曹立軍，姚宏康

（1.唐山志威科技有限公司，河北唐山 064200；2.河北省工模具鋼技術(shù)創(chuàng)新中心，河北唐山 064200）

1 引言

鋁型材熱擠壓模具在加工過程中存在螺紋孔、凹槽等結(jié)構(gòu)，以滿足模具使用及裝配要求。熱擠壓模具常見的開裂形式有塑性變形、磨損、整體開裂、局部開裂及局部掉塊等[1]。本文針對鋁型材熱擠壓模具整體開裂原因進行系統(tǒng)分析，明確了模具加工及熱處理過程影響開裂的因素，并給出改進措施。

2 模具開裂問題描述

鋁型材熱擠壓模具分流模上模尺寸φ425×175mm[2~3]，模具經(jīng)加工及熱處理，在首次上機使用過程，沿模具邊緣凹槽處整體開裂，裂紋延伸至模具型腔。因模具開裂無法繼續(xù)使用，對開裂模具解剖后進行開裂原因分析。

3 模具形貌及開裂位置

模具形貌及開裂位置如圖1所示。

圖1 模具形貌及開裂位置

4 模具解剖方式

在熱擠壓模具裂紋位置取試樣，用于模具本體質(zhì)量分析，如圖2、圖3所示。

圖2 模具取樣位置示意圖

圖3 模具裂紋橫截面及裂紋源位置取樣（光孔）示意圖

5 模具開裂原因分析

5.1 模具本體分析

檢測設(shè)備：賽默飛ARL4460 直讀光譜分析儀、德國Wilson RB2000R洛氏硬度計、德國蔡司Axio Scope.A1正立式光學(xué)顯微鏡、PTM2302-D1沖擊試驗機。

（1）模具本體化學(xué)成分分析。

在模具本體裂紋附近取試樣進行化學(xué)成分分析（見表1）。

表1 模具本體化學(xué)成分分析 %

模具本體取樣進行直讀光譜分析，化學(xué)成分符合H13技術(shù)要求。

（2）模具表面及本體硬度分析。

在模具表面及本體分別進行洛氏硬度分析（見表2）。

表2 模具表面及本體硬度

模具本體硬度基本符合熱擠壓模具硬度要求，模具表面硬度平均高于本體硬度5.25HRC，模具表面及本體硬度偏差大。

（3）模具本體及裂紋位置高倍分析。

因測線間距較大，考慮到0.75～1.5 m深度范圍內(nèi)縱向分辨率過低，可探測的翻漿冒泥病害目標(biāo)體可能遺漏的情況，沿鐵路正線線路方向?qū)Υ嬖诜瓭{冒泥或檢測判斷存在翻漿冒泥隱患的區(qū)域，在軌道內(nèi)沿中測線左右兩側(cè)0.5 m處各平行加密布設(shè)測線1條(間斷加密)。

在模具本體及裂紋位置取樣進行夾雜物、晶粒度、組織等高倍分析（見表3）。

表3 模具本體體及裂紋位置高倍

模具本體及裂紋位置夾雜物、晶粒度、組織良好，且未發(fā)現(xiàn)明顯帶狀及液析碳化物，均符合熱作模具鋼技術(shù)要求。

（4）模具本體沖擊韌性分析。

在模具本體裂紋附近按圖2 所示取7.5×10.5×55.5mm 橫向沖擊試樣毛坯，直接加工至7×10×55mm進行本體無缺口沖擊韌性分析（見表4）。

表4 模具本體沖擊韌性分析

在模具本體硬度與表面硬度差異大及模具熱處理條件下，裂紋附近本體橫向沖擊無異常。

5.2 模具裂紋源分析

在模具本體裂紋附近按圖3所示取裂紋源試樣進行分析。

圖4 模具裂紋橫截面及裂紋斷口形貌

圖5 模具裂紋源形貌

綜上分析，模具表面及本體硬度偏差大導(dǎo)致強韌性差異。模具表面光孔底部底部機加工凹角，在熱處理及使用過程易在此產(chǎn)生應(yīng)力集中。在表芯強韌性差異、局部應(yīng)力集中及熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的共同作用下，在此應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生裂紋及迅速擴展，模具最終發(fā)生整體開裂，導(dǎo)致模具最終失效。

6 改進措施

（1）模具加工光孔底部過渡位置圓滑，R角適當(dāng)，避免尖角并減小局部應(yīng)力集中。

（2）模具粗加工后、熱處理前及時進行去應(yīng)力退火，消除機加工帶來的應(yīng)力影響。

（3）熱處理前對模具關(guān)鍵孔位進行防護，減小熱處理過程應(yīng)力集中，避免原始淬火裂紋。

（4）模具熱處理裝爐位置及冷卻工藝需合理，減小模具截面硬度差異，以減小模具不同位置強韌性差異。

7 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，模具本體取樣成分、非金屬夾雜、晶粒度、顯微組織及橫向沖擊均無異常，鋁型材熱擠壓模具整體開裂原因為光孔底部機加工凹角導(dǎo)致熱處理過程中應(yīng)力集中甚至形成原始淬火裂紋。模具在首次上機使用時，在熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的共同作用下，在此應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生裂紋及迅速擴展，模具最終發(fā)生整體開裂導(dǎo)致模具最終失效。除此之外，模具表面及本體硬度差異導(dǎo)致的強韌性差異，也是造成模具開裂的另一原因。