H13鋼模具失效分析及解決措施

H13（4Cr5MoSiV1）是國際上廣泛使用的熱作模具鋼，它具有較高的熱強(qiáng)度和硬度、高的耐磨性和韌性、較好的耐熱疲勞性能，廣泛應(yīng)用于制造各種鍛模、熱擠壓模以及鋁、銅及其合金的壓鑄模。熱作模具鋼工作時(shí)承受很大的沖擊載荷、強(qiáng)烈的摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力以及高溫氧化，常常出現(xiàn)崩裂、塌陷、磨損、龜裂等失效形式。

H13熱作模具鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）如附表所示。

H13熱作模具鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

其化學(xué)成分特點(diǎn)：①中碳，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32～0.45%，以保證高硬度、高韌性和較高的熱疲勞抗力。②加入較多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si。Mn可以改變鋼在凝固時(shí)所形成的氧化物的性質(zhì)和形狀，避免硫在晶界上形成低熔點(diǎn)的FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，從而消除硫的有害影響，改善H13鋼的熱加工性能；Cr和Si可以提高回火穩(wěn)定性。③加入產(chǎn)生二次硬化的元素Mo、V。Mo、V還能防止第二類回火脆性，提高回火穩(wěn)定性。

一、失效影響因素

H13鋼模具的失效問題是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)難題，可以從材料、設(shè)計(jì)、制造和使用四個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.化學(xué)成分和冶金質(zhì)量

H13鋼屬于過共析合金鋼類型，組織中存在較多的非金屬夾雜物、碳化物偏析、中心疏松及白點(diǎn)等缺陷，在很大程度上降低模具鋼的強(qiáng)度、韌性及熱疲勞抗力。H13鋼根據(jù)質(zhì)量一般分為普通H13鋼和優(yōu)質(zhì)H13鋼。優(yōu)質(zhì)H13鋼由于采用了較先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，鋼質(zhì)純凈，組織均勻，偏析輕微，具有更高的韌性及熱疲勞性能。普通H13鋼則必須進(jìn)行改鍛，以擊碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，均勻組織。

2.模具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)根據(jù)成形零件的材料和幾何尺寸確定模塊的外形尺寸，以保證模具的強(qiáng)度。此外，過小的圓角半徑、壁厚差懸殊的扁寬薄壁截面及孔、槽位置不合適等很容易在模具熱處理和使用過程中引起過大的應(yīng)力集中而萌生裂紋。因此，在模具設(shè)計(jì)中盡量避免尖角，孔、槽位置應(yīng)合理布置。

3.制造工藝

（1）鍛造工藝

H13鋼中合金元素含量較多，鍛造時(shí)變形抗力較大，且材料的導(dǎo)熱性能較差，共晶溫度較低，稍不注意就會(huì)過燒。因此，加熱時(shí)應(yīng)在800～900℃區(qū)間預(yù)熱，然后再加熱至始鍛溫度1065～1175℃。為擊碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，均勻組織，鍛造時(shí)要反復(fù)鐓粗拔長，總鍛比大于4。在鍛造后的冷卻過程中，有產(chǎn)生淬火裂紋的傾向，易在心部產(chǎn)生橫向裂紋。因此，H13鋼鍛后應(yīng)進(jìn)行緩慢冷卻。

（2）切削加工

切削加工的表面粗糙度對(duì)模具熱疲勞性能有很大影響，模具型腔表面應(yīng)獲得較低的表面粗糙度，不能留有刀痕、劃傷和毛刺。這些缺陷引起應(yīng)力集中，誘發(fā)熱疲勞裂紋萌生。因此，在加工模具時(shí)復(fù)雜部位圓角半徑過渡處要防止留有刀痕，孔、槽邊緣和根部的毛刺要打磨掉。

（3）磨削加工

磨削過程中，局部摩擦生熱容易引起燒傷和裂紋等缺陷，并在磨削表面生成殘余拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致模具過早失效。磨削熱引起的燒傷可以使H13模具表面發(fā)生回火直至生成回火馬氏體，脆性未回火馬氏體層會(huì)大大降低模具的熱疲勞性能。如果磨削表面局部升溫達(dá)800℃以上，并且冷卻不充分時(shí)，則表層材料會(huì)被重新奧氏體化并淬火成馬氏體，因而模具表面層會(huì)產(chǎn)生很高的組織應(yīng)力，同時(shí)磨削過程中模具表面溫升極快會(huì)引起熱應(yīng)力，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加容易造成模具產(chǎn)生磨削裂紋。

