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(yīng)用于鍛造行業(yè)。本文通過對(duì)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(cè)，分析其故障原因，作為調(diào)整熱處理過程的基礎(chǔ)，避免類似問題的再次發(fā)生，也為類似企業(yè)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(qiáng)度好，抗氧化性能好。廣泛應(yīng)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(xué)性能、組織與熱處理有密切的聯(lián)系，其使用條件較為惡劣，一般在400 ～600℃兩者之間使用。實(shí)踐表明，模具在使用過程中應(yīng)充分預(yù)熱、冷卻和潤(rùn)滑。當(dāng)熱處理過程不好時(shí)，會(huì)造成H13 熱作模具鋼早期斷裂失效，給企業(yè)造成一定損失。H13 鍛造過程中出現(xiàn)了這樣的問題，如圖1 所示。圖1
開裂模具的外觀檢測(cè)H13 鋼模在使用過程中開裂，用火焰氣切割槍切割其中一個(gè)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(duì)平整。圖中的空洞是金相樣品的切割位置。金相檢測(cè)在圖2 所示的位置取樣，大小為10mm×10mm×15 mm，檢測(cè)表面與斷裂表面平行。拋光試樣后，在光學(xué)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(jīng)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(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。樣品金相組織評(píng)級(jí)，金相組織在2 級(jí)至3 級(jí)之間，淬火回火組織較好。圖2 斷裂截面
圖3 500 倍光學(xué)顯微鏡金相組織圖和局部放大圖
硬度測(cè)試將金相顯示面作為硬度測(cè)試面，隨機(jī)取三點(diǎn)，測(cè)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(yīng)以均勻細(xì)小的奧氏體為原則，以便淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。從圖2 可以看出，金相組織的評(píng)級(jí)可以評(píng)為2 級(jí)。淬火回火組織良好，表面無明顯夾雜和偏析。可預(yù)測(cè)鋼錠材料相對(duì)純凈，早期熱處理工藝效果良好。硬度分析⑴淬火溫度對(duì)H13 鋼的硬度。淬火溫度對(duì)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(shí)，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(guān)系曲線
⑵回火溫度對(duì)H13 鋼的硬度影響。從圖6 回火溫度對(duì)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(dá)到峰值后呈下降趨勢(shì)，二次硬化現(xiàn)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(shí)不再滿足模具鋼的硬度要求。圖6 H13 鋼回火溫度對(duì)硬度的影響
從圖7 鋼在620℃從保溫時(shí)間對(duì)硬度的影響曲線中可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，H13 鋼的硬度逐漸降低。不保溫時(shí)，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(wěn)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(shí)間對(duì)硬度的影響
根據(jù)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(shí)間短等。H13 鋼硬度高，回火不足可能導(dǎo)致模具硬度分布不均勻。在熱處理過程中，由于操作不當(dāng)或爐溫控制問題，模具淬火回火后硬度高，進(jìn)一步影響模具的沖擊韌性，最終使顯微組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，殘余內(nèi)應(yīng)力過大，外力易開裂，導(dǎo)致模具早期故障斷裂。防止模具故障的措施⑴預(yù)熱模具H13 鋼合金元素導(dǎo)熱性差，預(yù)熱溫度低，模具熱應(yīng)力大，易開裂，需要充分預(yù)熱，但預(yù)熱溫度過高也會(huì)影響其機(jī)械性能，導(dǎo)致塑性變形，一般預(yù)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(shí)間后，模具溫度過高，低于使用強(qiáng)度要求。因此，需要強(qiáng)制冷卻到合理的溫度。快速和快速的冷卻會(huì)導(dǎo)致模具的熱疲勞裂紋。使用后應(yīng)緩慢冷卻，避免熱應(yīng)力。⑶模具的潤(rùn)滑。對(duì)于鍛造模具，在使用過程中需要潤(rùn)滑石墨和碳粉，以降低其成形力，確保材料的正常流動(dòng)，避免膨脹和開裂，確保鍛件的順利脫模。同時(shí)，石墨還具有散熱作用。在模具生產(chǎn)和使用過程中，化學(xué)成分和冶金質(zhì)量、模具設(shè)計(jì)、制造工藝、模具維護(hù)和使用等因素可能導(dǎo)致模具故障。合理的熱處理工藝可使模具具有優(yōu)異的綜合力學(xué)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，將嚴(yán)重?fù)p害模具的承載能力，導(dǎo)致早期故障，縮短工作壽命。本文通過研究和分析確認(rèn)了產(chǎn)品H13 鋼模斷裂為脆性斷裂，原因是熱處理工藝不合理，導(dǎo)致模具整體硬度高，硬度分布不均勻，導(dǎo)致模具沖擊韌性極低，導(dǎo)致早期故障斷裂。找出模具故障的原因，作為熱處理部門調(diào)整熱處理過程的基礎(chǔ)，避免類似問題的再次發(fā)生。作者簡(jiǎn)介
徐繼羅，工程師，主要從事煤機(jī)及汽車配件鍛造產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)和研發(fā)工作，主持完成的“重汽配件減震端板鍛件”項(xiàng)目獲得山東省企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)秀成果二等獎(jiǎng)，擁有發(fā)明專利一項(xiàng)，實(shí)用新型專利四項(xiàng)。
—— 來源:2020年第一期鍛造沖壓更多材料及技術(shù)問題請(qǐng)咨詢 張經(jīng)理：13952444299 (微信同號(hào))
