王明 ， 馬黨參 ， 周健 ， 遲宏宵 ， 建清 ( 昆明理工大學材料科學與工程學院鋼鐵研究所特殊鋼鐵研究所 )
某廠采用H13 鋼鋁合金壓鑄模具合金壓鑄模具表面出現肉眼可見裂紋，導致模具早期失效。為了找出故障原因， 避免或減少了此類生產事故的重復發生，對模具進行了開裂故障分析。H13 鋼具有較高的熱強度和硬度， 在中溫條件下具有良好的韌性、熱疲勞和一定的耐磨性。該鋼廣泛應用于制造熱擠壓模具、模鍛錘模具、鍛造壓力機模具、精密鍛造機模具、鋁、銅及其合金的壓鑄模具。當用于壓鑄模具時，材料不斷承受高速、高壓噴射、金屬沖刷腐蝕和加熱， 必須具有良好的耐熱疲勞、紅色硬度和耐高溫液體金屬的沖刷和腐蝕性能，但也應具有良好的工藝性能。一般來說，要求H13 材料在不同溫度條件下具有高強度、韌性、硬度和熱穩定性，這些力學性能主要由鋼的化學成分、冶煉加工和熱處理決定。本文從上述決定模具性能的因素對開裂模具進行了必要的檢查和分析，以找出開裂的原因并提出改進措施。
1 試驗材料及方法
本試驗鋁合金熱壓鑄模具在試模階段表面出現肉眼可見裂紋， 從模腔失效部位切割100mm×90mm 樣品，如圖1所示(a)所示，上端為臺階面，為成型接觸面。臺階端面有兩種形式的裂紋，見圖1 (b)：一是臺階過渡面裂紋，沿準65mm臺階表面過渡圓開裂，環繞圓圈；另一種是棱角向內擴展裂紋，從35歲開始mm 圓周邊緣萌生，在臺階表面和倒錐表面擴展。為了分析模具開裂的原因， 采用電火花線切割取樣，取樣位置如圖1所示(c)其中，1#、2# 樣品分別用作心部金相樣品的材料#、4# 樣品為裂紋分析樣品。為了研究故障模具的沖擊韌性，利用電火花線切割設備從剩余樣品中切割3 標準夏比V 型缺口沖擊樣(10mm×10mm×55mm)。4%硝酸酒精溶液腐蝕金相樣品； LEICAMEF4M 光學顯微鏡及SISCIAS8.0 金相圖像分析軟件分別進行圖像采集和分析； 用TIMETH用300洛氏硬度計測量硬度；FEIquanta650FEG 熱場發射掃描電鏡SEM 照片采集及EDS 分析。2 試驗結果及分析.1 化學成分試樣化學成分分析結果如表1 所示。從表中可以看出，該材料的化學成分符合要求NADCA#207-2003[2]優質H13成分標準。
表1 試驗鋼化學成分(質量分數，%)Tab.1 Chemical composition of testing steel (wt%)
2.2 硬度1#、2# 樣品側硬度(即模具心部)平均值分別為44.1 和44.3HRC， 推薦的硬度范圍為44~46HRC。3#、4# 樣品橫向硬度(即模具表面)平均值分別為50.0 和50.1HRC。模具通常進行表面處理，以提高模具表面的性能。模具表面硬度大于心硬度。.3 夾雜物分析依據GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定標準評級圖顯微檢驗法》對試驗料夾雜物進行評級， 結果為D (環狀氧化物夾雜物) 粗系0~1.0 級，細系0.5～1.0 級。結果表明，該零件材料純度好，冶金質量高。.4 裂紋分析3# 兩種典型裂紋SEM 形狀如圖2 所示。從圖中可以看出， 臺階過渡面裂紋的擴展方向垂直于樣品表面，裂紋幾乎直線向內擴展；棱鏡裂紋的擴展方向不確定，許多裂紋從表面出現，并在內部交叉。這兩種不同的裂紋擴展形式， 與模具服務時的載荷方向和尺寸有關。如圖3 所示，臺階表面是凹模具和凸模具的主要接觸表面， 也是垂直載荷的承載表面。 模具試驗時，凸模尖角與凹模具過渡表面接觸，應力最大，裂紋開始。在向下載荷的作用下，裂紋擴展方向垂直向下。邊緣向內擴展裂紋，凸凹模具接觸表面為倒錐面，力方向垂直倒錐面，凸模具直徑過大，準35mm 圓周邊緣受到向外張力， 裂紋由第一個接觸的地方產生， 向下突出， 裂紋也在圓錐面產生，如圖2所示(b)交叉裂紋。
樣品表面的可見厚度為0.15mm 淬硬層，見圖2(a)、(b)。通過SEM 照片可知，淬硬層組織為細片狀馬氏體，馬氏體片之間可見大量的微小、相互穿插的顯微裂紋，裂紋長度約2.0～13μm，見圖4(a)，幾乎分布在整個硬化層區域。模具使用前表面處理的主要目的是提高表面硬度和耐磨性。由于硬化層的存在，模具的表面應力非常大，在模具壓鑄過程中，外部載荷過大，很容易產生這種馬氏體微裂紋。一般認為：馬氏體微裂紋只產生在片狀馬氏體中，形成原因是片狀馬氏體相互碰撞， 片狀馬氏體難以相應應力， 因此在碰撞中形成高應力場，當應力足夠大時形成顯微裂紋[3]。顯微裂紋的出現對模具的使用壽命有很大的影響。一旦增加應力載荷，模具表面的橫向裂紋很容易串聯在一起，尺寸可以變得非常大，達到數百微米，然后發展成為宏觀裂紋，見圖4(b)，箭頭所指的裂紋已經開始沿著微裂紋路徑向模具內部擴展。因此，模具表面硬化層中微裂紋的出現增加了模具宏觀裂紋的概率，微裂紋成為宏觀裂紋的誘因。
