H13鋼的韌性較高，抗疲勞龜裂性和抗黏性較好，與熔融金屬相互作用較小，廣泛用于制作壓鑄、擠壓、熱鍛等模具。某鋁型材廠采用H13鋼制備的擠壓模具對(duì)鋁合金擠壓成型，該模具的加工工藝流程為：開粗框→調(diào)質(zhì)熱處理→電火花加工或線切割型腔→精磨。該模具在服役期間發(fā)生開裂。影響擠壓模具使用壽命的因素包括：模具的材料、熱處理工藝、設(shè)計(jì)、加工工藝、表面處理等。目前，對(duì)模具加工、表面處理等方面的報(bào)道較少。研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該模具開裂的原因進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)措施，以避免該類問題再次發(fā)生。
1、 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
開裂模具的宏觀形貌如圖1所示，模具外觀尺寸為200mm×60mm(外徑×壁厚)。圖1中兩處白色箭頭所指處存在開裂裂紋。使用線切割方法在垂直于裂紋1位置截取試樣并進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：裂紋起始于型腔的拐角處，并向外擴(kuò)展，裂紋長度為5mm；該擠壓模具存在3處變徑區(qū)域，分別為B、C、D區(qū)域。
沿裂紋1人工打開模具，對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口為典型的疲勞斷口，呈“海灘”狀條紋特征；斷口分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)，裂紋源區(qū)如箭頭所指，始于C區(qū)域到D區(qū)域的臺(tái)階位置，且為拐角處；C區(qū)域和臺(tái)階位置均為電火花加工面，表面粗糙。
1.2 化學(xué)成分分析
采用直讀光譜分析儀對(duì)開裂模具進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂模具的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.3 硬度測試
依據(jù)GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》對(duì)開裂模具的截面和表面進(jìn)行硬度測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：模具截面硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，模具表面硬度滿足滲氮后表面硬度的要求。
1.4 非金屬夾雜物評(píng)定
依據(jù)ASTM E45—2018a《鋼中夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》中的方法A對(duì)模具進(jìn)行夾雜物評(píng)定，結(jié)果如表3所示，可見該開裂模具的夾雜物等級(jí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.5 金相檢驗(yàn)
在裂紋1位置的裂紋源附近取金相試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：試樣中可見明顯的電火花加工的變質(zhì)層及微裂紋；基體中含有回火馬氏體和碳化物，沒有明顯的組織缺陷；電火花加工變質(zhì)層由白亮層、淬火層和過渡回火層組成，淬火層和過渡回火層又稱熱影響層；白亮層的最大厚度達(dá)到70μm，在白亮層表面有微裂紋，且微裂紋已延伸至熱影響區(qū)。
1.6 掃描電鏡(SEM)分析
在裂紋1斷口處取樣，并對(duì)試樣進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：裂紋源起始位置與宏觀觀察結(jié)果一致，裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌呈準(zhǔn)解理特征，說明材料具有較好的韌性。
2、 綜合分析
綜上可知，模具材料的化學(xué)成分、晶粒度及顯微組織等均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌主要呈準(zhǔn)解理特征，說明材料本身有較高的韌性，其硬度也符合該材料的性能指標(biāo)。因此，可以判定模具發(fā)生開裂的主要原因是存在電火花加工白亮層。
電火花加工是生產(chǎn)模具的主要加工方法之一，其原理是基于在工作液中的工具和工件(正、負(fù)電極)之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來去除多余的金屬，從而獲得尺寸、形狀和表面質(zhì)量符合要求的工件。電火花加工可以滿足特殊及復(fù)雜形狀、難切削零件的加工需求,可直接利用電能、熱能進(jìn)行加工。但經(jīng)電火花加工后，模具表面的顯微組織會(huì)發(fā)生變化，形成不連續(xù)的、厚度不均勻的變質(zhì)層，對(duì)模具表面產(chǎn)生一系列的負(fù)面影響。變質(zhì)層的顯微組織和元素含量發(fā)生變化，加工位置的表面硬度也隨之發(fā)生變化。淬火區(qū)的硬度比基體的硬度高，回火區(qū)的硬度比基體的硬度低。
