案例分享：鋁型材擠壓模具開裂失效分析
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。
圖1 擠壓模具示意
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40萬～50萬次，但該模具在工作3500次時(shí)發(fā)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。
（a） （b）
圖2 裂紋的宏觀形貌照片
將裂紋打開，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（見圖4）。
圖3裂紋斷口形態(tài)及取樣示意
圖4 斷口形貌的局部放大（6.5×）
在裂紋源處橫向切開（見圖3），對(duì)其金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，裂紋處無嚴(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；腐蝕后裂紋表面沒有氧化脫碳，說明原材料及其后熱處理沒有發(fā)生裂紋，如圖5所示。
（a）
（b）
圖5 裂紋及附近組織（100×）
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。
（a）10×
（b）40×
圖6 分流孔加工面局部放大
在金相試樣上，對(duì)分流孔部位觀察，可見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，長度為0.16mm，如圖7所示。
（a）腐蝕前裂紋（100×）
（b）100×
（c）500×
（d）500×
圖7 分流孔內(nèi)壁腐蝕前后的顯微裂紋形態(tài)
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。依據(jù)國標(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。表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
元素 | C | Mn | Si | S | P | Ni | Cr | V | Mo | Cu |
標(biāo)準(zhǔn) 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 |
樣品 | 0.410 | 0.38 | 0.92 | 0.003 | 0.019 | 0.17 | 5.15 | 0.98 | 1.31 | 0.07 |
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。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。表2 非金屬夾雜物（級(jí)）
圖8 非金屬夾雜物（100×）
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×）
通過上述分析，材料理化性能指標(biāo)符合相關(guān)技術(shù)協(xié)議的要求。查閱相關(guān)資料，電火花加熱形成的白亮層深度和工藝的參數(shù)有關(guān)（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(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（見圖7），當(dāng)白亮層厚度超過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。
（a） （b） （c） （d） （e）
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
擠壓模的宏觀裂紋起源于分流孔表面，是由于電火花加熱參數(shù)選擇不當(dāng)，造成加工表面變質(zhì)層過厚，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，直至模具開裂；電火花加工不當(dāng)是造成該模具開裂的主要原因。作者：程永強(qiáng)
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來源：《金屬加工（熱加工）》雜
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