裂紋擴展方向上的組織照片見圖5(a)，除裂紋邊緣出現氧化組織外，其余位置并未發現異常組織，由于該模具工作在高溫環境下，暴露在空氣中，裂紋一旦出現，裂紋邊緣在高溫環境下極易發生氧化，而氧化層硬度較基體高，進一步促進裂紋的擴展。此外，由圖5(b)可以看出，裂紋以晶體形式擴展，表明應力是模具裂紋的主要原因。2.5 組織分析試驗材料組織均為針狀馬氏體 殘留奧氏體 殘留碳化物，組織分布均勻，無異常，但模具工作面附近的組織沿晶體邊界沉淀，見圖6，顆粒尺寸較大。此外，試驗材料有一定程度的混合晶體，見圖7。碳化物沿晶體沉淀和混合晶體H13 模具鋼的沖擊韌性影響[5]。碳化物(共晶碳化物)也可以在金相照片中看到。SEM 和能譜圖顯示，一次碳化物含有V、Ti 碳化物(圖8)(b)、(c))，由于V、Ti 是一種強碳化物形成元素，鋼液凝固時容易在枝晶中形成(V,Ti)(C,N)在隨后的高溫擴散和鍛造過程中，這些碳化物不能完全消除，將繼承到鋼的回火狀態，對鋼的韌性產生一定的影響。
2.6 夏季力學性能分析試驗V 型缺口室溫沖擊分別為5.0、5.0、4.0 J，平均值為4.7 J，顯著低于標準規定的平均需求≥11J，單個最小值為8J。圖9 是沖擊樣品斷口的宏觀形狀。從圖中可以看出，斷口沒有明顯的放射區和剪切唇， 整體為瓷質解理斷口，斷面相對平整，脆性斷裂。可以判斷，沖擊樣品的斷口是為了解理斷裂。
根據裂紋的宏觀分析， 裂紋集中在臺階過渡面和邊緣，即主力成型面；無效樣品外表面光滑光滑，無塑性變形；裂紋延伸到模具內部，不同于熱疲勞產生的網狀裂紋。根據裂紋金相和掃描照片，裂紋延伸不是沿晶體邊界擴展，而是以晶體穿透的形式擴展。當模具材料機械性能差、表面缺陷、沖擊載荷高時，容易產生晶體穿透斷裂。可以判斷模具的故障方法是脆性斷裂故障，應力是模具表面形成裂紋并繼續擴展的主要原因。在模具使用過程中， 表面硬化層與擠壓材料直接接觸，溫度變化快，硬化層間接發生多次回火過程。因此，在硬化層中，片狀馬氏體在生長過程中相互沖擊，產生高應力，而片狀馬氏體相對脆弱，不能產生塑性，因此形成顯微裂紋后，由于表面硬化層具有很大的韌性，特別容易形成高的網狀裂紋。如前所述，模具心1#、2# 試樣的硬度均值在44HRC，處在推薦值44~46HRC 下限應提高模具的韌性，但模具材料縱向沖擊值的平均值僅為4.67 J，單個最小值只有4 J，顯著低于標準規定的值。可以看出，該模具沒有足夠的韌性來防止裂紋的擴展。因此，在模具試驗階段，肉眼可見裂紋較多。可以預見，如果使用次數繼續增加，裂紋擴展深度增加，模具很快就會開裂，造成生產事故。混合晶體和碳化物沿晶體沉淀和一次碳化物H13 模具材料韌性低的主要原因， 淬火過熱可能是試驗材料產生混合晶體的原因。圖6 掃描照片，樣品中心區域組織， 晶體邊界的小碳化物沿晶體邊界呈連續網狀，削弱晶體邊界，降低韌性，使材料易脆化。文獻[8]指出，網狀碳化物水平越低，沖擊值越高。在實際生產中，H13 鋼液凝固時V 元素也容易與C結合，形成VC 一次碳化物也是國產的H13 鋼中常見的組織缺陷。但模具鋼成分符合標準要求，Mo、V 元素以碳化物的形式存在， 未能防止晶粒生長，抑制碳化物沿晶體邊界沉淀，使淬火馬氏體粗大，回火碳化物沿晶體邊界呈網絡分布，導致模具脆性增加，使用過程中出現早期開裂。4 結論（1） 故障模具材料H13 鋼化學成分符合標準[2]規定的質量水平。D除 類夾雜物外，試驗材料其他類型的夾雜物為0 級，模具材料純度好，冶金質量高。(2) 混晶和碳化物沿晶體沉淀和一次碳化物H13 模具材料韌性低；鋼韌性低是模具開裂的主要原因。模具表面硬化層中有大量的微裂紋。 微裂紋的出現增加了模具宏觀裂紋的可能性，成為宏觀裂紋的誘因。（3） 鋼韌性不足使裂紋容易膨脹。如果工件繼續使用，臺階表面將剝落，垂直于邊緣的長裂紋將繼續向內膨脹，最終演變為熱模具鋼中常見的整體大裂紋、模具報廢甚至生產事故。
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