電火花加工表面變質(zhì)層殘留了較高的殘余應(yīng)力，主要為拉應(yīng)力，其產(chǎn)生原因是電火花加工過程中模具表面有溫度梯度，或者是不同顯微組織的變形程度不同，引起的相變不一致。電火花加工模具表面會(huì)產(chǎn)生顯微裂紋，其原因是金屬從熔化狀態(tài)急速冷卻至凝固狀態(tài)，表面收縮產(chǎn)生拉伸熱應(yīng)力，達(dá)到材料的極限強(qiáng)度，在電火花加工形成的凹坑周圍有呈輻射狀分布的微裂紋。裂紋主要存在于白亮層，當(dāng)加工的脈沖能量很大時(shí)，就會(huì)擴(kuò)展到熱影響區(qū)。開裂模具裂紋源處的電加工白亮層厚度為70μm，并伴有微裂紋，且微裂紋已延伸至熱影響區(qū)。材料的連續(xù)性被破壞工件表面的耐疲勞性能降低，嚴(yán)重影響了模具的制造質(zhì)量和使用壽命。
當(dāng)模具有拐角、溝槽、缺口和臺(tái)階等結(jié)構(gòu)時(shí)，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，局部位置產(chǎn)生高應(yīng)力，應(yīng)力集中削弱了構(gòu)件的強(qiáng)度，降低了構(gòu)件的承載能力，往往是構(gòu)件發(fā)生破壞的起始點(diǎn)。
該模具裂紋源起始于型腔變徑孔臺(tái)階的拐角位置，該位置型腔較小，寬度僅為2mm，拐角位置R角較小，而且有臺(tái)階，該處易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在外界應(yīng)力作用下，該處應(yīng)力最大,易發(fā)生開裂。同時(shí)，該位置存在電火花的變質(zhì)層，因而造成該模具使用不久后發(fā)生開裂。
3、 改進(jìn)措施
3.1 模具熱處理
經(jīng)電火花加工后，模具表面有較大的拉應(yīng)力，促使電火花加工的白亮層萌生微裂紋，造成應(yīng)力集中，降低了模具的疲勞強(qiáng)度。因此，電火花加工后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行回火處理。為了避免模具硬度降低，保證其韌性，再回火溫度應(yīng)比模具淬火后的二次回火溫度低20℃。將電火花加工后的模具及時(shí)進(jìn)行回火處理后，電火花加工表面的殘余拉應(yīng)力可以得到有效去除，進(jìn)而提高模具的耐疲勞性能。
3.2 合理選擇電加工參數(shù)
電火花加工模具的過程中，選擇合理電加工參數(shù)對(duì)模具表面質(zhì)量很重要。粗加工時(shí)，即采用較大峰值的電流，電流可設(shè)置為6~15A，以盡快地去除加工余量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)電極損耗較小，但是加工表面的粗糙度很大，表面質(zhì)量很差，變質(zhì)層很厚；精加工時(shí)，即采用較小脈寬和較小峰值電流，電流可設(shè)置為2~5.5A，雖然降低了生產(chǎn)效率，電極損耗也隨之增大，但加工表面粗糙度小，表面質(zhì)量好，同時(shí)獲得了較薄的白亮層和熱影響區(qū)。因此，在電火花加工成型過程中，優(yōu)化粗、中、精加工段的電加工參數(shù)和3個(gè)檔次的加工余量的分配，是去除表面缺陷的一種有效方法。
3.3 打磨和拋光
電火花加工后，對(duì)加工面進(jìn)行機(jī)械研磨或拋光處理，可改善電火花加工面的表面質(zhì)量，去除變質(zhì)層，降低表面粗糙度，提高模具的耐疲勞性能，延長其使用壽命。
4、 結(jié)論
該H13鋼制備的鋁合金擠壓模具出現(xiàn)開裂的主要原因是：應(yīng)力集中的變徑孔拐角位置存在厚度較大的白亮層,且有微裂紋，微裂紋延伸至熱影響區(qū)，破壞了材料的連續(xù)性，降低了模具的耐疲勞性能。在擠壓力和熱應(yīng)力的作用下，裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致模具發(fā)生開裂。
建議模具生產(chǎn)單位在進(jìn)行模具表面電加工處理時(shí)，采用多次放電加工，最后階段采用低電流、高頻率放電，使電加工表面變質(zhì)層控制在合理的范圍內(nèi)。加工完成后及時(shí)回火去應(yīng)力，并對(duì)電加工變質(zhì)層進(jìn)行打磨，消除表面拉應(yīng)力，延長模具的使用壽命。
作者：馮明明1，2
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來源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第9期
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