（4）電火花加工

電火花加工是現(xiàn)代模具制造過程中不可缺少的精加工手段?；鸹ǚ烹姇r(shí)，局部的瞬時(shí)溫度高達(dá)1000℃以上，使放電處的金屬熔化和氣化，在電火花加工表面有一薄層被熔化而又重新凝固的金屬，其中有許多顯微裂紋。在顯微鏡下這一薄層金屬呈白亮色，即白亮層。研究表明，對(duì)于高合金化的H13鋼，電火花加工形成的表面白亮層的顯微組織為初生馬氏體、殘余奧氏體和共晶碳化物，未回火的初生馬氏體存在大量顯微裂紋。H13鋼模具在工作中承受載荷時(shí)，這些顯微裂紋很容易發(fā)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致模具易出現(xiàn)早期斷裂和早期磨損。H13鋼模具經(jīng)電火花加工后應(yīng)重新回火，以消除內(nèi)應(yīng)力，但回火溫度不要超過電火花加工前的Z高回火溫度。

（5）熱處理工藝

合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需要的力學(xué)性能，提高模具的使用壽命。但是如果因熱處理工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不當(dāng)而產(chǎn)生熱處理缺陷，將嚴(yán)重危害模具的承載能力，引起早期失效，縮短工作壽命。熱處理缺陷有過熱、過燒、脫碳、開裂、淬硬層不均勻和硬度不足等。H13鋼模具在服役一定時(shí)間后，當(dāng)積累的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到危險(xiǎn)的限度時(shí)，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行去應(yīng)力回火，否則模具在繼續(xù)服役時(shí)將會(huì)由于內(nèi)應(yīng)力引起開裂。

4.模具的使用與維護(hù)

（1）模具的預(yù)熱

HI3鋼合金元素含量較高，導(dǎo)熱性能較差，因此模具在工作前應(yīng)充分預(yù)熱。預(yù)熱溫度過高，模具在使用過程中溫度偏高，強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生塑性變形，造成模具表面塌陷；預(yù)熱溫度過低，模具開始使用時(shí)，瞬間表面溫度變化大，熱應(yīng)力大，易萌生裂紋。綜合考慮后H13鋼模具的預(yù)熱溫度確定為250～300℃，既可降低模具與鍛件的溫差以避免模具表面出現(xiàn)過大的熱應(yīng)力，又有效地減少了模具表面的塑性變形。

（2）模具的冷卻與潤滑

為減輕模具的熱負(fù)荷，避免模具溫度過高，通常在模具工作的間歇對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制性冷卻，由此造成模具周期性的激熱、激冷作用將會(huì)產(chǎn)生熱疲勞裂紋。因此，模具使用結(jié)束后應(yīng)緩慢冷卻，否則將會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，從而引起模具的開裂失效。H13鋼模具工作時(shí)可采用石墨含量為12％的水基石墨進(jìn)行潤滑，降低成形力，保證金屬在型腔中正常流動(dòng)和鍛件順利脫模；此外，石墨潤滑劑還具有散熱作用，可以降低H13鋼模具的工作溫度。

二、失效分析方案

H13鋼模具的制造要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、選材、鍛造、退火、機(jī)加工和熱處理等到一系列工藝環(huán)節(jié)，每一工藝環(huán)節(jié)的工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或工藝操作不當(dāng)都會(huì)造成模具過早失效，降低模具使用壽命。熱作模具鋼常常出現(xiàn)崩裂、塌陷、磨損和龜裂等失效形式，熱作模具鋼的失效形式、程度和位置記錄了設(shè)計(jì)、選材、鍛造、退火、機(jī)加工和熱處理等到一系列工藝環(huán)節(jié)中的重要信息。

觀察和分析H13鋼模具的失效位置處的宏觀形貌特征、顯微組織及失效形式，運(yùn)用金屬學(xué)、材料物理及斷裂力學(xué)的理論和方法提示H13鋼模具失效位置處的宏觀形貌特征、材料顯微組織及失效形式與模具設(shè)計(jì)、選材、加工工藝之間的關(guān)系，從而提出科學(xué)合理的工藝改進(jìn)措施。

