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壓力鑄造(簡稱壓鑄)工藝是一種高效益、高效率的少、無切削的金屬成形工藝。它是鋁合金、鎂合金等非鐵金屬合金的主要鑄造方式，廣泛地運(yùn)用于汽車、航空、數(shù)碼電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。壓鑄模具是壓鑄的最關(guān)鍵部件。但是，鋁合金模具在澆注時(shí)受到激熱，在開模時(shí)受到噴霧的激冷，經(jīng)受一定次數(shù)的循環(huán)后將發(fā)生熱疲勞。而壓鑄模具生產(chǎn)周期長、投資大、制造精度高、故造價(jià)較高。提高模具熱疲勞壽命不僅可以提高生產(chǎn)效率，還可以降低成本。模具壽命的高低是衡量模具質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，鋁合金壓鑄模具主要的失效形式為熱疲勞龜裂，該失效比例達(dá)到60％～70％。材料熱疲勞性能測試方法最早的是COLFIN在1953年提出的，此后還有板狀試樣法和龜裂評級法即Uddeholm方法。前者需要大型的成套設(shè)備，試驗(yàn)成本高，而且與實(shí)際工作的熱疲勞損壞形式相差甚遠(yuǎn)。后兩者試驗(yàn)成本低，且與實(shí)際接近，故為較多的材料研究者所采用。工業(yè)中廣泛采用的熱疲勞試驗(yàn)方法是瑞典Uddeholm方法。Uddeholm法是將棒狀試樣反復(fù)經(jīng)高頻感應(yīng)加熱和冷卻后，參考標(biāo)準(zhǔn)圖譜對表面龜裂程度比較評級的方法。這套評定圖譜考慮了裂紋局部的寬度與整體的廣度，非常直觀，但它難以定量化。而且試棒在感應(yīng)條件下的加熱和實(shí)際壓鑄條件有較大的差異，不能考慮鋁液對模具的腐蝕等影響。熱疲勞裂紋的評定受主觀因素的影響較大，需要很有經(jīng)驗(yàn)的工程人員來評定。吳曉春等把圖譜評級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了定量化，提出了一個(gè)新的物理參數(shù)——損傷因子以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)評定。目前對于壓鑄模具熱疲勞的研究主要集中于如何從鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、模具材質(zhì)、模具加工、熱處理工藝和壓鑄工藝參數(shù)等方面提高模具熱疲勞壽命。本研究開發(fā)了接近壓鑄生產(chǎn)條件的壓鑄模具熱疲勞壽命試驗(yàn)設(shè)備，開展H13鋼熱疲勞壽命研究，了解壓鑄模具熱疲勞的過程，不同工藝對熱疲勞壽命的影響，探索預(yù)測熱疲勞壽命的方法，探討提高壓鑄模具熱疲勞壽命的工藝。

1 熱疲勞試驗(yàn)方法
Uddeholm方法是通過高頻電源對試樣進(jìn)行加熱與冷卻(水、氣)的往復(fù)循環(huán)，以此方法使試樣拋光表面產(chǎn)生龜裂裂紋。但是模具在壓鑄過程中不僅受到熱應(yīng)力，還受到?jīng)_擊應(yīng)力、侵蝕等作用發(fā)生裂紋，隨著裂紋擴(kuò)展，模具組織也會發(fā)生變化。為了更加逼近真實(shí)壓鑄過程，本研究采用將試樣浸入鋁液加熱一脫模劑中冷卻的方法12¨，模擬壓鑄模具合模受熱與開模冷卻的過程，模擬壓鑄模具鋼H13鋼的熱疲勞壽命。通過自制的熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，試樣可以循環(huán)在800℃的鋁液中加熱，在室溫的脫模劑中冷卻。試樣內(nèi)部有冷卻水通道，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部冷卻水循環(huán)流動(dòng)。試驗(yàn)對比研究了試樣通內(nèi)部冷卻水和不通內(nèi)部冷卻水情況下的熱疲勞壽命。

1．1試樣
本試驗(yàn)試樣使用的材質(zhì)為H13鋼，壓鑄模具中最常用的材料，其成分如表1所示。
本試驗(yàn)在試樣內(nèi)部設(shè)計(jì)了內(nèi)部冷卻水通路，試樣尺寸和內(nèi)部冷卻水通路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖l所示。冷卻水溫度由自動(dòng)化散熱系統(tǒng)保持在35℃。

