铝合金高压压铸模具典型早期失效案例的分析与对策

“空蚀”现象：是压铸产品的表面有“麻点”形成。

  空蚀的产生是浇道路径的横截面积有膨胀，从而导致铝合金液体在浇道流动过程中压力下降，在液体铝合金内部形成负压的空洞。在压铸过程中以及增压阶段，负压的“气泡”在模具表面爆炸，把模具材料损坏，导致“麻点”的形成。缺陷的形成，可以是200－300模次。

  上图中，侧面主浇道横截面积A＝825mm² ；分岔成B，E两个分支浇道，其B＋E的浇道的横截面积是1317mm² ；这样，液体铝合金在浇道流动的过程中压力下降，其内部形成负压的空洞。E的分支浇道，又进一步分支成C＋F；E的横截面积是：750mm² ；C＋F横截面积是：1032mm² ；液体铝合金的压力进一步下降，其内部产生负压的空洞。

  左侧图片为扫描电子显微镜照片，其显示模具材料的表面被空蚀的负压气泡爆破出的孔洞。右侧图片显示：模具材料的表面处理工艺，即氮化处理加表面涂层处理无法阻止空蚀坑的形成。通常，模具材料的使用硬度是470HV，而涂层的硬度是2200HV；提高表面硬度，无法解决空蚀问题。唯一的解决方案是：修改浇道设计，按照设计原则进行模具设计。

  左侧图片为产品动模侧，圆圈部分为溶蚀部分。右侧图片为产品定模侧，相应左侧图片的背面，也有溶蚀发生。模具在生产300多模次产品后，内浇口附近产生溶蚀以及空蚀。

  这个案例中，内浇口部分的溶蚀是由于液体铝合金在浇道流动的过程中，有横截面积的膨胀。部分铝合金液体，分散。由于内浇口比较薄，先到达内浇口的部分铝合金液体，凝固并且封堵住局部浇口。这样，内浇口的有效面积缩小。导致，后续液体铝合金在流经过内浇口时，有效面积急剧减少。这样，局部的速度超出设定的内浇口速度，导致溶蚀。改善方案：严格遵循浇道设计原则，避免浇口局部堵塞导致溶蚀。液体铝合金能够溶解约3.2％的铁元素。而溶蚀的量与内浇口速度的2.7次方成正比。局部浇口速度过高，导致内浇口在几百件产品出现溶蚀。

  大型压铸模具（3500吨），在生产3200件产品后，内浇口附近的模具表面形成大量的热疲劳裂纹，导致产品“粘模”。

  注意：如果模具材料韧性等有问题，那么凸台的R角处应当有裂纹。

  模具材料硬度测量显示，在浇道上模具材料的硬度是40－42HRC。而在非浇道处，硬度是46HRC。说明，液体铝合金的温度偏高。在流经浇道处，温度在630度左右。超过了模具的回火温度600度。进而说明，压铸铝合金的温度超常（太高了）。

  上图案例所示为3000吨压铸设备的模具，冷却水距离模具表面23mm。红外成像仪测试，模具表面温度温度从275℃／169℃／120℃之间变化。裂纹的产生有几点原因：1. 内冷却水道距离表面23mm。2. 模具开裂处是台阶的R角处，厚薄变化较大。110mm到280mm。热处理残留应力集中处。3. 三角镶块的凹槽是放电加工出来。建议，在热处理前加工出来，这样应力的分布会沿着模具外型，冷却水道需要计算。

  通过使用图表就可以查到冷却水距离模具表面多远、所使用的冷却水道直径、冷却水的流量等具体数据。通过查表，可以看到如果冷却水道距离模具表面是47mm时，所带走的热功率是：80KJ/cm²/h；如果凸出的R是80mm，那么在曲线上修正后，查到模具冷却水道距离模具表面距离是：35mm。

  如果冷却水流量是6L/min，采用6mm直径的水道，那么所带走的热量是400KJ/h。所需要冷却水道的长度是：7500／400＝18cm，如果冷却水流量不变，采用10mm直径的冷却水道，那么，水道长度是：13cm。

Excel 中为冷却水道计算表

以缸体模具为例：

铸件产品重量：22 KG

压铸循环时间：90 s

压铸合金：铝合金

铸件外表面积：5000 cm²

计算出来的总冷却水道长度是：1230 cm；

冷却水距离表面距离：29.9 mm－33.2 mm

热量输出：510637 KJ/h

冷却水道每厘米长度带走的热量：415 KJ/h

冷却水流量（6mm孔径）：5.8 L/min

冷却水流量（10mm孔径）：2.3 L/min

以上是总的冷却水道长度。温度场设计过程中，需要把铸件分解。按照壁厚以及所接触的模具表面积来计算某个分解部分的冷却水道距离模具表面的距离、水流量、水道的孔径。

  纵然模具材料与热处理有良好的工艺以及质量控制，但是模具还是会有问题。其原因是很多模具的温度场没有进行计算。冷却水距离表面距离多近？点冷的模具尤其如此。

  如图所示，通讯压铸基站壳体产品、R角是90度。模具在生产1000件产品后、出现裂纹。当模具材料的R角从1.5mm下降到0.5mm的时候，模具材料的冲击韧性从22J下降到16J。而如果R下降到0.25mm，模具材料韧性下降到8J。压铸模具由于在高温下生产，建议模具型腔的R角控制在2.5mm以上。注意：R角部分不可以有额外的刀痕。

  水基脱模剂的喷涂会影响模具寿命。图示的模具在生产6万件产品后，铸件产品壁厚处有比较严重的热疲劳裂纹。而壁薄处，无任何热疲劳裂纹。需要考虑局部的水基脱模剂喷涂量，喷涂角度，以及计算脱模剂带走的热量。1cm³的水基脱模剂能够带走2600J的热量。如果，1cm³的铝合金从液态到凝固的热量都是由脱模剂的喷涂所带走，那么所需要的脱模剂喷涂量是0.7cm³。具体的，还需要根据产品形状计算脱模剂喷涂量。