鋁合金壓鑄模具的抽芯在生產(chǎn)中頻繁發(fā)生斷裂,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)電火花加工后白亮層未去除,以及內(nèi)部冷卻水的腐蝕作用最終導(dǎo)致斷裂發(fā)生。后調(diào)整電火花加工工藝,降低白亮層厚度;電解拋光內(nèi)腔表面,增加內(nèi)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(nèi)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(yōu)良的淬透性、淬硬性,以及良好的室溫、高溫性能,而廣泛應(yīng)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(chǎn)中鋁合金壓鑄模具的抽芯頻繁發(fā)生斷裂,現(xiàn)對該斷裂進(jìn)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(jié)構(gòu),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(chǎn)過程中,上下反復(fù)抽芯,生產(chǎn)約1.3萬模次即發(fā)生斷裂,可以看到內(nèi)腔通有冷卻水路。整個斷面分為初始斷裂區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后斷裂區(qū)。根據(jù)斷口紋路判斷,裂紋源在的型腔內(nèi)壁位置,呈現(xiàn)臺階狀,屬于多源斷口,在隨后的反復(fù)抽芯過程中,裂紋擴(kuò)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(xué)成分如附表所示,可以看到該抽芯的化學(xué)成分符合H13鋼的標(biāo)準(zhǔn)。
(3)顯微分析從工件開裂部位切取縱向和橫向樣塊,經(jīng)磨制拋光腐蝕后觀察。根據(jù)北美壓鑄協(xié)會的帶狀組織/微觀不均勻度評級標(biāo)準(zhǔn)《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(xì)小分布均勻。橫向來看金相組織,基體為回火馬氏體和細(xì)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(nèi)腔壁附近金相組織情況,發(fā)現(xiàn)內(nèi)腔壁非常粗糙并有大量橫向裂紋。與生產(chǎn)人員溝通得知,抽芯內(nèi)腔由電火花加工而成,之后無其他處理便投入生產(chǎn)。追溯當(dāng)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(jù)當(dāng)時的加工工藝,電火花白亮層最深可達(dá)50μm,且電火花加工后白亮層上立即出現(xiàn)了微裂紋。由于該抽芯的內(nèi)腔采用電火花加工工藝,必然產(chǎn)生較厚的白亮層和較多的微裂紋。在實際生產(chǎn)過程中,壓鑄模具一般在較高的溫度下生產(chǎn),在每一模次的生產(chǎn)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(nèi)層產(chǎn)生熱傳遞,而內(nèi)層由于冷卻水的存在而使內(nèi)腔溫度很低,這樣抽芯內(nèi)腔附近在冷熱交替反復(fù)的環(huán)境下,微裂紋勢必擴(kuò)展而逐步發(fā)展成大量的橫向裂紋。
考慮到抽芯內(nèi)腔長期被冷卻水包圍,水質(zhì)就是普通的自來水,這樣的環(huán)境下極易發(fā)生腐蝕。橫向裂紋內(nèi)已有大量腐蝕產(chǎn)物。在抽芯的冷卻水路中,當(dāng)水溫到達(dá)60℃以上時,鈣鎂離子很容易分解結(jié)垢,當(dāng)水冷卻后,冷卻水中的微溶物質(zhì)結(jié)晶析出,在抽芯型腔內(nèi)表面結(jié)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(zhì)與H13模具鋼接觸時,因為電解質(zhì)的作用,使模具鋼表面析出Fe2+,內(nèi)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(fù)抽取的過程中,橫向裂紋不斷擴(kuò)展,最后斷裂。
2.改進(jìn)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(jìn)。以往為了提高生產(chǎn)效率,常常采用大電流加工內(nèi)腔,產(chǎn)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(qiáng)電極本身的光潔度。當(dāng)然也要考慮生產(chǎn)效率,經(jīng)過多次調(diào)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(nèi)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(chǎn)生有選擇性的陽極溶解,從而減小型腔內(nèi)表面粗糙度值,達(dá)到表面光潔的效果。
為了減少抽芯內(nèi)腔冷卻水對內(nèi)壁的腐蝕作用,在冷卻水內(nèi)添加一定量的緩蝕劑和阻垢劑。在以上措施的保護(hù)下,目前抽芯生產(chǎn)8萬余模次依舊良好,無斷裂傾向。
3.結(jié)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(chǎn)生及擴(kuò)展。
(2)在普通自來水的環(huán)境下,通冷卻水路的抽芯型腔會發(fā)生腐蝕進(jìn)而引發(fā)斷裂。在冷卻水內(nèi)添加定量的緩蝕劑和阻垢劑后,有效地減少了腐蝕的發(fā)生,延長了模具壽命。