鋁型材擠壓模具開裂失效分析

■ 程永強

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鋁型材擠壓模具承受很大的擠壓力、強烈的摩擦、劇烈的冷熱循環引起的熱應力以及高溫氧化，模具選用的材料需要具有高的熱強性、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，是當今國內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40萬～50萬次，但該模具在工作3500次時發生開裂，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，顯示裂紋斷口形貌，依據斷口形態確定裂紋源，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（見圖4）。

圖2 裂紋的宏觀形貌照片

圖3 裂紋斷口形態及取樣示意

（2）裂紋分析 在裂紋源處橫向切開（見圖3），對其金相試樣進行檢驗，裂紋處無嚴重非金屬夾雜物，可以確定裂紋不是由非金屬夾雜物引起的；腐蝕后裂紋表面沒有氧化脫碳，說明原材料及其后熱處理沒有發生裂紋，如圖5所示。

（3）分流孔檢驗 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，對分流孔部位觀察，可見明顯的電火花加工的變質層及形成的微裂紋，電火花加工變質層由白亮層、淬火層和過渡的淬火回火層組成，白亮層厚度達到0.06mm，并有嚴重的顯微裂紋向材料內部延伸，長度為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聯性。

2.材質檢驗

（1）化學成分檢驗 依據國標GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法》對模具材料進行成分分析，樣品各元素含量符合相應技術條件要求，檢測結果如表1所示。

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

（3）非金屬夾雜物檢驗 依據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，非金屬夾雜物各類型檢測結果符合相應技術要求，數據如表2所示，金相如圖8所示。

圖5 裂紋及附近組織（100×）

圖7 分流孔內壁腐蝕前后的顯微裂紋形態

圖6 分流孔加工面局部放大

表1 化學成分（質量分數） （%）

表2 非金屬夾雜物 （級）

圖8 非金屬夾雜物（100×）

（4）顯微組織檢驗 依據NADCA207—2006北美壓鑄協會標準檢驗樣品顯微組織（見圖9），檢測級別HS7，符合標準要求。

圖9 顯微組織（500×）

通過上述分析，材料理化性能指標符合相關技術規定的要求。

3.分析

查閱相關資料，電火花加工形成的白亮層深度和工藝的參數有關（見圖10和表3），電火花加工采用大電流、低頻率、快走絲，電火花加工表面發生瞬時的先熱后急冷，膨脹與收縮在短時瞬間完成，表面殘留的拉應力與組織變化應力共同作用，形成了微裂紋（見圖7），當白亮層厚度超過0.02mm，就會在白亮層中產生微裂紋。所分析的分流孔白亮層厚度達到了0.06mm，嚴重的微裂紋已經擴展到基體，延伸長度達到0.16mm，破壞了材料的連續性，降低了工件表面耐疲勞性能。由于加工后沒有對表面采取必要的清理，后續模具在高溫高壓和冷熱循環條件下工作，變質層上的微裂紋，成為了模具開裂的裂紋源，由此向材料內部延伸擴展，造成模具早期失效的發生。

圖10 白層深度

表3 電火花設備加工參數與白層深度關系標定

4.結語

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選擇不當，造成加工表面變質層過厚，出現微裂紋，破壞了材料的連續性，降低了模具的耐疲勞性能。模具在高溫工作環境下，受擠壓應力及熱應力的作用，加劇了裂紋的延伸擴展，直至模具開裂；電火花加工不當是造成該模具開裂的主要原因。