壓鑄模早期開裂失效分析

蘇以人，陳冬利

1.概況

鋁合金壓鑄模材料為4Cr5MoSiV1(H13)鋼，硬度要求42～48HRC。其制造工藝路線是：鍛造→退火→粗加工→熱處理→精加工。模具在真空爐中加熱，溫度（1030±10）℃，保溫90min，氬氣淬火，560～580℃回火保溫6h在空氣中冷卻。處理后的硬度為51～52.5HRC。

2.失效模具檢查

模具使用時間不長便發生開裂，化學成分分析符合4Cr5MoSiV1鋼的國家標準。斷口觀察有明顯貝紋線，裂紋源區和擴展區由于高溫氧化呈現出深淺不同的氧化色，使疲勞裂紋更加清晰。裂紋源位于模具型面拐角處。另外一副模具在使用前已有裂紋，在使用中成為裂紋源，斷口上裂紋處有黑色氧化物，其擴展區無明顯貝紋線，但有較長的快速撕裂條紋。

金相組織檢驗為回火馬氏體+回火托氏體（呈黑色網絡）。對黑色網絡進行SEM能譜分析，該處有鉻、釩碳化物，還有雜質元素硫的偏聚。金相組織檢查還發現由于鋼的化學成分不均勻所造成的帶狀分布組織，碳化物偏析帶（碳及合金元素富集區）有塊狀和堆集狀碳化物，還有十分細小、密集的點狀碳化物。兩側貧碳貧合金元素區域，雖然已經過高溫回火，組織已發生變化，但原淬火時形成的貝氏體形態（黑針狀）仍然可見。

3.失效分析及預防措施

大型模塊的成分偏析是難免的，鍛造使成分和組織不均勻難以消除，大塊堆集狀和鏈網共晶碳化物不易被破碎均勻化。因此，大模塊可先進行1100～1150℃固溶-高溫回火預處理，以改善組織不均勻性，消除原材料中二次碳化物網，增加模具的韌度。采用680℃左右高溫回火，保溫透熱后空冷。

淬火溫度選用1000～1050℃，可得到細小晶粒和性能較好的細針狀馬氏體組織，亞穩定共晶碳化物。如果數量不多且分布均勻，形態圓整，有利于鋼性能的提高。4Cr5MoSiV1鋼在空冷條件下可能獲得馬氏體組織，但在800～860℃溫度區間內緩冷，有二次碳化物沿晶界析出，如果采用油冷淬火（油溫55～150℃）或分級淬火，可抑制二次碳化物沿晶界析出，避免產生脆性。

4Cr5MoSiV1鋼有回火脆性，尺寸較大的模具高溫回火后應采用油冷，以避免回火脆性，提高韌度，延長模具使用壽命。

4.結語

（1）該鋼原材料化學成分偏析嚴重，造成組織不均勻，產生附加應力，是導致早期開裂的重要原因。

（2）氬氣淬火壓力不夠，冷卻速度較慢，致使淬火組織中出現黑色托氏體，也可能有網狀碳化物析出，降低了材料的強度和沖擊韌度，也是導致早期開裂的原因之一。

（3）因模具尺寸較大，高溫回火后空冷冷速不足，引起回火脆性的發生。

（4）模具截面改變處的R角太小，引起熱處理應力集中而產生微裂紋，工作時微裂紋擴展，導致模具早期失效。