鋁合金壓鑄模具發生斷裂的原因是什么

鋁合金壓鑄模具的抽芯在生產中頻繁發生斷裂，經分析發現電火花加工后白亮層未去除，以及內部冷卻水的腐蝕作用最終導致斷裂發生。后調整電火花加工工藝，降低白亮層厚度；電解拋光內腔表面，增加內腔表面光潔度；在冷卻水里添加防緩蝕劑和阻垢劑，減少冷卻水對抽芯內腔的腐蝕作用，從而延長了模具抽芯壽命。

H13鋼類熱作模具鋼，由于其優良的淬透性、淬硬性，以及良好的室溫、高溫性能，而廣泛應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，譽格亦采用該鋼種制作模具抽芯。但是在實際生產中鋁合金壓鑄模具的抽芯頻繁發生斷裂，現對該斷裂進行分析，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構，截面為橢圓形，長軸約80mm，短軸約50mm，斷裂大致在中橫線附近。在壓鑄生產過程中，上下反復抽芯，生產約1.3萬模次即發生斷裂，可以看到內腔通有冷卻水路。整個斷面分為初始斷裂區、裂紋擴展區和最后斷裂區。根據斷口紋路判斷，裂紋源在的型腔內壁位置，呈現臺階狀，屬于多源斷口，在隨后的反復抽芯過程中，裂紋擴展并最終斷裂。

（2）成分分析對抽芯橫截面取樣，直讀光譜分析儀實測化學成分如附表所示，可以看到該抽芯的化學成分符合H13鋼的標準。

（3）顯微分析從工件開裂部位切取縱向和橫向樣塊，經磨制拋光腐蝕后觀察。根據北美壓鑄協會的帶狀組織/微觀不均勻度評級標準《NADCA#207—2003》，縱向來看金相組織，該帶狀組織等級屬于可接受的范圍，且碳化物細小分布均勻。橫向來看金相組織，基體為回火馬氏體和細小的碳化物，晶粒度7～8級；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，觀察內腔壁附近金相組織情況，發現內腔壁非常粗糙并有大量橫向裂紋。與生產人員溝通得知，抽芯內腔由電火花加工而成，之后無其他處理便投入生產。追溯當時的電火花加工工藝，并在一塊新的H13模具鋼樣塊上還原電火花加工過程。根據當時的加工工藝，電火花白亮層最深可達50μm，且電火花加工后白亮層上立即出現了微裂紋。由于該抽芯的內腔采用電火花加工工藝，必然產生較厚的白亮層和較多的微裂紋。在實際生產過程中，壓鑄模具一般在較高的溫度下生產，在每一模次的生產過程中，模具抽芯表面吸收鋁合金熔體在凝固過程釋放的熱量，繼而向內層產生熱傳遞，而內層由于冷卻水的存在而使內腔溫度很低，這樣抽芯內腔附近在冷熱交替反復的環境下，微裂紋勢必擴展而逐步發展成大量的橫向裂紋。

考慮到抽芯內腔長期被冷卻水包圍，水質就是普通的自來水，這樣的環境下極易發生腐蝕。橫向裂紋內已有大量腐蝕產物。在抽芯的冷卻水路中，當水溫到達60℃以上時，鈣鎂離子很容易分解結垢，當水冷卻后，冷卻水中的微溶物質結晶析出，在抽芯型腔內表面結成硫酸鈣、碳酸鈣等水垢。水中所含溶解性氣體、腐蝕性鹽類等電解質與H13模具鋼接觸時，因為電解質的作用，使模具鋼表面析出Fe2+，內腔表面遭到腐蝕。同時，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模具腐蝕的綜合作用下，在抽芯上下反復抽取的過程中，橫向裂紋不斷擴展，最后斷裂。

2.改進及效果

基于上述斷裂的原因，必須對電火花加工工藝予以改進。以往為了提高生產效率，常常采用大電流加工內腔，產生的白亮層很厚，為了減小白亮層的影響，必須采用小電流精加工，同時加強電極本身的光潔度。當然也要考慮生產效率，經過多次調整，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成為斷裂的起始點。為了最大限度減少這種不平表面，采用電解拋光的方法。被拋光的抽芯內腔為陽極，不溶性金屬為陰極，兩極同時浸入到電解槽中，通以直流電而產生有選擇性的陽極溶解，從而減小型腔內表面粗糙度值，達到表面光潔的效果。

為了減少抽芯內腔冷卻水對內壁的腐蝕作用，在冷卻水內添加一定量的緩蝕劑和阻垢劑。在以上措施的保護下，目前抽芯生產8萬余模次依舊良好，無斷裂傾向。

3.結語

（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，防止微裂紋產生及擴展。

（2）在普通自來水的環境下，通冷卻水路的抽芯型腔會發生腐蝕進而引發斷裂。在冷卻水內添加定量的緩蝕劑和阻垢劑后，有效地減少了腐蝕的發生，延長了模具壽命。