H13模具钢抽芯生产中频繁发生断裂的原因

　　H13钢类热作模具钢，由于其优良的淬透性、淬硬性以及在室温和高温下的良好性能而广泛应用于要压铸模、热锻模和热挤压模和冷热疲劳抗力的压铸模。目前铝合金压铸模具多采用H13钢。，我司亦采用该钢种制作模具抽芯。但是在实际生产中某款铝合金压铸模具的抽芯频繁发生断裂，现对该断裂进行分析，找出合理可行的避免断口频繁的方法势在必行。

　　1.分析

　　（1）宏观断口分析

　　该抽芯结构如图1所示，截面为椭圆形抽芯，长轴大约80mm，短轴大约50mm，断裂大致在图1中横线附近。在压铸生产过程中，上下反复抽芯，生产约1.3万模次即发生断裂，可以看到内腔通有冷却水路，断口如图2所示。整个断面分为初始断裂区，裂纹扩展区和最后断裂区。根据断口纹路判断，裂纹源在图3中所示型腔内壁位置，呈现台阶状，属于多源断口，在随后的反复抽芯过程中，裂纹扩展并最终断裂。

　　

   （2）成分分析

　　对抽芯横截面取样，直读光谱分析仪实测化学成分如附表所示，可以看到该抽芯的化学成分符合H13钢的标准。

　　该模具钢实测的化学成分（质量分数）与H13钢化学成分比较（%）

　　C Cr Mn Mo Si V

　　H130.37～0.425.0～5.50.2～0.51.2～1.750.8～1.20.8～1.2

　　实测0.395.20.41.51.00.9

　　（3）显微分析

　　从工件开裂部位切取纵向和横向样块，经磨制抛光腐蚀后观察如图4和图5所示。纵向来看金相组织，根据北美压铸协会的带状组织/微观不均匀度评级标准《NADCA#207-2003》，该带状组织等级属于可接受的范围，且碳化物细小分布均匀。横向来看金相组织，基体为回火马氏体和细小的碳化物，晶粒度7～8级;洛氏硬度46～48HRC，符合硬度要求。金相组织正常，不是造成抽芯断裂的原因。

　　沿着裂纹源纵向剖开，观察内腔壁附近金相组织情况，发现内腔壁非常粗糙并有大量横向裂纹，如图6所示。

　　与生产人员沟通得知，抽芯内腔由电火花加工而成，之后无其他处理便投入生产。追溯当时的电火花加工工艺，并在一块新的H13模具钢样块上还原电火花加工过程，金相分析如图7所示，根据当时的加工工艺，电火花白亮层最深可达50μm厚，且电火花加工后白亮层上立即就出现了微裂纹。由于该抽芯的内腔采用该电火花加工工艺，必然产生较厚的白亮层和较多的微裂纹。在实际生产过程中，压铸模具一般在较高的温度下生产，在每一模次的生产过程中，模具抽芯表面吸收铝合金熔体在凝固过程释放的热量，继而向内层产生热传递，而内层由于冷却水的存在而使内腔温度很低，这样抽芯内腔附近在冷热交替反复的环境下，微裂纹势必扩展而逐步发展成大量的横向裂纹。

　　考虑到抽芯内腔长期被冷却水包围，水质就是普通的自来水，这样的环境下极易发生腐蚀，如图8所示。横向裂纹内已有大量腐蚀产物。在抽芯的冷却水路中，当水温到达60℃以上时，钙镁离子很容易分解结垢，当水冷却后，冷却水中的微溶物质结晶析出，在抽芯型腔内表面结成硫酸钙、碳酸钙等水垢。水中所含溶解性气体、腐蚀性盐类等电解质与H13模具钢接触时，因为电解质的作用，使模具钢表面析出Fe2+，内腔表面遭到腐蚀。同时，空气中的尘土，杂物混入冷却水中，致使微生物繁殖，加速模具抽芯的腐蚀。

　　这样，在电火花加工的微裂纹和冷却水对模具腐蚀的综合作用下，在抽芯上下反复抽取的过程中，横向裂纹不断扩展，最后断裂。

　　2.改进及效果

　　基于上述断裂的原因，必须对电火花加工工艺予以改进。以往为了提高生产效率，常常采用大电流加工内腔，产生的白亮层很厚，为了减小白亮层的影响，必须采用小电流精加工，同时加强电极本身的光洁度。当然也要考虑生产效率，经过多次调整，最后选择合适的加工工艺，将白亮层减小至平均10μm左右，如图9所示。

　　在此之后必须去除白亮层，但是人工打磨必然造成打磨面粗糙不平的情况，凹凸不平的表面也会成为断裂的起始点。为了最大限度减少这种不平表面，采用电解抛光的方法。被抛光的抽芯内腔为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而减少型腔内表面粗糙度，达到表面光洁的效果。

　　为了减少抽芯内腔冷却水对内壁的腐蚀作用，在冷却水内添加一定量的缓蚀剂和阻垢剂。在以上措施的保护下，目前抽芯生产8万余模次依旧良好，无断裂倾向。

　　3.结语

　　(1)模具电火花加工后必须去除白亮层，电解抛光型腔表面，增加光洁度，防止微裂纹产生及扩展。

　　(2)在普通自来水的环境下，通冷却水路的抽芯型腔会发生腐蚀进而引发断裂。在冷却水内添加定量的缓蚀剂和阻垢剂后，有效的减少了腐蚀的发生，延长模具寿命。