壓鑄模具鋼的熱疲勞特性及其壽命改善

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1、壓鑄模具鋼的熱疲勞特性及其壽命改善ThermalFatigueChracteristicsofHotDieSteelandTheirImprovingDieLife 日原　政彥MASAHIKOHIHARA 山梨縣工業技術Center研究開發部 摘　要 壓鑄模具有加熱－冷卻的熱循環所引起的熱疲勞和與熔融金屬接觸所引起融傷的模具壽命問題。各種的模具鋼、表面處理模具鋼及放電加工面所引發的熱疲勞舉動以X線測定殘留應力、解析之，以明瞭模具壽命低下的原因。其結果，可促使模具壽命提升並改善之，模具鋼表面不形成化合物的氮化處理有

2、其明確的效果。關鍵詞：模具壽命、熱間工具鋼、熱疲勞、表面處理．改質 1.前　言受到加熱－冷卻的反覆熱循環之壓鑄模具表面（模穴，Cavity），由於熱疲勞、機械的鎖模壓力及熔融金屬的接觸為原因，發生多數缺陷，使模具壽命降低。起因於此等因素的壽命下降，不但使模具的補修費用增加，也引起鑄造機的停止、製品的補修．加工或作業計畫的變更等障礙，成為降低生產性的要因。對目前艱苦經濟環境之下的關聯業界來講，針對此等技術上的各種問題，要採取何種對策則成為大的課題。壓鑄模具，以具有三次元的複雜形狀之「工具」，擔負製品製造的重要任務。

3、對壓鑄來講，經過加工具有複雜形狀的模具則被要求須具高精度的形狀轉寫性能，因此，所使用的模具的品質和表面安定性的良否，對鑄造製品的品質直接發生很大影響。作業過程中，壓鑄模具所發生的損傷有(1)伴同加熱－冷卻的熱循環（熱應力的發生）所發生的熱疲勞龜裂(Heatcheck)，(2)射出時因與熔融金屬高速接觸所引起的融傷，(3)因加工．熱處理．補修作業的不完全所引起的破裂等。此等缺陷的發生要如何預測，並採取其防止對策，則成為使模具能安定地維持到目標作業循環數的重要要件。為了能使具有高功能性的模具得安定化，則需要(1)模具

4、材料的適宜選擇，(2)機械加工．放電加工，(3)熱處理（淬火．回火，應變消除），(4)表面處理，(5)補修等的維護技術之建構，(6)鑄造過程的作業條件的選擇等綜合的技術。在本文，就作者等過去所研究的對壓鑄模具的壽命對策及評估技術等結果之中，主要記述熱疲勞龜裂發生機制之解析及施以氮化處理模具鋼的熱疲勞特性，以及日本的「金型表面處理研究會」與台灣之委員會活動之概要。2.模具的熱疲勞龜裂發生原因壓鑄模具表面，在作業過程(射出－凝固保持－取出－脫模劑塗布)會反覆受急加熱－急冷卻的熱循環。此時，在模具表面會發生伴隨低週波熱

5、疲勞所引起的熱疲勞龜裂及素材與熔融金屬相接觸所引起的融傷等代表性的缺陷。圖1表示，把類似於壓鑄模具所受的熱循環過程加以模擬再現，而將此時所發生的殘留應力，以有限元素法解析所得結果。在加熱的初期，由於表面溫度會急激上昇，呈現大的壓縮應力。反之，在脫模劑塗布時（冷卻），加熱表面會被急激冷卻而發生大的拉伸應力。因為此兩者應力的反覆負加所引起的熱疲勞，以各種缺陷（差排、結晶粒界、加工痕等）為起點，在模具表面會發生坑(Pit)狀或龜甲狀的熱疲勞龜裂（裂痕）(1,2,3,)。圖2表示作業模具（可動模的模穴面）的X線殘留應力測

6、定結果一例。模具表面，因各測定位置之不同發生複雜的應力（壓縮應力或拉伸應力），尤其，隅角部和銳利的形狀部，由於應力集中顯示具有大開口部的熱疲勞龜裂。又，融傷是由熔融金屬(Al,Mg等)與模具素材的冶金學反應和熔融金屬的高速接觸(Cavitationerosion，孔蝕沖蝕）所發生的損耗現象(4)（圖3）。對實際的模具來講，此等缺陷（熱疲勞龜裂和融傷）有時會單獨起生，但是大多數是由兩者的相乘作用，複合性的發生各種缺陷。        （應力分布曲線）圖1加熱-冷卻熱循環過程之壓鑄模具表面的有限元素解析（應力分布） 

7、        圖2壓鑄模具表面之射出循環數與殘留應力之關係             圖3壓鑄模具的融傷狀態之觀察與融傷試驗後之融傷層的EPMA分析                  (a)發生於壓鑄模具的熱疲勞龜裂(b)呈現於熱疲勞試驗後的模具鋼試片之熱疲勞龜裂　之形態觀察圖4　呈現於模具及模具鋼試片的熱疲勞龜裂之形態觀察 圖4表示，在使用後的模具斷面所呈現的熱疲勞龜裂及所成長的裂痕之觀察結果。初期的熱疲勞龜裂呈示孔狀（Pit狀態），而此部分因加熱時的氧化反應，開口部與母材之界面產生異常層，損害母材的熱間韌性和

8、健全性（組成變化）。其後的加熱－冷卻的反覆，使孔部分發生應力集中，而使裂痕(Crack)由凹口韌性降低的母材向內部進展。3.熱疲勞龜裂(Heatcheck)延遲．防止表面處理及改善對策如前所述，與模具的缺陷發生有關的要因，大別之有(1)素材，(2)機械加工面，(3)表面處理，(4)模具補修時所加的損害(Damage)等。對素材來講，目前針對高溫強度．軟化抵抗的改善，結晶組