H13鋼鋁型材擠壓模橋裂分析及解決方法

姚宏康 ，曹立軍 ，馮明明

（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

鋁型材擠壓模通常采用H13鋼進(jìn)行加工，在模具最終熱處理后一般進(jìn)行表面滲氮處理，可提高工件的表面性能，如表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗咬合能力、耐蝕性、抗回火軟化能力等，從而提高工件的使用壽命[1]。

2 模具失效問題描述

鋁型材擠壓模分流模上模尺寸φ250×123mm，H13 模具鋼經(jīng)加工、調(diào)質(zhì)及表面滲氮處理后，使用過程出現(xiàn)不同程度的開裂問題[2～3]。因模具開裂無法繼續(xù)使用，對失效模具解剖后進(jìn)行失效原因分析。

3 模具形貌及主要失效位置

模具形貌及主要失效位置如圖1所示。

圖1 模具形貌及失效位置

4 模具解剖方式

在模具分流橋1位置取整個分流橋試樣，用于模具本體及滲氮層分析，如圖2、圖3所示。

圖2 模具取樣為位置示意圖

圖3 硬度及沖擊試樣取樣示意圖

5 失效原因分析

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(jì)、德國蔡司Axio Scope.A1 正立式光學(xué)顯微鏡、PTM2302-D1 沖擊試驗(yàn)機(jī)。

（1）模具本體化學(xué)成分分析。

模具本體化學(xué)成分分析如表1所示。

表1 模具本體化學(xué)成分 W%

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

（2）模具本體截面硬度分析。

模具本體截面硬度分析如表2所示。

表2 模具本體不同位置截面硬度

模具本體進(jìn)行落實(shí)硬度檢測，截面硬度基本符合擠壓模硬度要求。

（3）模具基體及裂紋位置高倍分析如表3所示。

表3 模具基體及裂紋位置高倍

對模具基體及裂紋位置夾雜物、晶粒度、組織等進(jìn)行高倍分析，無明顯差異，均符合熱作模具鋼技術(shù)要求。

（4）模具本體沖擊韌性分析如表4所示。

表4 模具本體沖擊韌性分析

對模具本體進(jìn)行橫向無缺口沖擊檢驗(yàn)，在模具熱處理及高硬度條件下，無缺口沖擊達(dá)到296J，原始材料沖擊無異常。

5.2 模具表面滲氮層分析

對模具裂紋位置垂直于開裂面取樣，經(jīng)鑲嵌、拋光、腐蝕后，按GB/T 11354-2005[4]，進(jìn)行滲氮層深度、滲氮層不均勻度、白亮層等檢測，如表5 所示。并參考T/CNIA 0001-2018進(jìn)行擠壓模氮化后質(zhì)量指標(biāo)評價[5]。

表5 模具表面滲氮層分析

裂紋附近滲氮層觀察發(fā)現(xiàn)，如圖4所示，模具滲氮層在50×下可見微裂紋，微裂紋深度170～190μm，已擴(kuò)展至整個滲氮層，500×下可見微裂紋邊部（即滲氮層表面）位置已發(fā)生局部剝落現(xiàn)象。

圖4 滲氮層微裂紋

裂紋附近滲氮層進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，如圖5所示，滲氮層在微裂紋的作用下，沿著滲氮層擴(kuò)展，并與原始滲氮層分離、最終剝落，部分微裂紋已擴(kuò)展至模具基體。分析認(rèn)為，這與模具表面受擠壓及剪切應(yīng)力有關(guān)。

圖5 滲氮層剝落及微裂紋擴(kuò)展（50×）

裂紋位置觀察發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，邊緣滲氮層已完全剝落，部分基體隨著裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生局部剝落現(xiàn)象，部分位置繼續(xù)延伸形成主裂紋，裂紋中存在鋁合金擠入情況。

圖6 模具基體主裂紋及鋁合金擠入（50×）

綜上分析，模具型腔表面滲氮層深度、不均勻性超標(biāo)，滲氮層質(zhì)量不滿足T/CNIA 0001-2018 標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致滲氮層呈脆性。在擠壓過程中，首先在滲氮層產(chǎn)生微裂紋及局部剝落現(xiàn)象，微裂紋在熱應(yīng)力的作用下進(jìn)一步擴(kuò)展到基體，形成主裂紋，模具形成裂紋后繼續(xù)使用，導(dǎo)致鋁合金被擠入裂紋，在應(yīng)力作用下，導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

6 解決方法

（1）規(guī)范模具表面滲氮處理工藝，獲得質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的滲氮層及滲氮組織，避免滲氮層深度、不均勻度異常導(dǎo)致滲氮層脆性及滲氮質(zhì)量不佳。

（2）試模后及滲氮處理前，對模具分流孔內(nèi)的殘留鋁，用堿煮除掉后再拋光，表面粗糙度值應(yīng)達(dá)到Ra0.8～1.6μm，模具外表面無油污及其他附著物。

7 結(jié)束語

根據(jù)以上分析，H13鋼鋁型材擠壓模橋裂原因?yàn)槟＞咝颓槐砻鏉B氮層深度、不均勻性超標(biāo)，滲氮層質(zhì)量不滿足T/CNIA 0001-2018 標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致滲氮層呈脆性，滲氮層質(zhì)量不佳。模具4個分流橋在幾乎接近位置同時出現(xiàn)開裂，還需考慮模具設(shè)計(jì)、熱處理等其他原因?qū)δ＞邚?qiáng)度的影響。