铝型材挤压模具开裂原因分析

　　摘要：铝型材挤压模具材料为H13钢，该模具刚投入使用即发生开裂，开裂件约占总数量的一半。对开裂件进行了宏观分析、化学成分分析、硬度分析、金相分析、电子形貌分析和腐蚀产物的能谱分析后认为该模具开裂原因是由于热处理不当所造成的。

　　0、引言

　　开裂的铝合金挤压模具材质为H13钢,刚投入使用即发生开裂，开裂的模具宏观形貌见图1。

　　该模具同批生产的共计50套，开裂的有20多套，其中一部分在使用时开裂，一部分在盐浴氮化过程中开裂。模具正常使用

　　温度为480～500℃，热处理采用井式空气炉加热淬、回火，硬度范围要求为48～51HRC，热处理后进行精加工成型，然后进行盐浴氮化处理，氮化时先于300℃预热，然后于540℃保温2～3小时，结束后空冷30分钟再水冷却。

　　1、理化试验

　　1.1、宏观分析

　　切取模具开裂部位，将裂纹打开，肉眼观察，模具开裂面整体呈黑色，个别区域呈褐色，有氧化腐蚀产物覆盖并存在大量放射纹，放射纹收敛方向指向模具外圆转角部位，为开裂源区，见图2所示，其中颜色较浅、有剪切唇和开裂源区相对的区域为最后断裂区域[1]。

　　1.2、低倍检验

　　从加工该批模具的原材料上切取横向试样，磨削后进行热酸侵蚀试验，按照GB/T1979-2003评级图2进行评定，结果为：一般疏松级别小于1级，未见其它缺陷。

　　1.3、化学成分分析

　　从开裂的模具上取样做化学成分分析，结果见表1，符合技术要求。

　　1.4、硬度检验

　　从开裂的模具上取样做硬度检验，结果为：48.0HRC，47.5 HRC， 47.5HRC。

　　从模具开裂部位切取横向试样，经镶嵌、磨抛后采用300g载荷于FM-700型显微硬度计上做显微硬度梯度检查，结果见图3，可见离表层约0.1mm的范围显微硬度明显高一些，该现象主要是由于模具采用了盐浴氮处理所致。

表1 化学成分分析结果(%)

Tab.1 Analysis results of chemical composition (wt%)

图3 表层至心部硬度变化情况

Fig.3 Microhardness test results

　　1.5、金相分析

　　从裂源处切取纵向试样，经镶嵌、磨抛后置于LEICA DMLM型光学显微镜下做夹杂物检验，按照GB/T10561-2005/ISO4967：1998(E)标准A法，使用ISO评级图评定，结果为，A0.5，B0.5，C0，D1.0，可见其夹杂物级别不高。

　　从开裂面处切取纵向试样，经镶嵌、磨抛、侵蚀后置于LEICA DMLM型光学显微镜下观察，按照GB/T18254-2002评定，碳化物带状组织小于1级。

　　图4为开裂处金相组织，裂纹侧面无脱碳现象，说明模具在热处理淬火加热前还没有开裂[2];远离表面的金相组织为回火马氏体+碳化物，见图5，碳化物分布比较均匀。图6为裂纹源处的组织形貌，除看到模具次表面的氮化脉状组织外，还可以看到裂纹侧面的氮化白亮层和模具表面的氮化白亮层具有完好的连续性，说明该模具在盐浴氮化过程中裂纹已经存在。

　　1.6、电子形貌分析

　　从模具开裂部位切取试样，清洗后置于PHILIPS扫描电子显微镜下观察，开裂源区电子形貌见图7，可见有一层氧化腐蚀产物覆盖;图8为裂纹扩展区电子形貌，同样有氧化腐蚀产物覆盖;图9为最后断裂区域的电子形貌，为韧窝，无氧化腐蚀产物覆盖，分析认为该区域是模具在使用中断开的。

　　从模具开裂处切取试样，经镶嵌、磨抛后置于PHILIPS扫描电子显微镜下观察，其剖面电子形貌见图10，可以看到模具表面的氧化腐蚀产物形貌。

　　1.7、能谱分析

　　对开裂源区断裂面上的腐蚀产物(图7)采用EDAX能谱仪进行元素的半定量分析，结果见图11，含有较多的铝、钠、钾、氧、硫等元素，其中铝含量为19.74%，钠含量为15.00%，钾含量为5.29%，氧含量为1.19%，硫含量为0.34%。

图11 能谱分析谱图

Fig.11 Energy analysis spectrum of the corrosion products

　　2、结果与分析

　　以上理化试验结果可归纳为：该开裂模具化学成分符合技术要求，低倍组织正常，非金属夹杂物级别不高，金相组织正常，碳化物分布比较均匀，开裂面无脱碳现象，但硬度检验结果略低于技术要求，裂纹源处裂纹侧面的氮化白亮层和模具表面的氮化白亮层具有完好的连续性，裂源处开裂面上的腐蚀产物含有较多的铝、钠、钾、氧、硫等元素。

　　2.1化学成分分析结果、低倍检验结果以及金相组织检验结果表明生产该模具的原材料质量尚好;

　　2.2裂源处开裂面没有脱碳以及和模具表面不同的组织形貌说明该模具在热处理淬火加热前没有开裂，裂纹源处裂纹侧面的氮化白亮层和零件表面的氮化白亮层具有完好的连续性说明该模具在盐浴氮化过程中已经有裂纹存在;

　　2.3开裂面上的腐蚀产物含有较多的钠和钾元素，而这两种元素是盐浴氮化介质中的主要元素[3]，这也说明模具在盐浴氮化过程中裂纹已经存在。

　　3、结论

　　综合分析后认为，该模具开裂原因为热处理不当所致。

　　参考文献：

　　[1] 王荣，汽车主轴齿轮断裂失效分析，理化检验-物理分册[J]， 2007，43(5)，258。

　　[2] 张启军，轴销淬火裂纹的产生及预防措施，金属热处理[J]，2005，30(2)，90。#p#分页标题#e#

　　[3] JB/T9198-1999，盐浴硫、氮碳共渗[S]。