H13钢热作模具钢因其优异的淬透性、淬透性和良好的室温、高温性能，广泛应用于要求高韧性和冷热疲劳性能的压铸模具、热锻模具和热挤压模具。 目前铝合金压铸模具多采用H13钢种，我公司也采用该钢种制作模芯。 但在实际生产中，某铝合金压铸模具型芯经常发生断裂的情况。 现在我们对断裂现象进行分析，寻找合理可行的方法来避免频繁断裂。

1.分析

(1)宏观断裂分析

抽芯结构如图1所示，截面为椭圆形抽芯结构，长轴约80mm，短轴约50mm。 断裂大致在图1中水平线附近。在压铸生产过程中，型芯反复被上下拉动，大约生产了13000个模具后型芯断裂。 可以看出，内腔内有冷却水通道，断裂如图2所示。整个断面分为初始断裂区、裂纹扩展区和最终断裂区。 从断口织构来看，裂纹源位于型腔内壁，如图3所示，呈阶梯状，为多源断裂。 在随后的反复抽芯过程中，裂纹不断扩大，最终破裂。

图1 模具抽芯外观

图2：模具抽芯断口形貌

图3 模具抽芯断裂分析

(2)成分分析

取岩心截面样品，用直读光谱分析仪测得的化学成分见附表。 可见，芯部化学成分符合H13钢标准。

实测模具钢化学成分（质量分数）与H13钢化学成分比较（%）

铬

锰

莫

硅

H13

0.37～0.42

5.0～5.5

0.2～0.5

1.2～1.75

0.8～1.2

0.8～1.2

实测

0.39

5.2

0.4

1.5

1.0

0.9

(3) 显微分析

从工件裂纹部位切下纵向和横向试块，经过打磨、抛光和腐蚀后观察，如图4和图5所示。纵向看金相组织，根据北美压铸协会的带状结构/显微组织不均匀度等级标准“NADCA#207-2003”，带状结构等级在可接受范围内，碳化物分布细小均匀。 横向看金相组织，基体为回火马氏体和细小碳化物，晶粒度为7～8级，洛氏硬度为46～48HRC，满足硬度要求。 金相组织正常，不是断芯的原因。

图4 带状组织

图5 基质组织

沿裂纹源纵向切割，观察内腔壁附近的金相组织。 发现内腔壁非常粗糙，存在大量横向裂纹，如图6所示。

图6 内腔壁附近横向裂纹

与生产人员沟通后得知，抽芯内腔采用电火花加工后投入生产，无需任何其他加工。 追踪当时的电火花加工工艺，并在新的H13模具钢样块上还原电火花加工工艺。 金相分析如图7所示。根据当时的加工工艺，最深的白色火花层可达50μm厚。 电火花加工后亮白层上立即出现微裂纹。 由于抽芯内腔采用这种电火花加工工艺，不可避免地会出现较厚的白层和较多的微裂纹。 在实际生产过程中，压铸模具一般是在较高的温度下生产的。 在每个模具生产过程中，模具的抽芯表面吸收铝合金熔体在凝固过程中释放的热量，然后产生热量传递到内层。 ，由于有冷却水的存在，内腔温度很低。 这样，在抽芯内腔附近冷热反复交替的环境下，微裂纹势必不断扩大，并逐渐发展为大量的横向裂纹。

图7 EDM加工后的白色光亮层和微裂纹

考虑到抽芯内腔长期被冷却水包围，且水质为普通自来水，在这样的环境下非常容易发生腐蚀，如图8所示。目前已经有很多横向裂纹中的腐蚀产物。 在抽芯冷却水回路中，当水温达到60℃以上时，钙、镁离子很容易分解并结垢。 当水冷却时，冷却水中的微溶物质结晶析出，在抽芯腔内表面形成硫酸钙。 、碳酸钙等水垢。 当水中含有的溶解气体、腐蚀性盐等电解质与H13模具钢接触时，由于电解质的作用，模具钢表面析出Fe2+，内腔表面受到腐蚀。 同时，空气中的灰尘、杂物混入冷却水中，导致微生物大量繁殖，加速模芯的腐蚀。

图8 横向裂纹中的腐蚀产物

这样，在电火花加工产生的微裂纹和冷却水对模具腐蚀的共同作用下，在反复上下抽芯的过程中，横向裂纹不断扩展，最终断裂。

2.改进及效果

基于以上断裂原因，必须改进电火花加工工艺。 过去为了提高生产效率，常采用大电流加工内腔，产生的白色光亮层很厚。 为了减少白亮层的影响，必须采用小电流精加工，同时增强电极本身的光滑度。 当然，还必须考虑生产效率。 经过多次调整，最终选择了合适的加工工艺，将白色亮层平均减少到10μm左右，如图9所示。

图9 改进EDM加工后的白色光亮层

此后，必须将白色光亮层去除，但手工抛光不可避免地会导致抛光后的表面粗糙且凹凸不平，而凹凸不平的表面也会成为断裂的起点。 为了最大限度地减少这种不平坦的表面，使用了电解抛光。 抛光的抽芯内腔为阳极，不溶金属为阴极。 两极同时浸入电解槽中，通直流电，产生阳极选择性溶解，从而降低型腔表面粗糙度，达到光滑表面。

为了减少抽芯内腔冷却水对内壁的腐蚀作用，冷却水中添加了一定量的缓蚀剂和阻垢剂。 在上述措施的保障下，目前8万多模具的抽芯生产情况依然良好，没有出现断裂的趋势。

三、结论

(1)模具电火花加工后，必须去除白色光亮层，并对型腔表面进行电解抛光，以增加光洁度，防止微裂纹的产生和扩大。

(2)在普通自来水环境下，通向冷却水路的抽芯腔会腐蚀并导致断裂。 在冷却水中添加一定量的缓蚀剂、阻垢剂，可以有效减少腐蚀的发生，延长模具的使用寿命。

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