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作者:山西平陽重工機械有限公司
河南理工大學材料科學與工程學院
來源:金屬加工(熱加工)雜志
H13（4Cr5MoSiV1）它是一種廣泛應用于世界各地的熱模具鋼。它具有高熱強度和硬度、高耐磨性和韌性、良好的耐熱疲勞性能。廣泛應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、強摩擦、劇烈的冷熱循環引起的熱應力和高溫氧化，經常出現坍塌、坍塌、磨損、開裂等故障形式。
H如附表所示，熱作模具鋼的化學成分(質量分數，%)。
H13熱作模具鋼化學成分(質量分數) (%)
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
其化學成分特點：①中碳，質量分數為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和形狀，避免硫在晶界形成低熔點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可提高回火穩定性。③添加產生二次硬化的元素Mo、V。Mo、V還能防止第二類回火脆性，提高回火穩定性。
一、失效影響因素
H13鋼模故障是一個非常復雜的技術問題，可以從材料、設計、制造和使用四個方面進行分析。
1.化學成分和冶金質量
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、中心松動和白點，大大降低了模具鋼的強度、韌性和熱疲勞阻力。H根據質量質量一般分為普通鋼H13鋼和優質H13鋼。優質H13鋼由于采用了較先進的生產工藝，鋼質純凈，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，細化碳化物，組織均勻。
2.模具設計
模具的形狀尺寸應根據成型零件的材料和幾何尺寸確定，以確保模具的強度。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，容易引起過度應力集中和裂紋。因此，在模具設計中盡量避免尖角，孔、槽位置應合理布置。
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，材料導熱性差，共晶溫度低。如果你不注意，它會過熱。因此，加熱應為800~900℃預熱間隔，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，細化碳化物，組織均勻，鍛造時應反復卷曲，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，容易在心臟產生水平裂紋。H13鋼鍛后應緩慢冷卻。
(2)切割加工
切割加工的表面粗糙度對模具的熱疲勞性能有很大的影響。模具腔表面應獲得較低的表面粗糙度，無刀痕、劃痕和毛刺。這些缺陷導致應力集中，導致熱疲勞裂紋。因此，在加工模具時，應防止復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，在磨削表面產生殘余拉應力，導致模具過早失效。磨削熱引起的燒傷會使H13模具表面回火，直到產生回火馬氏體。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，當冷卻不足時，表面材料將再次奧氏體化并淬火成馬氏體，因此模具表面層會產生較高的組織應力。同時，模具表面的溫升會迅速引起熱應力，組織應力和熱應力疊加容易導致模具磨裂。
(4)電火花加工
電火花加工是現代模具制造過程中不可缺少的精加工手段。火花放電時，局部瞬時溫度高達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13鋼模具在工作中承受載荷時，這些微裂紋很容易發展成宏觀裂紋，導致早期斷裂和早期磨損。H電火花加工后，13鋼模應回火，以消除內應力，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計不當或操作不當造成的，會嚴重損害模具的承載能力，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鋼模具服務一段時間后，當累積內應力達到危險限度時，應對模具進行去應力回火，否則模具繼續服務時會因內應力開裂。
4.模具的使用和維護
(1)模具預熱
HI3.鋼合金元素含量高，導熱性差，工作前應充分預熱模具。預熱溫度過高，使用過程中溫度過高，強度下降，容易產生塑性變形，導致模具表面坍塌；預熱溫度過低，模具開始使用，即時表面溫度變化大，熱應力大，容易開裂。綜合考慮后H13鋼模具的預熱溫度確定為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)模具的冷卻和潤滑
為了減少模具的熱負荷，避免模具溫度過高，通常在模具工作期間強制冷卻，導致模具的周期性熱和冷卻會產生熱疲勞裂紋。因此，模具使用后應緩慢冷卻，否則會出現熱應力，導致模具開裂故障。H13鋼模工作時，石墨含量為12%的水基石墨可以潤滑，降低成形力，保證型腔內金屬的正常流動和鍛件的順利脫模；此外，石墨潤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鋼模具的制造應經歷設計、材料選擇、鍛造、退火、加工、熱處理等一系列工藝環節。各工藝環節的工藝設計不當或工藝操作不當會導致模具過早故障，降低模具的使用壽命。熱模具鋼經常出現裂紋、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計、材料選擇、鍛造、退火、加工和熱處理等一系列工藝環節的重要信息。
觀察和分析H13鋼模故障位置的宏觀形態特征、顯微組織和故障形式，采用金屬、材料物理和斷裂力學的理論和方法H宏觀形態特征、材料顯微組織、故障形式與模具設計、材料選擇和加工工藝之間的關系，提出科學合理的工藝改進措施。
(1)原料化學成分及冶金質量分析
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出現碳化物分析，鋼錠經鍛造和軋制后會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。對原材料化學成分和冶金質量的分析可以評估原材料是否合格，從而指導制定科學合理的鍛造工藝和熱處理工藝。
測試方法：對H13取樣鋼材原料，分析其化學成分，評估其化學成分是否符合要求；從鋼材中心切割樣品，打磨拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，檢查光學顯微鏡上的顯微組織，并根據國家相關技術標準評估碳化物偏析帶和夾雜物的等級。
(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、網狀碳化物、共晶碳化物和回火馬氏體；微區域成分分析可以確定模具故障位置的化學成分分布特征；顯微硬度分析可以確定模具故障位置的力學性能。對模具故障位置的顯微組織、顯微硬度和微區域成分進行綜合分析，揭示模具故障位置的宏觀形態特征和故障形式的微觀機制，正確評價當前的鍛造、球化退火、淬火和回火工藝，提出科學合理的工藝改進措施。
試驗方法：從模具故障位置切割樣品，打磨拋光，浸蝕4%硝酸酒精溶液，檢查光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡上的顯微組織，測量顯微硬度儀上的硬度，確定俄歇能譜分析儀上的微區成分。
三、工藝控制措施
從H可以看出13鋼的化學成分和組織特性，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必須制定科學合理的熱加工命，提高經濟效益，必須制定科學合理的熱加工工藝。
1．鍛造工藝
H13鋼合金元素含量高，導熱性差，共晶溫度低，易引起過熱。直徑大于70mm800~9000℃區間預熱，然后在始鍛溫度1065～1175℃加熱，鍛造時多次拉長，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。可按球化質量GB/T評估1299-2000標準一級圖。
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淬火，然后進行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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熱處理生態系統以熱處理為核心報告方向，重點關注影響材料、冶金、熱成型、加工如材料、冶金、熱成型、加工和結構，構建優質生態系統的概念。
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