H13熱模鋼開裂失效問題分析
H13 鋼是C-Cr-Mo-Si-V 型鋼廣泛應用于鍛造行業。本文通過對斷裂失效的解決H13 模具鋼的硬度、宏觀形狀和顯微組織檢測，分析其故障原因，作為調整熱處理過程的基礎，避免類似問題的再次發生，也為類似企業H13 熱作模具鋼處理類似故障問題提供參考。
H13 鋼屬于熱模鋼，韌性高，耐冷熱疲勞，熱強度好，抗氧化性能好。廣泛應用于熱擠壓、模鍛、輥鍛、軋制、壓鑄等模具中。H13 熱作模具鋼的力學性能、組織與熱處理有密切的聯系，其使用條件較為惡劣，一般在400 ～600℃兩者之間使用。實踐表明，模具在使用過程中應充分預熱、冷卻和潤滑。當熱處理過程不好時，會造成H13 熱作模具鋼早期斷裂失效，給企業造成一定損失。H13 鍛造過程中出現了這樣的問題，如圖1 所示。圖1
開裂模具的外觀檢測H13 鋼模在使用過程中開裂，用火焰氣切割槍切割其中一個部分，如圖2 所示。從斷裂形狀來看，裂紋源靠近金相切口位置，斷裂面相對平整。圖中的空洞是金相樣品的切割位置。金相檢測在圖2 所示的位置取樣，大小為10mm×10mm×15 mm，檢測表面與斷裂表面平行。拋光試樣后，在光學顯微鏡下觀察未腐蝕的試樣，無明顯夾雜痕跡。試樣用5%硝酸酒精腐蝕后，經腐蝕處理H13 鋼金相圖，如圖3 所示。GB/T 8420-2008 熱作模具鋼金相組織評級標準。樣品金相組織評級，金相組織在2 級至3 級之間，淬火回火組織較好。圖2 斷裂截面
圖3 500 倍光學顯微鏡金相組織圖和局部放大圖
硬度測試將金相顯示面作為硬度測試面，隨機取三點，測量硬度65HRC、72HRC、67HRC，平均硬度為68HRC。鋼含碳量及淬火鋼硬度曲線圖如圖4 所示。H13 鋼的淬火硬度為55HRC 左右，可判斷淬火硬度過高。圖4 鋼含碳量和淬火鋼硬度曲線
模具開裂原因分析及措施組織分析淬火加熱溫度H13 鋼的組織有很大的影響。淬火加熱溫度的選擇應以均勻細小的奧氏體為原則，以便淬火后獲得細小的馬氏體組織。從圖2 可以看出，金相組織的評級可以評為2 級。淬火回火組織良好，表面無明顯夾雜和偏析。可預測鋼錠材料相對純凈，早期熱處理工藝效果良好。硬度分析⑴淬火溫度對H13 鋼的硬度。淬火溫度對H13從圖5 可以看出，隨著淬火溫度的升高， 鋼硬度的影響，H13 鋼的硬度也增加了，主要原因是：一方面，淬火溫度、冷卻速度、組織中形成的馬氏體含量一方面，隨著淬火溫度的提高，合金碳化物的溶解加速，淬火后馬氏體中的碳和合金元素增加H13 淬火后的硬度自然提高然提高。淬火溫度為1100℃時，H13 鋼硬度最大，提高了H13 鋼的耐磨性有利，但在鋼基體上容易開裂。圖5 H13 鋼硬度與淬火溫度的關系曲線
⑵回火溫度對H13 鋼的硬度影響。從圖6 回火溫度對硬度的影響曲線可以看出，隨著回火溫度的升高，H13 鋼的回火硬度先降低，然后逐漸增加，達到峰值后呈下降趨勢，二次硬化現象明顯，二次硬化的峰值溫度在350℃，隨著回火溫度的不斷升高，H13 鋼的硬度下降到33.6HRC，此時不再滿足模具鋼的硬度要求。圖6 H13 鋼回火溫度對硬度的影響
從圖7 鋼在620℃從保溫時間對硬度的影響曲線中可以看出，隨著保溫時間的延長，H13 鋼的硬度逐漸降低。不保溫時，H13 鋼的硬度接近50HRC，而保溫22h 以后，H13 鋼的硬度降低到35HRC。模具鋼的熱穩定性是鋼淬火后獲得一定硬度后的加熱保溫過程。因此，隨著保溫時間的延長，H13 鋼的硬度不斷下降，主要是由于碳、鉻等合金元素的固溶性降低，碳化物脫溶沉淀。圖7 H13 鋼回火保溫時間對硬度的影響
根據H13 鋼的碳含量和淬火鋼的硬度曲線可以看出，淬火溫度過高或回火溫度溫時間短等。H13 鋼硬度高，回火不足可能導致模具硬度分布不均勻。在熱處理過程中，由于操作不當或爐溫控制問題，模具淬火回火后硬度高，進一步影響模具的沖擊韌性，最終使顯微組織處于不穩定狀態，殘余內應力過大，外力易開裂，導致模具早期故障斷裂。防止模具故障的措施⑴預熱模具H13 鋼合金元素導熱性差，預熱溫度低，模具熱應力大，易開裂，需要充分預熱，但預熱溫度過高也會影響其機械性能，導致塑性變形，一般預熱溫度為250 ~300℃。⑵冷卻模具H13 鋼的使用條件溫度較高。使用一定時間后，模具溫度過高，低于使用強度要求。因此，需要強制冷卻到合理的溫度。快速和快速的冷卻會導致模具的熱疲勞裂紋。使用后應緩慢冷卻，避免熱應力。⑶模具的潤滑。對于鍛造模具，在使用過程中需要潤滑石墨和碳粉，以降低其成形力，確保材料的正常流動，避免膨脹和開裂，確保鍛件的順利脫模。同時，石墨還具有散熱作用。在模具生產和使用過程中，化學成分和冶金質量、模具設計、制造工藝、模具維護和使用等因素可能導致模具故障。合理的熱處理工藝可使模具具有優異的綜合力學性能，提高模具的使用壽命。但如果熱處理缺陷是由于熱處理工藝設計不當或操作不當造成的，將嚴重損害模具的承載能力，導致早期故障，縮短工作壽命。本文通過研究和分析確認了產品H13 鋼模斷裂為脆性斷裂，原因是熱處理工藝不合理，導致模具整體硬度高，硬度分布不均勻，導致模具沖擊韌性極低，導致早期故障斷裂。找出模具故障的原因，作為熱處理部門調整熱處理過程的基礎，避免類似問題的再次發生。作者簡介
徐繼羅，工程師，主要從事煤機及汽車配件鍛造產品的工藝設計和研發工作，主持完成的“重汽配件減震端板鍛件”項目獲得山東省企業技術創新優秀成果二等獎，擁有發明專利一項，實用新型專利四項。
—— 來源:2020年第一期鍛造沖壓更多材料及技術問題請咨詢 張經理：13952444299 (微信同號)
