H13钢的韧性较高，抗疲劳龟裂性和抗黏性较好，与熔融金属相互作用较小，广泛用于制作压铸、挤压、热锻等模具。某铝型材厂采用H13钢制备的挤压模具对铝合金挤压成型，该模具的加工工艺流程为：开粗框→调质热处理→电火花加工或线切割型腔→精磨。该模具在服役期间发生开裂。影响挤压模具使用寿命的因素包括：模具的材料、热处理工艺、设计、加工工艺、表面处理等。目前，对模具加工、表面处理等方面的报道较少。研究人员采用一系列理化检验方法对该模具开裂的原因进行分析，并提出了改进措施，以避免该类问题再次发生。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
开裂模具的宏观形貌如图1所示，模具外观尺寸为200mm×60mm(外径×壁厚)。图1中两处白色箭头所指处存在开裂裂纹。使用线切割方法在垂直于裂纹1位置截取试样并进行宏观观察，结果如图2所示。由图2可知：裂纹起始于型腔的拐角处，并向外扩展，裂纹长度为5mm；该挤压模具存在3处变径区域，分别为B、C、D区域。
沿裂纹1人工打开模具，对断口进行宏观观察，结果如图3所示。由图3可知：断口为典型的疲劳断口，呈“海滩”状条纹特征；断口分为裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区，裂纹源区如箭头所指，始于C区域到D区域的台阶位置，且为拐角处；C区域和台阶位置均为电火花加工面，表面粗糙。
1.2 化学成分分析
采用直读光谱分析仪对开裂模具进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：开裂模具的化学成分满足标准要求。
1.3 硬度测试
依据GB/T 230.1—2018 《金属材料 洛氏硬度试验 第1部分：试验方法》对开裂模具的截面和表面进行硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：模具截面硬度满足标准要求，模具表面硬度满足渗氮后表面硬度的要求。
1.4 非金属夹杂物评定
依据ASTM E45—2018a《钢中夹杂物含量的测定 标准试验方法》中的方法A对模具进行夹杂物评定，结果如表3所示，可见该开裂模具的夹杂物等级满足标准要求。
1.5 金相检验
在裂纹1位置的裂纹源附近取金相试样，将试样置于光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知：试样中可见明显的电火花加工的变质层及微裂纹；基体中含有回火马氏体和碳化物，没有明显的组织缺陷；电火花加工变质层由白亮层、淬火层和过渡回火层组成，淬火层和过渡回火层又称热影响层；白亮层的最大厚度达到70μm，在白亮层表面有微裂纹，且微裂纹已延伸至热影响区。
1.6 扫描电镜(SEM)分析
在裂纹1断口处取样，并对试样进行SEM分析，结果如图5所示。由图5可知：裂纹源起始位置与宏观观察结果一致，裂纹扩展区形貌呈准解理特征，说明材料具有较好的韧性。
2、 综合分析
综上可知，模具材料的化学成分、晶粒度及显微组织等均达到标准要求。裂纹扩展区断口形貌主要呈准解理特征，说明材料本身有较高的韧性，其硬度也符合该材料的性能指标。因此，可以判定模具发生开裂的主要原因是存在电火花加工白亮层。
电火花加工是生产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、负电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来去除多余的金属，从而获得尺寸、形状和表面质量符合要求的工件。电火花加工可以满足特殊及复杂形状、难切削零件的加工需求,可直接利用电能、热能进行加工。但经电火花加工后，模具表面的显微组织会发生变化，形成不连续的、厚度不均匀的变质层，对模具表面产生一系列的负面影响。变质层的显微组织和元素含量发生变化，加工位置的表面硬度也随之发生变化。淬火区的硬度比基体的硬度高，回火区的硬度比基体的硬度低。
电火花加工表面变质层残留了较高的残余应力，主要为拉应力，其产生原因是电火花加工过程中模具表面有温度梯度，或者是不同显微组织的变形程度不同，引起的相变不一致。电火花加工模具表面会产生显微裂纹，其原因是金属从熔化状态急速冷却至凝固状态，表面收缩产生拉伸热应力，达到材料的极限强度，在电火花加工形成的凹坑周围有呈辐射状分布的微裂纹。裂纹主要存在于白亮层，当加工的脉冲能量很大时，就会扩展到热影响区。开裂模具裂纹源处的电加工白亮层厚度为70μm，并伴有微裂纹，且微裂纹已延伸至热影响区。材料的连续性被破坏工件表面的耐疲劳性能降低，严重影响了模具的制造质量和使用寿命。
当模具有拐角、沟槽、缺口和台阶等结构时，很容易产生应力集中现象，局部位置产生高应力，应力集中削弱了构件的强度，降低了构件的承载能力，往往是构件发生破坏的起始点。
该模具裂纹源起始于型腔变径孔台阶的拐角位置，该位置型腔较小，宽度仅为2mm，拐角位置R角较小，而且有台阶，该处易发生应力集中现象，在外界应力作用下，该处应力最大,易发生开裂。同时，该位置存在电火花的变质层，因而造成该模具使用不久后发生开裂。
3、 改进措施
3.1 模具热处理
经电火花加工后，模具表面有较大的拉应力，促使电火花加工的白亮层萌生微裂纹，造成应力集中，降低了模具的疲劳强度。因此，电火花加工后，应对其进行回火处理。为了避免模具硬度降低，保证其韧性，再回火温度应比模具淬火后的二次回火温度低20℃。将电火花加工后的模具及时进行回火处理后，电火花加工表面的残余拉应力可以得到有效去除，进而提高模具的耐疲劳性能。
3.2 合理选择电加工参数
电火花加工模具的过程中，选择合理电加工参数对模具表面质量很重要。粗加工时，即采用较大峰值的电流，电流可设置为6~15A，以尽快地去除加工余量，提高生产效率，同时电极损耗较小，但是加工表面的粗糙度很大，表面质量很差，变质层很厚；精加工时，即采用较小脉宽和较小峰值电流，电流可设置为2~5.5A，虽然降低了生产效率，电极损耗也随之增大，但加工表面粗糙度小，表面质量好，同时获得了较薄的白亮层和热影响区。因此，在电火花加工成型过程中，优化粗、中、精加工段的电加工参数和3个档次的加工余量的分配，是去除表面缺陷的一种有效方法。
3.3 打磨和抛光
电火花加工后，对加工面进行机械研磨或抛光处理，可改善电火花加工面的表面质量，去除变质层，降低表面粗糙度，提高模具的耐疲劳性能，延长其使用寿命。
4、 结论
该H13钢制备的铝合金挤压模具出现开裂的主要原因是：应力集中的变径孔拐角位置存在厚度较大的白亮层,且有微裂纹，微裂纹延伸至热影响区，破坏了材料的连续性，降低了模具的耐疲劳性能。在挤压力和热应力的作用下，裂纹不断扩展，最终导致模具发生开裂。
建议模具生产单位在进行模具表面电加工处理时，采用多次放电加工，最后阶段采用低电流、高频率放电，使电加工表面变质层控制在合理的范围内。加工完成后及时回火去应力，并对电加工变质层进行打磨，消除表面拉应力，延长模具的使用寿命。
作者：冯明明1，2
单位：1.唐山志威科技有限公司；
2.河北省工模具钢技术创新中心
来源：《理化检验-物理分册》2023年第9期
