电火花加工白亮层致模具破裂

                      刘小阳 (禾盛金属科技有限公司，广东东莞，512398 )

摘  要：DC53钢用于制作粉未冶金压坏模具，用电火花加工模具型腔，由于电参数不佳和冷却不充分，在型腔

表面产生很厚的白亮层，导致模具早期疲劳破裂。白亮层的本质是纳米晶淬火马氏体，晶格畸变大，内应力大；

另一方面，模具几何尺寸如尖角效应，也产生局部应力集中。因此，在模具型腔所有尖角处，都有两种内应力

叠加，致使模具在所有尖角处都产生裂纹，形成多源疲劳断裂。

关健词：白亮层；尖角；疲劳断裂；型腔；纳米晶；淬火马氏体；电火花加工

    失效的粉未冶金压坯模具如图1所示，凸模上有两个长方形的孔，见图1(b)端面，两个长方形孔是用电火花加工出来的，设计要求模具寿命30万次以上，但该批模具都只用2～3万次，由于破裂而早期失效。模具材料DC53(进口钢材)主要成份：1.0%C+8.0%Cr+2.0%Mo+0.3%V+1.0%Si+0.3%Mn+(≤1%W )。主要制造过程：切削(冷)加工→热处理→电火花加工或线切割型腔→精磨。热处理工艺：1030℃加热45分钟，500℃回火三次，硬度：59.5HRC。

1  检验与结果

1.1 宏观检验

    用目视和5倍放大镜观察失效模具外观和断口。从图1(b)可见模具底座端面宏观裂纹的状况十分严重。两个长方形型腔共8个尖角，有6个尖角处与裂纹相连，裂纹还沿纵向扩展如箭头B，也有裂纹不经过尖角的如箭头A所指。从端面看，除箭头A所指裂纹外，其他都是穿透性裂纹(从头裂到尾)，但裂纹源(头)在什么地方，还不能判定。

1.2 宏观断口检验

正如上面所述，都是穿透性裂纹，只要用小力就可以瓣开裂纹获得断口面，断口很多个(粉碎性破裂)，都很清晰，其特征几乎都一样，选取其中一个断口面如图2，为进一步分析对象。

图1  模具外观(a)纵向(b)端面

图2  失效模具宏观断口

(C)疲劳源，箭头所指；(D)疲劳裂纹慢速扩展区；(E)疲劳裂纹快速扩展区；(F)瞬断区

    图2所示是一个典型的疲劳断口，它可分四个区。

    裂纹起源区如箭头C所指，显然是在尖角处；裂纹慢速扩展(光滑)区如D所指;裂纹快速扩展(粗糙)区如E所指；静断区如箭头F所指。

    疲劳慢速扩展区D的面积比较大，静断区面积很小，表明材料韧性比较好，或外力比较小，但与模具外观表现出粉碎性破裂特征有矛盾。在一般情况下，脆性大的材料或很大的外力作用，才可能会出现粉碎性破断的特征，如此矛盾将在后面讨论。

1.3 微观检验

    用普通光学显微镜和扫描电子显微镜分析显微组织和断口面。

    断口微观((SEM)检验，图2显示了疲劳断口宏观特征，一般目视就可看出疲劳起源什么地方。裂纹源起于尖角处即箭头C所指。

    尖角处成为疲劳裂纹的起源，原因有几种可能，如尖角处过度圆弧尺寸太小，很大应力集中引起裂纹;在尖角处材料有明显缺陷(缺陷本身就是裂纹)或其他原因。其他原因是指；如尖角处的金相组织不合谐(不协调)，硬度太高或太软，都会使应力分布不平衡(应力集中)。

    图3显示尖角处疲劳源区和最后静断区(人工敲断)SEM特征。从扫描电镜上看裂纹源，没有发现材质上的缺陷，静断区的断裂形式，以准解理为主，表明材料的脆断倾向性也比较小。

    金相与硬度检验，样品取自图1H所示之处，取自此处的金相样品，两边都有电火花加工的影响，镶嵌后磨制金相样品。硬度59～60HRC，符合图纸要求的硬度。

    显微组织如图4所示，显微组织比较复杂，分三层，基体、白亮层K和过渡层。基体是回火马氏体十碳化物，没有明显的组织缺陷。

    表层是白亮层如图4中所示。白亮层的厚度特厚，竟达40～5Omm，而且在白亮层表面有微裂纹如箭头J所指。白亮层本身是一种组织缺陷，而厚度竟达40～5Omm，这是一种严重组织缺陷，再加上有微裂纹，更为严重。

图3  断口微观( SEM)特征

图4  模具的白亮层组织

2  分析讨论

    白亮层的产生，电火花加工引起型腔表面淬火。白亮层的本质是纳米级的超细晶粒淬火马氏体，硬度高达1500～2000HV，而且抗回火，当回火温度600～700℃才转变成回火马氏体，但硬度仍在600～800HV，白亮层的回火温度远超过基体的正常回火温度，所以白亮层一旦形成，就不可用热处理的办法消除。

    模具的型腔，只要是用线切割或电火花进行机加工，就会产生白亮层。白亮层的厚度与型腔加工电流有关，线切割或电火花加工电流越大，白亮层越厚，危害越大，在尖角处有很厚的白亮层，危害更大。

    在生产上为了提高生产效率，常用大电流进行加工型腔，产生的白亮层很厚，为了减少白亮层的影响，必须再用小电流精加工，将白亮层厚度减到最小程度(1～2mm) 。

    白亮层是超细淬火马氏体，点阵畸变大引起内应力，白亮层越厚，内应力也越大。另一方面，型腔尖角引起内应力局部集中，尖角越尖锐，应力集中越大。因此，在型腔尖角处，有两种内应力叠加。即使外力小和材质很好，也难免在大部分尖角或全部尖角处开裂，这是粉碎性破裂的根本原因。

    如果材料的脆性大，一当然裂纹产生(达到临界扩展尺寸)立即快速扩展，不会发生疲劳断裂，至少不会有明显的慢速扩展区。而该失效模具断口的慢速扩展区面积所占比例大，而静断面积很小，说明材料脆性不大或作用外力很小，换句话说热处理质量是好的，而服役(使用)条件也是正常的(过载的可能性小)。

3  结论

    失效模具的硬度和显微组织都符合要求，而不符合要求的是白亮层太厚且有裂纹，这是因为用大电流电火花加工而冷却又不良所致。白亮层的表面还有裂纹，裂纹传到基体，形成疲劳源。