■ 程永強(qiáng)

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鋁型材擠壓模具承受很大的擠壓力、強(qiáng)烈的摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力以及高溫氧化，模具選用的材料需要具有高的熱強(qiáng)性、高的耐磨性、足夠的韌性和耐熱疲勞性能，圖1為擠壓模具工作狀態(tài)示意。

H13作為一種空冷硬化型熱作模具鋼，具有高的淬透性、韌性及優(yōu)良的抗熱疲勞性能，很好地滿足了擠壓鋁型材的工作要求，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的熱作模具鋼之一。

某公司使用H13鋼制作模具，正常模具壽命40萬(wàn)～50萬(wàn)次，但該模具在工作3500次時(shí)發(fā)生開(kāi)裂，斷裂部位在熱擠壓模具的分流孔處，裂紋宏觀形貌如圖2所示。

圖1 擠壓模具示意

1.裂紋分析

（1）斷口分析 將裂紋打開(kāi)，顯示裂紋斷口形貌，依據(jù)斷口形態(tài)確定裂紋源，如圖3所示，裂紋源近分流孔變徑處的表面，是電火花加工面（見(jiàn)圖4）。

圖2 裂紋的宏觀形貌照片

圖3 裂紋斷口形態(tài)及取樣示意

（2）裂紋分析 在裂紋源處橫向切開(kāi)（見(jiàn)圖3），對(duì)其金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，裂紋處無(wú)嚴(yán)重非金屬夾雜物，可以確定裂紋不是由非金屬夾雜物引起的；腐蝕后裂紋表面沒(méi)有氧化脫碳，說(shuō)明原材料及其后熱處理沒(méi)有發(fā)生裂紋，如圖5所示。

（3）分流孔檢驗(yàn) 將圖4的分流孔加工面局部放大，可以觀察到分流面表面的網(wǎng)狀裂紋，如圖6所示。

圖4 斷口形貌的局部放大（6.5×）

在金相試樣上，對(duì)分流孔部位觀察，可見(jiàn)明顯的電火花加工的變質(zhì)層及形成的微裂紋，電火花加工變質(zhì)層由白亮層、淬火層和過(guò)渡的淬火回火層組成，白亮層厚度達(dá)到0.06mm，并有嚴(yán)重的顯微裂紋向材料內(nèi)部延伸，長(zhǎng)度為0.16mm，如圖7所示。

由裂紋源附近的分流孔表面存在的網(wǎng)狀微裂紋，可以推斷宏觀裂紋的起源，與電火花加工表面白亮層的微裂紋的關(guān)聯(lián)性。

2.材質(zhì)檢驗(yàn)

（1）化學(xué)成分檢驗(yàn) 依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法》對(duì)模具材料進(jìn)行成分分析，樣品各元素含量符合相應(yīng)技術(shù)條件要求，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

（2）硬度檢驗(yàn) 依據(jù)GB230.1《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)》對(duì)模具材料檢測(cè)洛氏硬度，硬度值49.0～49.5HRC，符合該材料的性能指標(biāo)范圍。

（3）非金屬夾雜物檢驗(yàn) 依據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，非金屬夾雜物各類型檢測(cè)結(jié)果符合相應(yīng)技術(shù)要求，數(shù)據(jù)如表2所示，金相如圖8所示。

圖5 裂紋及附近組織（100×）

圖7 分流孔內(nèi)壁腐蝕前后的顯微裂紋形態(tài)

圖6 分流孔加工面局部放大

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 非金屬夾雜物 （級(jí)）

圖8 非金屬夾雜物（100×）

（4）顯微組織檢驗(yàn) 依據(jù)NADCA207—2006北美壓鑄協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)樣品顯微組織（見(jiàn)圖9），檢測(cè)級(jí)別HS7，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖9 顯微組織（500×）

通過(guò)上述分析，材料理化性能指標(biāo)符合相關(guān)技術(shù)規(guī)定的要求。

3.分析

查閱相關(guān)資料，電火花加工形成的白亮層深度和工藝的參數(shù)有關(guān)（見(jiàn)圖10和表3），電火花加工采用大電流、低頻率、快走絲，電火花加工表面發(fā)生瞬時(shí)的先熱后急冷，膨脹與收縮在短時(shí)瞬間完成，表面殘留的拉應(yīng)力與組織變化應(yīng)力共同作用，形成了微裂紋（見(jiàn)圖7），當(dāng)白亮層厚度超過(guò)0.02mm，就會(huì)在白亮層中產(chǎn)生微裂紋。所分析的分流孔白亮層厚度達(dá)到了0.06mm，嚴(yán)重的微裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到基體，延伸長(zhǎng)度達(dá)到0.16mm，破壞了材料的連續(xù)性，降低了工件表面耐疲勞性能。由于加工后沒(méi)有對(duì)表面采取必要的清理，后續(xù)模具在高溫高壓和冷熱循環(huán)條件下工作，變質(zhì)層上的微裂紋，成為了模具開(kāi)裂的裂紋源，由此向材料內(nèi)部延伸擴(kuò)展，造成模具早期失效的發(fā)生。

圖10 白層深度

表3 電火花設(shè)備加工參數(shù)與白層深度關(guān)系標(biāo)定

4.結(jié)語(yǔ)

擠壓模的宏觀裂紋起源于分流孔表面，是由于電火花加工參數(shù)選擇不當(dāng)，造成加工表面變質(zhì)層過(guò)厚，出現(xiàn)微裂紋，破壞了材料的連續(xù)性，降低了模具的耐疲勞性能。模具在高溫工作環(huán)境下，受擠壓應(yīng)力及熱應(yīng)力的作用，加劇了裂紋的延伸擴(kuò)展，直至模具開(kāi)裂；電火花加工不當(dāng)是造成該模具開(kāi)裂的主要原因。