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作者:山西平陽(yáng)重工機(jī)械有限公司
河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
來源:金屬加工(熱加工)雜志
H13（4Cr5MoSiV1）它是一種廣泛應(yīng)用于世界各地的熱模具鋼。它具有高熱強(qiáng)度和硬度、高耐磨性和韌性、良好的耐熱疲勞性能。廣泛應(yīng)用于制造各種鍛造模具、熱擠壓模具、鋁、銅及其合金的壓鑄模具。熱模具鋼在工作過程中承受著巨大的沖擊載荷、強(qiáng)摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力和高溫氧化，經(jīng)常出現(xiàn)坍塌、坍塌、磨損、開裂等故障形式。
H如附表所示，熱作模具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。
H13熱作模具鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
C
Cr
Mo
V
Si
Mn
P
S
0.32～0.45
4.75～5.55
1.10～1.75
0.80～1.20
0.80～1.20
0.20～0.50
≤0.03
≤0.03
其化學(xué)成分特點(diǎn)：①中碳，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32～0.為保證高硬度、高韌性、高熱疲勞抗力，45%。②添加更多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si。Mn可改變鋼在凝固過程中形成的氧化物的性質(zhì)和形狀，避免硫在晶界形成低熔點(diǎn)FeS，具有一定塑性的MnS為了消除硫的有害影響，改善硫的存在H13鋼的熱加工性能；Cr和Si可提高回火穩(wěn)定性。③添加產(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鋼模故障是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)問題，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鋼是一種過分析合金鋼。組織中存在許多缺陷，如非金屬夾雜物、碳化物分析、中心松動(dòng)和白點(diǎn)，大大降低了模具鋼的強(qiáng)度、韌性和熱疲勞阻力。H根據(jù)質(zhì)量質(zhì)量一般分為普通鋼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鋼必須改鍛，以粉碎大塊非金屬夾雜物，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，組織均勻。
2.模具設(shè)計(jì)
模具的形狀尺寸應(yīng)根據(jù)成型零件的材料和幾何尺寸確定，以確保模具的強(qiáng)度。此外，在模具熱處理和使用過程中，圓角半徑過小、壁厚差異較大的平寬薄壁截面、孔、槽位置不合適，容易引起過度應(yīng)力集中和裂紋。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鋼中合金元素含量高，鍛造過程中變形阻力大，材料導(dǎo)熱性差，共晶溫度低。如果你不注意，它會(huì)過熱。因此，加熱應(yīng)為800~900℃預(yù)熱間隔，然后加熱至鍛造溫度1065~175℃。為了粉碎大型非金屬混合物，消除碳化物分析，細(xì)化碳化物，組織均勻，鍛造時(shí)應(yīng)反復(fù)卷曲，總鍛造比大于4。在鍛造后的冷卻過程中，有淬火裂紋的傾向，容易在心臟產(chǎn)生水平裂紋。H13鋼鍛后應(yīng)緩慢冷卻。
(2)切割加工
切割加工的表面粗糙度對(duì)模具的熱疲勞性能有很大的影響。模具腔表面應(yīng)獲得較低的表面粗糙度，無刀痕、劃痕和毛刺。這些缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中，導(dǎo)致熱疲勞裂紋。因此，在加工模具時(shí)，應(yīng)防止復(fù)雜部位的圓角半徑過渡處留下刀痕，并拋光孔、槽邊和根部的毛刺。
(3)磨削加工
磨削過程中，局部摩擦熱容易引起燒傷、裂紋等缺陷，在磨削表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致模具過早失效。磨削熱引起的燒傷會(huì)使H13模具表面回火，直到產(chǎn)生回火馬氏體。脆性未回火馬氏體層將大大降低模具的熱疲勞性能。如果磨削表面局部加熱800℃以上，當(dāng)冷卻不足時(shí)，表面材料將再次奧氏體化并淬火成馬氏體，因此模具表面層會(huì)產(chǎn)生較高的組織應(yīng)力。同時(shí)，模具表面的溫升會(huì)迅速引起熱應(yīng)力，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加容易導(dǎo)致模具磨裂。
(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。火花放電時(shí)，局部瞬時(shí)溫度高達(dá)1萬℃以上，放電處的金屬熔化氣化。電火花加工表面有一層薄薄的熔化和再凝固的金屬，其中有許多微裂紋。顯微鏡下的薄金屬呈白色，即白色。研究表明，對(duì)于高合金化H13鋼、電火花加工形成的表面白亮層顯微組織為初生馬氏體、殘余奧氏體和共晶碳化物，未回火初生馬氏體有大量顯微裂紋。H當(dāng)13鋼模具在工作中承受載荷時(shí)，這些微裂紋很容易發(fā)展成宏觀裂紋，導(dǎo)致早期斷裂和早期磨損。H電火花加工后，13鋼模應(yīng)回火，以消除內(nèi)應(yīng)力，但回火溫度不得超過電火花加工前的最高回火溫度。
(5)熱處理工藝
合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需的機(jī)械性能，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(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不當(dāng)造成的，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害模具的承載能力，造成早期故障，縮短工作壽命。熱處理缺陷包括過熱、過熱、脫碳、開裂、淬火層不均勻和硬度不足。H13鋼模具服務(wù)一段時(shí)間后，當(dāng)累積內(nèi)應(yīng)力達(dá)到危險(xiǎn)限度時(shí)，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行去應(yīng)力回火，否則模具繼續(xù)服務(wù)時(shí)會(huì)因內(nèi)應(yīng)力開裂。
