评价高压压铸模具钢耐热疲劳更关键的性能指标

  在高压压铸成型过程中，压铸模腔的表面温度将超过材料的回火温度，材料的显微组织将随着时间和温度的变化而变化，导致材料性能的变化。因此，在这种条件下，研究材料的回火稳定性至关重要。

  本文研究了高压压铸模具在实际服务条件下模具材料性能随时间和模具腔尺寸变化的规律。应变和温度参数是压铸过程中收集的数据。

 内容简介 

01

实验方法

1.1 实验材料

采用Cr5马氏体热模钢H13钢是研究对象，在真空炉中淬火，然后回火，所有样品的硬度都达到470±10 HV（45±1HRC）。

H13钢的回火稳定性和冲击韧性如图1所示，图2为材料的其它力学性能。

 Fig.1 P级H13钢性能：a)回火稳定性在不同的保温温度和时间下；b)冲击韧性在不同温度下的冲击韧性（V型缺口）

Fig.2 P级H13不同温度下钢的力学性能：a)真正的屈服强度；b)弹性模量

1.2 热疲劳实验

采用高频感应加热来进行热疲劳试验。热疲劳试样冷却是通过内部轴向的冷却水道进行（疲劳试样直径10mm、长80mm，内部水道直径3mm）。温度循环包括快速升温到更高温度，然后慢慢冷却到更低温度。

1.3 有限元模型

采用ABAQUS通过简化几何形状的对称模型，对有限元软件进行数值模拟和分析。该模型的几何形状包括模具中两个完全相同的上下模腔和冷却水道，如图所示3a所示。所有的模拟都是基于一个可以代表整个模型的二维小区域，如图所示3b所示。

Fig.3 模拟简化了几何参数模型：a)模型的整体几何形状，以及用于网格划分和模拟计算的红色标记区；b)网格截面

模具/铝液界面和模具压力保护作为边界条件，只在热疲劳循环的一部分起作用。当模具打开时，边界条件将被空气冷却所取代。

表1给出了模拟中使用的材料数据。假设冷却水道中的水温为50℃。冷却通道/水、模具/铝液、模具/空气界面的对流传热系数分别设置为5000、2000和10 W/m-2 K-1。模具/空气界面仍有热辐射，辐射系数为0.7。

表1 用于模拟的材料性能：密度ρ、弹性模量E、泊松比ν、热膨胀系数α、比热Cp、导热系数k、固相线和液相线的温度T(Sol)和T(Liq)以及相变热H(Tr)

  在热力学模型中，保留所有热模型，设置平面应变，设置铝液压50MPa。动态硬化材料模型用于描述循环载荷下的机械响应。该模型假设屈服强度随应变线性变化。当应变载荷方向轴向逆转时，屈服强度将基于初始屈服强度±2双重变化。当应变加载方向为拉伸方向时，屈服强度增加，当应变加载方向为压缩方向时，屈服强度降低。

02

实验结果

2.1 热疲劳实验

在热疲劳试验中，当模具表面温度更高时，模具表面的更大应变出现，测量的更高温度为600°C热循环引起的总表面应变为0.14%；更高温度为700°C热循环引起的总表面应变为0.18%，分别如图4a和b所示。

x射线衍射结果表明，H13钢的残余应力变化明显。对于更高温度为700℃在切向和轴向上，更初的实验是残余压应力-285 MPa和-442 MPa，两个热循环后，转化为拉应力，切向和轴向分别为216MPa和162 MPa。

对于压铸模具，表面硬度明显降低，如图5所示。微硬度测量结果显示，该模具的表面硬度为490 HV，但在型腔深度200μm硬度略有下降(图5b中1和2所示区域)。

Fig.4 P级H13模具表面应变的测量结果：a) 200-600°C 和 b) 200-700°C

 Fig.5 a)压铸模具显微硬度测量位置；b)硬度分布在模具表面不同深度处

2.2 模拟结果

所有的模拟计算都采用直径10mm内部冷却水道模型，冷却水道中心距离模具表面15mm，相邻水道之间的距离为50mm。为了减少循环次数，每当循环重复前一个循环过程时，每次模拟的模具温度从200°C时开始。

Fig.6 铝液温度为680℃当不同深度的型腔经过6次热循环后计算模具表面温度时，型腔的总深度分别为2×50mm(大型)，2×20mm(中级)，2×10mm(小型)

六个热循环后，更高温度仅略高于所有前五个循环温度。图6比较了不同型腔深度下前六个循环后的表面温度变化。温度较高720℃，重复同样的实验和模拟680℃如图7所示，型腔的深度和铝液的温度对模具表面的温度变化有很大的影响。

Fig.7 铝液温度和型腔深度对模具表面更高温度计算结果的影响

根据模拟结果，图8给出了循环周期对模具表面更高温度的影响。对于更浅的模腔和较低的铝液温度，一分钟的循环周期可能比实际时间长。如果我们将循环周期减少到40s，更高模具温度增加约25°C。模具表面温度的更高值在一定程度上取决于模具与铝液接触的时间和空模时间。如果两部分时间相等，模具的更高温度将略高于空模时间。

Fig.8 循环周期对模具更高表面温度的影响；循环周期由模具/铝液接触时间 空模时间两部分组成

从图7中更差的情况来看，即型腔的总深度为100mm，铝液温度为720°C在每个热循环中，我们可以计算模具表面温度超过600°C持续时间为13.9s。当铝液温度为相同型腔深度时680°C模具表面温度为600°C上述时间缩短至1.74s。如果我们将这些数据与图纸进行比较1a结合回火稳定曲线，我们可以估计随热循环次数，模具硬度下降，如图9所示。

Fig.9 两种不同铝液温度下硬度降低和循环次数的计算结果

如图10所示，铝液温度为720°C由于室温屈服强度的降低，可以将模具硬度降低。假设在较高的温度条件下，材料将降低相同百分比的强度，因此我们可以使用这些数据来评估经历过长期热循环的模具材料的性能特性。这只需要计算较少的循环周期（在这里取10次），并使用相关的热力学模型来预测较长的循环周期。

对于1-10的循环次数，我们采用图2所示的屈服强度值。对于1000个循环，屈服强度设置为**个循环97.0%。对于第1万次循环，屈服强度降低到初始强度73.9%。更后，对于**个循环，强度降低到初始强度47.3%。

模拟结果如图10所示。**个循环中的高压应力导致塑性应变，降低了随后循环中的压应力。然后，应力循环模式转化为拉/压循环，但进一步的塑性应变相对有限，因为材料的屈服强度仍然可以抵抗变形。大约1000个循环后，材料不再能够抵抗塑性变形。同时，应力/塑性应变循环曲线变宽。塑性应变幅值的增加意味着热疲劳失效的风险增加。

Fig.10 在不同的循环次数下，模具表面的应力和塑性应变循环计算结果；应力和应变重量沿模具表面分布（铝液温度为720°C）

03

结论

高温低周疲劳试验和数值模拟结果表明：模具表面更高温度在大多数工况下均会达到600℃以上。此时，由于回火软化的作用，材料的硬度会随着时间的推移而降低，这意味着每个热循环中塑性应变范围的增加，更终导致热疲劳失效。

因此，回火稳定性是评价高压铸模钢抗热疲劳更关键的综合性能指标。

翻译转载来源：

Anders Thuvander,Anna Medvedeva and Johnny Sj?str?m. 进口s AB,Hagfors,Sweden. The most important material properties to resist thermal fatigue in hot work tool steel used in high pressure die casting [C]. The 11th TOOLING 2019 Conference & Exhibition.

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