鋁合金壓鑄模具發(fā)生斷裂的原因是什么

鋁合金壓鑄模具的抽芯在生產(chǎn)中頻繁發(fā)生斷裂，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)電火花加工后白亮層未去除，以及內(nèi)部冷卻水的腐蝕作用最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生。后調(diào)整電火花加工工藝，降低白亮層厚度；電解拋光內(nèi)腔表面，增加內(nèi)腔表面光潔度；在冷卻水里添加防緩蝕劑和阻垢劑，減少冷卻水對(duì)抽芯內(nèi)腔的腐蝕作用，從而延長(zhǎng)了模具抽芯壽命。

H13鋼類熱作模具鋼，由于其優(yōu)良的淬透性、淬硬性，以及良好的室溫、高溫性能，而廣泛應(yīng)用于要求高韌性和冷熱疲勞抗力的壓鑄模、熱鍛壓模和熱擠壓模。目前，鋁合金壓鑄模具多采用H13鋼，譽(yù)格亦采用該鋼種制作模具抽芯。但是在實(shí)際生產(chǎn)中鋁合金壓鑄模具的抽芯頻繁發(fā)生斷裂，現(xiàn)對(duì)該斷裂進(jìn)行分析，尋找合理可行的方法避免頻繁斷裂。

1.分析

（1）宏觀斷口分析該抽芯結(jié)構(gòu)，截面為橢圓形，長(zhǎng)軸約80mm，短軸約50mm，斷裂大致在中橫線附近。在壓鑄生產(chǎn)過(guò)程中，上下反復(fù)抽芯，生產(chǎn)約1.3萬(wàn)模次即發(fā)生斷裂，可以看到內(nèi)腔通有冷卻水路。整個(gè)斷面分為初始斷裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。根據(jù)斷口紋路判斷，裂紋源在的型腔內(nèi)壁位置，呈現(xiàn)臺(tái)階狀，屬于多源斷口，在隨后的反復(fù)抽芯過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展并最終斷裂。

（2）成分分析對(duì)抽芯橫截面取樣，直讀光譜分析儀實(shí)測(cè)化學(xué)成分如附表所示，可以看到該抽芯的化學(xué)成分符合H13鋼的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）顯微分析從工件開裂部位切取縱向和橫向樣塊，經(jīng)磨制拋光腐蝕后觀察。根據(jù)北美壓鑄協(xié)會(huì)的帶狀組織/微觀不均勻度評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)《NADCA#207—2003》，縱向來(lái)看金相組織，該帶狀組織等級(jí)屬于可接受的范圍，且碳化物細(xì)小分布均勻。橫向來(lái)看金相組織，基體為回火馬氏體和細(xì)小的碳化物，晶粒度7～8級(jí)；洛氏硬度46～48HRC，符合硬度要求。金相組織正常，不是造成抽芯斷裂的原因。

沿著裂紋源縱向剖開，觀察內(nèi)腔壁附近金相組織情況，發(fā)現(xiàn)內(nèi)腔壁非常粗糙并有大量橫向裂紋。與生產(chǎn)人員溝通得知，抽芯內(nèi)腔由電火花加工而成，之后無(wú)其他處理便投入生產(chǎn)。追溯當(dāng)時(shí)的電火花加工工藝，并在一塊新的H13模具鋼樣塊上還原電火花加工過(guò)程。根據(jù)當(dāng)時(shí)的加工工藝，電火花白亮層最深可達(dá)50μm，且電火花加工后白亮層上立即出現(xiàn)了微裂紋。由于該抽芯的內(nèi)腔采用電火花加工工藝，必然產(chǎn)生較厚的白亮層和較多的微裂紋。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，壓鑄模具一般在較高的溫度下生產(chǎn)，在每一模次的生產(chǎn)過(guò)程中，模具抽芯表面吸收鋁合金熔體在凝固過(guò)程釋放的熱量，繼而向內(nèi)層產(chǎn)生熱傳遞，而內(nèi)層由于冷卻水的存在而使內(nèi)腔溫度很低，這樣抽芯內(nèi)腔附近在冷熱交替反復(fù)的環(huán)境下，微裂紋勢(shì)必?cái)U(kuò)展而逐步發(fā)展成大量的橫向裂紋。

考慮到抽芯內(nèi)腔長(zhǎng)期被冷卻水包圍，水質(zhì)就是普通的自來(lái)水，這樣的環(huán)境下極易發(fā)生腐蝕。橫向裂紋內(nèi)已有大量腐蝕產(chǎn)物。在抽芯的冷卻水路中，當(dāng)水溫到達(dá)60℃以上時(shí)，鈣鎂離子很容易分解結(jié)垢，當(dāng)水冷卻后，冷卻水中的微溶物質(zhì)結(jié)晶析出，在抽芯型腔內(nèi)表面結(jié)成硫酸鈣、碳酸鈣等水垢。水中所含溶解性氣體、腐蝕性鹽類等電解質(zhì)與H13模具鋼接觸時(shí)，因?yàn)殡娊赓|(zhì)的作用，使模具鋼表面析出Fe2+，內(nèi)腔表面遭到腐蝕。同時(shí)，空氣中的塵土，雜物混入冷卻水中，致使微生物繁殖，加速模具抽芯的腐蝕。

這樣，在電火花加工的微裂紋和冷卻水對(duì)模具腐蝕的綜合作用下，在抽芯上下反復(fù)抽取的過(guò)程中，橫向裂紋不斷擴(kuò)展，最后斷裂。

2.改進(jìn)及效果

基于上述斷裂的原因，必須對(duì)電火花加工工藝予以改進(jìn)。以往為了提高生產(chǎn)效率，常常采用大電流加工內(nèi)腔，產(chǎn)生的白亮層很厚，為了減小白亮層的影響，必須采用小電流精加工，同時(shí)加強(qiáng)電極本身的光潔度。當(dāng)然也要考慮生產(chǎn)效率，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，最后選擇合適的加工工藝，將白亮層減小至平均10μm左右，如圖9所示。在此之后必須去除白亮層，但是人工打磨必然造成打磨面粗糙不平的情況，凹凸不平的表面也會(huì)成為斷裂的起始點(diǎn)。為了最大限度減少這種不平表面，采用電解拋光的方法。被拋光的抽芯內(nèi)腔為陽(yáng)極，不溶性金屬為陰極，兩極同時(shí)浸入到電解槽中，通以直流電而產(chǎn)生有選擇性的陽(yáng)極溶解，從而減小型腔內(nèi)表面粗糙度值，達(dá)到表面光潔的效果。

為了減少抽芯內(nèi)腔冷卻水對(duì)內(nèi)壁的腐蝕作用，在冷卻水內(nèi)添加一定量的緩蝕劑和阻垢劑。在以上措施的保護(hù)下，目前抽芯生產(chǎn)8萬(wàn)余模次依舊良好，無(wú)斷裂傾向。

3.結(jié)語(yǔ)

（1）模具電火花加工后必須去除白亮層，電解拋光型腔表面，增加光潔度，防止微裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展。

（2）在普通自來(lái)水的環(huán)境下，通冷卻水路的抽芯型腔會(huì)發(fā)生腐蝕進(jìn)而引發(fā)斷裂。在冷卻水內(nèi)添加定量的緩蝕劑和阻垢劑后，有效地減少了腐蝕的發(fā)生，延長(zhǎng)了模具壽命。