4.模具的使用和維護(hù)
(1)模具預(yù)熱
HI3.鋼合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，工作前應(yīng)充分預(yù)熱模具。預(yù)熱溫度過高，使用過程中溫度過高，強(qiáng)度下降，容易產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致模具表面坍塌；預(yù)熱溫度過低，模具開始使用，即時(shí)表面溫度變化大，熱應(yīng)力大，容易開裂。綜合考慮后H13鋼模具的預(yù)熱溫度確定為250～300℃，不僅可以降低模具與鍛件之間的溫差，避免模具表面的過熱應(yīng)力，還可以有效地減少模具表面的塑性變形。
(2)模具的冷卻和潤(rùn)滑
為了減少模具的熱負(fù)荷，避免模具溫度過高，通常在模具工作期間強(qiáng)制冷卻，導(dǎo)致模具的周期性熱和冷卻會(huì)產(chǎn)生熱疲勞裂紋。因此，模具使用后應(yīng)緩慢冷卻，否則會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致模具開裂故障。H13鋼模工作時(shí)，石墨含量為12%的水基石墨可以潤(rùn)滑，降低成形力，保證型腔內(nèi)金屬的正常流動(dòng)和鍛件的順利脫模；此外，石墨潤(rùn)滑劑還具有散熱作用，可以減少H13鋼模工作溫度。
二、失效分析方案
H13鋼模具的制造應(yīng)經(jīng)歷設(shè)計(jì)、材料選擇、鍛造、退火、加工、熱處理等一系列工藝環(huán)節(jié)。各工藝環(huán)節(jié)的工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或工藝操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致模具過早故障，降低模具的使用壽命。熱模具鋼經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、坍塌、磨損、裂紋等故障形式。熱模具鋼的故障形式、程度和位置記錄了設(shè)計(jì)、材料選擇、鍛造、退火、加工和熱處理等一系列工藝環(huán)節(jié)的重要信息。
觀察和分析H13鋼模故障位置的宏觀形態(tài)特征、顯微組織和故障形式，采用金屬、材料物理和斷裂力學(xué)的理論和方法H宏觀形態(tài)特征、材料顯微組織、故障形式與模具設(shè)計(jì)、材料選擇和加工工藝之間的關(guān)系，提出科學(xué)合理的工藝改進(jìn)措施。
(1)原料化學(xué)成分及冶金質(zhì)量分析
提高H13鋼的潔凈度，特別降低硫含量是提高H13鋼模壽命有效措施。H13鋼硫含量為0.005～0.008%之間。H13鋼是一種合金元素含量高的過分析鋼，在冶煉和鑄造過程中會(huì)出現(xiàn)碳化物分析，鋼錠經(jīng)鍛造和軋制后會(huì)形成粗碳化物分析帶。碳化物分析帶直接影響鑄造殘留的樹枝晶體、縮孔、松散和混合物H13鋼模的組織和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)估原材料是否合格，從而指導(dǎo)制定科學(xué)合理的鍛造工藝和熱處理工藝。
測(cè)試方法：對(duì)H13取樣鋼材原料，分析其化學(xué)成分，評(píng)估其化學(xué)成分是否符合要求；從鋼材中心切割樣品，打磨拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，檢查光學(xué)顯微鏡上的顯微組織，并根據(jù)國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估碳化物偏析帶和夾雜物的等級(jí)。
(2)模具顯微組織分析
顯微組織分析可以確定模具故障位置是否有碳化物分析帶、大型非金屬混合物、網(wǎng)狀碳化物、共晶碳化物和回火馬氏體；微區(qū)域成分分析可以確定模具故障位置的化學(xué)成分分布特征；顯微硬度分析可以確定模具故障位置的力學(xué)性能。對(duì)模具故障位置的顯微組織、顯微硬度和微區(qū)域成分進(jìn)行綜合分析，揭示模具故障位置的宏觀形態(tài)特征和故障形式的微觀機(jī)制，正確評(píng)價(jià)當(dāng)前的鍛造、球化退火、淬火和回火工藝，提出科學(xué)合理的工藝改進(jìn)措施。
試驗(yàn)方法：從模具故障位置切割樣品，打磨拋光，浸蝕4%硝酸酒精溶液，檢查光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡上的顯微組織，測(cè)量顯微硬度儀上的硬度，確定俄歇能譜分析儀上的微區(qū)成分。
三、工藝控制措施
從H可以看出13鋼的化學(xué)成分和組織特性，熱加工工藝正確H為了防止13鋼模的組織和性能受到很大影響H必須制定科學(xué)合理的熱加工命，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，共晶溫度低，易引起過熱。直徑大于70mm800~9000℃區(qū)間預(yù)熱，然后在始鍛溫度1065～1175℃加熱，鍛造時(shí)多次拉長(zhǎng)，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，提高切削性能，為淬火和回火做準(zhǔn)備。球化退火工藝為845~900℃保溫（1h 1min）/mm，然后冷至720~740℃等溫（2h 1min）/mm，最后爐冷至500℃球化退火組織為粒狀珠光體，硬度小于229HBS。可按球化質(zhì)量GB/T評(píng)估1299-2000標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)圖。
3. 淬火回火工藝
H13鋼的最佳熱處理工藝是1020~1080℃加熱油冷淬火或分級(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)于需要高熱硬度的模具（壓鑄模具），可采用上限加熱溫度淬火。對(duì)于需要韌性的模具（熱鍛模），可采用下限加熱溫度淬火。
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