（c）图 2 光学显微镜下失效的位置将模具失效的部位在光学显微镜下观察分析，如图 2 所示，从宏观上看模具表面有许多小坑以及由坑组成的沟槽，其缺陷的方向性很强，向着同一个方
10、向的坑比较多。初步判定模具表面的失效为疲劳磨损，或者是冲蚀磨损，由于小坑具有一定的方向性所以说这里面一定有疲劳磨损，因为小坑附近有塑性变形的痕迹，塑性变形金属流动方向与摩擦的方向一致 4。经分析可知，熔融的金属液以高压、高速进入型腔，对压铸模成形零件的表面产生激烈的冲击和冲刷，造成型腔表面的机械冲蚀，高温使压铸模硬度下降，导致型腔软化，产生塑性变形和早期磨损。此外，在充填过程中，高温金属液中的杂质和熔渣对压铸模成形表面会产生复杂的化学作用，产生化学腐蚀，熔融金属液逸出气泡使型腔发生气蚀，这些机械和化学腐蚀综合作用的结果都在加速表面的腐蚀和裂纹的产生 1。因此，提高压铸模材料的高温强度和耐腐蚀性
11、有利于增强材料的抗侵蚀能力。（4）扫描电镜及能谱分析（a） (b) (a) (b) (c) 图 3 失效位置点分析（a） (b) (c)图 4 失效位置面分析用 S-3700N 扫描电子显微镜，观察模具失效部位的表观形貌。由图 3 和图 4 可知模具表面有很多小坑，坑里面有很多圆形状的物质，对圆形状物质 EDS 能谱分析可知其主要组成元素是碳、硅、钼、钒、铬、锰、铁，与模具的材料元素基本上保持一致，分析可知坑里面的圆形状物质是模具表面磨损下去的材料。由对坑里面的点 EDS 能谱分析及对坑外表面进行面区域 EDS 成分分析，发现坑里面小圆圈部分的Mo 的含量，明显比坑边缘表面 Mo 含量要高，分
12、析可知模具坑边缘的 Mo 受金属液侵蚀而转移到了坑里面。由以上分析可知模具失效是模具型腔表面磨损造成的，因此，提高模具的耐磨性有利于提高模具的寿命。综合以上分析可知，压铸模具失效的主要原因是模具型腔的高温硬度下降、耐磨性、耐腐蚀性不够，模具型腔在高温金属液体的冲击下产生磨损和腐蚀。3 提高模具型腔硬度、耐磨性及耐腐蚀性的措施3.1 改进热处理工艺。预先热处理：加热至 1040保温 100 分钟，油冷；再加热至 920保温 6 小时，炉冷至 760保温 8小时，炉冷。最终热处理：加热至 1040保温 1 小时后油冷，再加热至 600保温 1 小时，回火 2 次。改进热处理工艺后，H13 钢制成压
13、铸模，冲击韧性明显提高，硬度 50HRC，具有较好的性能和使用寿命 5。3.2 进行表面处理，改变其表层化学成分和组织。（1）离子氮化处理。实践表明，H13 钢常规淬火，回火后，再经过 5204h 的离子氮化，有利于提高 H13 钢的耐磨性、耐蚀性及抗热疲劳性。（2）碳氮共渗处理。可以提高韧性和耐磨性，并且比一般氮化更具热疲劳性。（3）碳氮钒共渗处理。可以进一步提高模具的热硬性和耐磨性。（4）硫氮碳共渗。使模具提高减磨、抗咬合、耐疲劳性能与耐腐蚀性。（5）多元共渗。红硬性、耐磨性、热疲劳抗力明显提高，与普通氮化相比，模具寿命提高几倍 5。4 结论（1）通过化学成分分析、硬度测试、显微组织分析、
14、微观形貌观察、能谱分析等手段，分析了 H13 钢铝合金压铸模具失效的原因。结果发现，失效的主要原因是模具型腔的红硬性下降、耐磨性、耐腐蚀性不够，在高温金属液体的冲击下模具型腔产生磨损、腐蚀。（2）针对以上模具失效的原因，提出了提高模具型腔硬度、耐磨性、耐腐蚀性的措施：通过改进热处理工艺：对模具型腔预先进行热处理，然后再进行最终热处理，提高模具型腔的硬度及冲击韧性。通过对模具型腔表面进行处理：采用离子氮化处理、碳氮共渗以及多元共渗处理技术，使模具型腔表面产生一层氮化层，提高模具型腔的红硬性、耐磨性、耐腐蚀性。参考文献：1赖华清.压铸模具的失效形式及提高其使用寿命的途径J.中国新技术新产品, 2009, (5): 112-113.2陈淑平,冀国良.H13 钢模具失效分析及解决措施J.金属热处理,2011,(19):55-57.3孙智等编著.失效分析基础与应用M北京：机械工业出版社，2005:168180.4胡心平,吴炳尧.压铸模具型芯变形失效的研究分析J.铸造, 2004, (1): 30-39.5伍江.H13 钢模具热处理工艺合理选用的探讨J.维普资讯, 2006，(12): 61-62.
