H为什么模具钢抽芯在生产中经常断裂？_

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作者：张露、邓凌曲、刘运林、刘圣林

单位：南京泉丰汽车精密技术有限公司

来源:金属加工(热加工)杂志

H13钢热模钢广泛应用于压铸模具、热锻、良好的室温和高温性能，广泛应用于压铸模具、热锻模具和热挤压模具，需要高韧性和冷热疲劳阻力。目前，铝合金压铸模具主要使用H13钢，我公司也使用钢模芯。然而，在实际生产中，铝合金压铸模具的芯经常断裂。现在分析断裂，找到合理可行的方法来避免频繁断裂。

1.分析

(1)宏观断口分析

抽芯结构如图1所示，截面为椭圆形抽芯，长轴约80mm，短轴大约50mm，断裂接近图1中的横线。在压铸生产过程中，上下反复抽芯，生产约1.3000模次断裂，可见内腔有冷却水路，断裂如图2所示。整个断面分为初始断裂区、裂纹扩展区和更终断裂区。根据断裂线，裂纹源位于图3中显示的型腔内壁，呈台阶状，属于多源断裂。在随后的反复抽芯过程中，裂纹膨胀并更终断裂。

图1 抽芯模具的外观    

图2  模具抽芯断口形状    

图3 模具抽芯断口分析

(2)成分分析

抽芯横截面取样，直读光谱分析仪测量的化学成分如附表所示，可见抽芯的化学成分符合要求H13钢的标准。

模具钢测量的化学成分(质量分数)和H13钢化学成分比较(%)

C

Cr

Mn

Mo

Si

V

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

纵向和横向样块从工件开裂部分切割，研磨抛光腐蚀如图4和图5所示。纵向金相组织按照北美压铸协会带状组织/微观不均匀度评级标准进行《NADCA#207-2003，带状组织等级可接受，碳化物分布均匀。水平金相组织，基体为回火马氏体和小碳化物，晶粒7~8；洛氏硬度46~48HRC，符合硬度要求。金相组织正常，不是抽芯断裂的原因。

 图4 带状组织 

图5 基体组织

沿裂纹源裂纹源观察内腔壁附近的金相组织，发现内腔壁非常粗糙，有大量的横向裂纹，如图6所示。

图6 横向裂纹靠近内腔壁

与生产人员沟通了解到，抽芯内腔由电火花加工而成，无需其他处理即可投入生产。追溯当时的电火花加工工艺，并在一起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，电火花白亮层更深可达50μm厚，电火花加工后，白色亮层立即出现微裂纹。由于抽芯内腔采用电火花加工工艺，必然会产生较厚的白色亮层和较多的微裂纹。在实际生产

图7 电火花加工后，白色亮层和微裂纹

考虑到泵芯内腔长期被冷却水包围，水质为普通自来水，在这种环境下容易腐蚀，如图8所示。水平裂纹中有大量的腐蚀性产物。当水温达到60时，泵芯的冷却水路℃在上述情况下，钙和镁离子容易分解结垢。当水冷却时，冷却水中的微溶性物质晶体沉淀，在芯腔内表面形成硫酸钙、碳酸钙等结垢。水中含有电解质，如溶解气体和腐蚀性盐H13模具钢接触时，由于电解质的作用，模具钢表面沉淀Fe2 ，内腔表面被腐蚀。与此同时，空气中的灰尘、杂物与冷却水混合，导致微生物繁殖，加速模具抽芯的腐蚀。

图8 横向裂纹中的腐蚀产物 

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，在抽芯上下反复提取的过程中，横向裂纹不断扩大，更终断裂。         

2.改进和效果

基于上述断裂原因，必须改进电火花加工工艺。过去，为了提高生产效率，内腔经常采用大电流加工，产生的白色亮层非常厚。为了减少白色亮层的影响，必须采用小电流精细加工，同时加强电极本身的清洁度。当然，我们也应该考虑生产效率。经过多次调整，更终选择合适的加工工艺，将白色亮层降至平均10μm左右，如图9所示。

图9 改进电火花加工后的白亮层

之后，必须去除白色亮层，但人工抛光不可避免地会导致抛光表面粗糙和不均匀，不均匀的表面也会成为断裂的起点。为了更大限度地减少这种不均匀的表面，采用了电解抛光的方法。抛光芯内腔为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入电解中，通过直流产生有选择性

为减少泵芯内腔冷却水对内壁的腐蚀，在冷却水中加入一定量的缓蚀剂和阻垢剂。在上述措施的保护下，8万多个模次仍然良好，无断裂倾向。

3.结语

(1)模具电火花加工后，必须去除白亮层，电解抛光腔表面，增加光洁度，防止微裂纹的产生和扩展。

（2）在普通自来水环境中，冷却水路的泵芯腔会腐蚀和断裂。在冷却水中加入定量的缓蚀剂和阻垢剂，有效减少腐蚀，延长模具的使用寿命。

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