1．2熱疲勞試驗(yàn)機(jī)
本試驗(yàn)研究是使用自制的熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，其示意圖見圖2。試驗(yàn)機(jī)主要包括運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、內(nèi)部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、脫模劑散熱系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)使得試樣可以使試樣實(shí)現(xiàn)循環(huán)地在豎梁上上下運(yùn)動(dòng)和在橫梁上水平運(yùn)動(dòng)。試樣運(yùn)動(dòng)行程路線由運(yùn)動(dòng)控制器編程控制。內(nèi)部冷卻水系統(tǒng)使其中一個(gè)試樣在試驗(yàn)過程中一直通著內(nèi)部冷卻水，為了使內(nèi)部冷卻水保持恒溫，還設(shè)計(jì)了冷卻水自動(dòng)化散熱系統(tǒng)。脫模劑冷卻池水溫在試驗(yàn)循環(huán)多次后會升高，也需要一個(gè)散熱系統(tǒng)使得脫模劑保持在室溫。加熱系統(tǒng)是試樣浸入鋁液中加熱，鋁液在電阻爐內(nèi)保持800℃。冷卻系統(tǒng)是試樣浸入脫模劑溶液池中冷卻，脫模劑循環(huán)流動(dòng)散熱，保持恒溫。

1.3 循環(huán)運(yùn)動(dòng)
試樣循環(huán)地垂直運(yùn)動(dòng)行程為280 mm，水平運(yùn)動(dòng)行程為600姍。試樣在鋁液中加熱12 S，在脫模劑中冷卻10 s，從鋁液到脫模劑的垂直與水平運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為7．5 s，則一個(gè)周期的時(shí)間約為3"7 s。

2 熱疲勞試驗(yàn)檢測
2．1試樣溫度測試
試樣在試驗(yàn)過程中激熱激冷，溫度變化劇烈。由于鋁液溫度是800℃，可以用K型熱電偶測量試樣的溫度。為了不破壞試樣，使用熱電偶絲定位焊在試樣表面。由于熱電偶在鋁液和水里會發(fā)生短路，熱電偶只能定位焊在液面邊沿上，如圖3所示。試樣的溫度變化如圖4所示。

以上測量的溫度變化并不能得到整個(gè)試樣在加熱后最高溫和冷卻后最低溫。使用非接觸式熱像儀可以測量并記錄兩種試樣出爐后的表面溫度和出水后的表面溫度，如圖5～8所示。由于試樣在加熱過程中與鋁液接觸，試樣表面達(dá)到了最高溫，而在冷卻過程中與脫模劑接觸，試樣表面達(dá)到了最低溫，試樣表面是溫度變化最大的部位。因此通過測量試樣表面溫度可以得到試樣在整個(gè)周期內(nèi)的最大溫差。通內(nèi)部冷卻水的試樣出現(xiàn)最大溫差的地方在試樣厚實(shí)的底部。內(nèi)部冷卻水對此部位的冷卻效果最差。通內(nèi)部冷卻水的與不通內(nèi)部冷卻水的試樣溫差對比如表2所示。

2．2 試樣裂紋檢測
兩個(gè)試樣在試驗(yàn)過程中每3 000～4 000次進(jìn)行一次表面裂紋掃描與測量和表面殘余應(yīng)力測量。表面裂紋測量是判斷試樣是否失效的主要方法。不通內(nèi)部冷卻水的試樣在循環(huán)試驗(yàn)1 3 000次后試樣平面與棱角裂紋明顯且貫穿試樣，試樣失效報(bào)廢，如圖9所示。試樣平面裂紋首先出現(xiàn)在厚度尺寸變化的地方，并由此擴(kuò)散，最終貫穿試樣。通內(nèi)部冷卻水的試樣在循環(huán)試驗(yàn)22 000次后試樣平面沒有明顯裂紋，棱角出現(xiàn)微裂紋，如圖10所示。

