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鋁型材擠壓模具開裂失效分析【案例分享】

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。


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。


(a)               (b)

圖2  裂紋的宏觀形貌照片


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3裂紋斷口形態及取樣示意


圖4 斷口形貌的局部放大(6.5×)


(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。


(a)


(b)

圖5  裂紋及附近組織(100×)


(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。


(a)10× 


(b)40×

圖6  分流孔加工面局部放大


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。


(a)腐蝕前裂紋(100×)


(b)100×


(c)500×


(d)500×

圖7  分流孔內壁腐蝕前后的顯微裂紋形態


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。

表1  化學成分(質量分數)(%)

元素

C

Mn

Si

S

P

Ni

Cr

V

Mo

Cu

標準

要求

0.370.42

0.300.50

0.901.20

0.005

0.020

0.25

5.005.50

0.901.20

1.201.50

0.25

樣品

0.410

0.38

0.92

0.003

0.019

0.17

5.15

0.98

1.31

0.07

(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。

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協議的要求。

3.分析
查閱相關資料,電火花加熱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。


(a)         (b)         (c)         (d)         (e)

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,是由于電火花加熱參數選擇不當,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。

作者:程永強

單位:撫順特殊鋼股份有限公司華南技術服務站

來源:《金屬加工(熱加工)》雜

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