铝型材挤压模具开裂失效分析【案例分享】-钢铁知识-常州精密钢管博客网

案例分享：铝型材挤压模具开裂失效分析

铝型材挤压模具承受很大的挤压力、强烈的摩擦、剧烈的冷热循环引起的热应力以及高温氧化，模具选用的材料需要具有高的热强性、高的耐磨性、足够的韧性和耐热疲劳性能，图1为挤压模具工作状态示意。

图1 挤压模具示意

H13作为一种空冷硬化型热作模具钢，具有高的淬透性、韧性及优良的抗热疲劳性能，很好地满足了挤压铝型材的工作要求，是当今国内外使用最广泛的热作模具钢之一。

某公司使用H13钢制作模具，正常模具寿命40万～50万次，但该模具在工作3500次时发生开裂，断裂部位在热挤压模具的分流孔处，裂纹宏观形貌如图2所示。

（a）（b）

图2 裂纹的宏观形貌照片

1.裂纹分析

（1）断口分析

将裂纹打开，显示裂纹断口形貌，依据断口形态确定裂纹源，如图3所示，裂纹源近分流孔变径处的表面，是电火花加工面（见图4）。

图3裂纹断口形态及取样示意

图4 断口形貌的局部放大（6.5×）

（2）裂纹分析

在裂纹源处横向切开（见图3），对其金相试样进行检验，裂纹处无严重非金属夹杂物，可以确定裂纹不是由非金属夹杂物引起的；腐蚀后裂纹表面没有氧化脱碳，说明原材料及其后热处理没有发生裂纹，如图5所示。

（a）

（b）

图5 裂纹及附近组织（100×）

（3）分流孔检验

将图4的分流孔加工面局部放大，可以观察到分流面表面的网状裂纹，如图6所示。

（a）10×

（b）40×

图6 分流孔加工面局部放大

在金相试样上，对分流孔部位观察，可见明显的电火花加工的变质层及形成的微裂纹，电火花加工变质层由白亮层、淬火层和过渡的淬火回火层组成，白亮层厚度达到0.06mm，并有严重的显微裂纹向材料内部延伸，长度为0.16mm，如图7所示。

（a）腐蚀前裂纹（100×）

（b）100×

（c）500×

（d）500×

图7 分流孔内壁腐蚀前后的显微裂纹形态

由裂纹源附近的分流孔表面存在的网状微裂纹，可以推断宏观裂纹的起源，与电火花加工表面白亮层的微裂纹的关联性。

2.材质检验

（1）化学成分检验

依据国标GB/T4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法》对模具材料进行成分分析，样品各元素含量符合相应技术条件要求，检测结果如表1所示。

表1 化学成分（质量分数）（%）

元素

标准

要求

0.37～0.42

0.30～0.50

0.90～1.20

≤0.005

≤0.020

≤0.25

5.00～5.50

0.90～1.20

1.20～1.50

≤0.25

样品

0.410

0.38

0.92

0.003

0.019

0.17

5.15

0.98

1.31

0.07

（2）硬度检验

依据GB230.1《金属材料洛氏硬度试验》对模具材料检测洛氏硬度，硬度值49.0～49.5HRC，符合该材料的性能指标范围。

（3）非金属夹杂物检验

依据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，非金属夹杂物各类型检测结果符合相应技术要求，数据如表2所示，金相如图8所示。

表2 非金属夹杂物（级）

图8 非金属夹杂物（100×）

（4）显微组织检验

依据NADCA207—2006北美压铸协会标准检验样品显微组织（见图9），检测级别HS7，符合标准要求。

图9 显微组织（500×）

通过上述分析，材料理化性能指标符合相关技术协议的要求。

3.分析

查阅相关资料，电火花加热形成的白亮层深度和工艺的参数有关（见图10和表3），电火花加工采用大电流、低频率、快走丝，电火花加工表面发生瞬时的先热后急冷，膨胀与收缩在短时瞬间完成，表面残留的拉应力与组织变化应力共同作用，形成了微裂纹（见图7），当白亮层厚度超过0.02mm，就会在白亮层中产生微裂纹。所分析的分流孔白亮层厚度达到了0.06mm，严重的微裂纹已经扩展到基体，延伸长度达到0.16mm，破坏了材料的连续性，降低了工件表面耐疲劳性能。由于加工后没有对表面采取必要的清理，后续模具在高温高压和冷热循环条件下工作，变质层上的微裂纹，成为了模具开裂的裂纹源，由此向材料内部延伸扩展，造成模具早期失效的发生。

（a）（b）（c）（d）（e）

图10 白层深度

表3 电火花设备加工参数与白层深度关系标定

4.结语

挤压模的宏观裂纹起源于分流孔表面，是由于电火花加热参数选择不当，造成加工表面变质层过厚，出现微裂纹，破坏了材料的连续性，降低了模具的耐疲劳性能。模具在高温工作环境下，受挤压应力及热应力的作用，加剧了裂纹的延伸扩展，直至模具开裂；电火花加工不当是造成该模具开裂的主要原因。

作者：程永强

单位：抚顺特殊钢股份有限公司华南技术服务站

来源：《金属加工（热加工）》杂


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