（1）原材料化學(xué)成分和冶金質(zhì)量分析

提高H13鋼的潔凈度，特別降低硫含量是提高H13鋼模具壽命的有效措施。優(yōu)質(zhì)H13鋼的硫含量在0.005～0.008%之間。H13鋼是合金元素含量較高的過共析鋼，在冶煉、鑄造時(shí)會(huì)出現(xiàn)碳化物偏析，鋼錠經(jīng)鍛軋后形成粗大的碳化物偏析帶。碳化物偏析帶和鑄造殘留的樹枝晶、縮孔、疏松和夾雜直接影響H13鋼模具的組織及性能，是模具早期失效的重要原因之一。對(duì)原材料化學(xué)成分和冶金質(zhì)量的分析可以評(píng)定原材料是否合格，從而用來指導(dǎo)制定科學(xué)合理的鍛造工藝和熱處理工藝。

試驗(yàn)方法：對(duì)H13鋼材原材料進(jìn)行取樣，分析其化學(xué)成分，評(píng)定其化學(xué)成分是否符合要求；從鋼材中心部位切取試樣，打磨、拋光，采用4％硝酸酒精溶液浸蝕，在光學(xué)顯微鏡上檢查顯微組織，按國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳化物偏析帶等級(jí)、夾雜物等級(jí)做出評(píng)定。

（2）模具顯微組織分析

顯微組織分析可確定模具失效位置是否存在碳化物偏析帶，大塊非金屬夾雜、網(wǎng)狀碳化物、共晶碳化物及回火馬氏體；微區(qū)成分分析可確定模具失效位置的化學(xué)成分分布特點(diǎn)；顯微硬度分析可確定模具失效位置的力學(xué)性能。綜合分析模具失效位置處的顯微組織、顯微硬度和微區(qū)成分，揭示模具失效位置處的宏觀形貌特征及失效形式的微觀機(jī)理，正確評(píng)價(jià)現(xiàn)行的鍛造、球化退火，淬火和回火工藝，從而提出科學(xué)合理的工藝改進(jìn)措施。

試驗(yàn)方法：從模具失效位置切取試樣，打磨、拋光，采用4％硝酸酒精溶液浸蝕、在光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡上檢查顯微組織，在顯微硬度儀上測(cè)量硬度，在俄歇能譜分析儀上確定微區(qū)成分。

三、工藝控制措施

從H13鋼的化學(xué)成分和組織特點(diǎn)可以看出，熱加工工藝對(duì)H13鋼模具的組織和性能有很大影響，為防止H13鋼模具早期失效、延長使用壽命和提高經(jīng)濟(jì)效益，必須制定科學(xué)合理的熱加工工藝。

1．鍛造工藝

H13鋼合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，共晶溫度比較低，容易引起過燒。對(duì)于直徑大于Ø70mm的坯料，應(yīng)先在800～900℃區(qū)間預(yù)熱，然后在始鍛溫度1065～1175℃加熱，鍛造時(shí)進(jìn)行多次拔長鐓粗，總鍛比大于4。

2．球化退火工藝

球化退火工藝的目的是均勻組織，降低硬度，改善切削加工性能，為淬火和回火做組織準(zhǔn)備。球化退火工藝是在845～900℃保溫（1h+1min）/mm，然后爐冷至720～740℃等溫（2h+1min）/mm，Z后爐冷至500℃出爐空冷，球化退火組織為粒狀珠光體，硬度小于229HBS。球化質(zhì)量可按GB/T1299-2000標(biāo)準(zhǔn)Z級(jí)別圖進(jìn)行評(píng)定。

3. 淬火和回火工藝

H13鋼的Z佳熱處理工藝是1020～1080℃加熱后油冷淬火或分級(jí)淬火，然后進(jìn)行560～600℃兩次回火，顯微組織為回火托氏體+回火索氏體+剩余碳化物，顯微硬度為48～52HRC。對(duì)于要求熱硬性高的模具（壓鑄模）可取上限加熱溫度淬火。對(duì)于要求韌性為主的模具（熱鍛模）可取下限加熱溫度淬火。