裂紋檢測結(jié)果表明試樣中通冷卻水大幅度降低了試樣的溫差，延遲裂紋的出現(xiàn)，減緩裂紋的擴(kuò)展，大幅度提高了試樣的熱疲勞壽命。

2．3試樣應(yīng)力檢測
試樣表面殘余應(yīng)力采用x射線法測量，分別從水平和垂直兩個(gè)方向測量應(yīng)力。殘余應(yīng)力測量方位在試樣平面中心線距離底部30 rain的位置，為試樣加熱區(qū)域的中心處，如圖11所示。其殘余應(yīng)力隨循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)變化曲線如圖12所示。試樣在機(jī)加工完成后存在機(jī)械加工的殘余壓應(yīng)力。有內(nèi)部冷卻水的試樣殘余應(yīng)力隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力值由負(fù)值變?yōu)檎?，即由壓?yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，并且拉應(yīng)力在不斷增大。無內(nèi)部冷卻水的試樣殘余應(yīng)力變化不明顯，在13 000次后測量位置出現(xiàn)裂紋，表面應(yīng)力測量失效。

2．4熱疲勞壽命預(yù)測
從本試驗(yàn)研究中可以得到，不通內(nèi)部冷卻水的試樣溫度差達(dá)到500℃，壽命為13 000次。通內(nèi)部冷卻水的試樣溫度差達(dá)到330℃，循環(huán)次數(shù)達(dá)到22 000次。壓鑄模具溫差越低，壓鑄模具的壽命越長，兩者近似成反比關(guān)系。由此做出溫度差與循環(huán)次數(shù)曲線，即為熱疲勞壽命曲線，如圖13所示。本研究壓鑄模具熱疲勞試驗(yàn)的工藝條件較為惡劣，如果改進(jìn)工藝條件，讓模具溫差降低到200℃，根據(jù)熱疲勞壽命曲線可以大致地預(yù)測模具壽命可以達(dá)到50 000次左右，如圖13所示。降低模具溫差的工藝改進(jìn)的方法主要有以下幾種：降低鋁液溫度；縮短壓鑄模具在鋁液中受熱時(shí)間；提高脫模劑溫度；縮短壓鑄模具在脫模劑中冷卻時(shí)間：改進(jìn)壓鑄模具結(jié)構(gòu)。

3 熱疲勞數(shù)值模擬研究
使用自主開放的軟件對該試驗(yàn)過程試樣的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。針對本試驗(yàn)研究的工藝流程，模擬試樣在加熱、移動(dòng)、冷卻、再移動(dòng)的循環(huán)過程中溫度變化?？紤]了鋁液中加熱、噴霧或脫模劑中冷卻、空氣中換熱冷卻等，循環(huán)模擬參數(shù)設(shè)為在800℃下加熱12 s，空冷7．5 s，在室溫脫模劑中冷卻lOs，再空冷7．5 s。在周期循環(huán)多次后，溫度變化過程穩(wěn)定，如圖14所示。

4結(jié)論
(1)本研究自制了模擬壓鑄過程的熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，建立了在鑄造環(huán)境下的模具熱疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，內(nèi)部水冷可以降低模具最大溫差，提高模具熱疲勞壽命，可以得到關(guān)于溫差的模具熱疲勞壽命預(yù)測曲線。

(2)模擬了模具整個(gè)工藝過程的溫度變化，與試驗(yàn)實(shí)際情況相近。不同工藝下模具溫差可以使用數(shù)值模擬得到。

(3)結(jié)合以上的模具熱疲勞壽命曲線和數(shù)值模擬，在改進(jìn)工藝后也可以預(yù)測到模具熱疲勞壽命。無內(nèi)部冷卻水試樣的模擬結(jié)果顯示試樣底部最高溫為570℃，與試驗(yàn)實(shí)際測量相差一10℃；最低溫為87℃，與試驗(yàn)實(shí)際測量相差+7℃。數(shù)值模擬與試驗(yàn)實(shí)際情況的溫度誤差在土lO℃內(nèi)，兩者溫度變化非常相近，模擬的準(zhǔn)確性在熱疲勞試驗(yàn)得到驗(yàn)證。于是可以把數(shù)值模擬結(jié)果的溫度差與熱疲勞壽命曲線結(jié)合起來預(yù)測模具熱疲勞壽命。當(dāng)改進(jìn)工藝，比如模具結(jié)構(gòu)、內(nèi)部冷卻水結(jié)構(gòu)、澆注溫度、開合模時(shí)間、刷脫模劑量等，可以用數(shù)值模擬方法得到模具的最大溫差，根據(jù)熱疲勞壽命曲線預(yù)測模具壽命。