H13模具鋼電渣錠底部裂紋成因分析

翟素萍

(江蘇星火特鋼有限公司， 江蘇 泰州 225721)

引 言

H13熱作模具鋼是一種國內(nèi)、外最具代表性和應(yīng)用最廣泛的空冷硬化型熱作模具鋼種，是在碳工鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素而形成的，具有較高的淬透性、高韌性、優(yōu)良的抗熱裂能力及中等耐磨損能力等優(yōu)良性能；常用作制造承受較大沖擊載荷的鍛模、精鍛模和熱擠壓模，銅、鋁及其合金壓鑄模等[1-3]。

然而，由于鉻、鉬等合金元素在模具鋼中的含量較高以及制造工藝復(fù)雜等原因，在凝固過程中極易形成晶界偏析及產(chǎn)生裂紋等缺陷而降低鋼的機械性能，給企業(yè)造成經(jīng)濟損失[4]。

1 實驗方法

H13鋼采用真空感應(yīng)爐冶煉后經(jīng)3 t電渣重熔爐冶煉，制得直徑400 mm、高3000 mm的電渣圓錠，電渣錠在高溫加熱爐中經(jīng)460 ℃×2 h保溫后加熱到850 ℃×3 h的去應(yīng)力退火，隨爐冷卻到300 ℃時，出爐空冷。

在電渣錠底部裂紋處解剖試塊，取得軸向電渣錠鑄態(tài)裂紋試樣，一部分用于金相實驗，一部分用于成分檢測及分析，其化學(xué)成分如表1 所示。

表1 實驗材料的化學(xué)成分/%

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 試樣宏觀形貌

如圖1所示為試驗鋼電渣錠底部的宏觀裂紋形貌，裂紋沿底部軸向擴展，圖1(b)為沿試驗鋼底部截取的試樣A和B。從圖中看到，裂紋斷續(xù)，具有明顯的方向性，宏觀上看具有應(yīng)力裂紋的特征。

圖1 試驗鋼的裂紋宏觀形貌

2.2 試樣金相及能譜分析

如圖2,3所示分別為試樣A和B的裂紋處SEM微觀形貌及其裂紋處白色相的能譜結(jié)果。從圖中可以看到，試樣的裂紋處及裂紋附近的亮白色和深灰色相的成分主要為富釩、鉬及鉻的碳化物。

圖3 試樣B的SEM裂紋形貌及裂紋旁白色相能譜結(jié)果

如圖4所示為試樣A的裂紋擴展微觀形貌。從圖中看出，裂紋發(fā)生在粒狀珠光體基體中，且裂紋處枝晶間碳化物聚集，碳化物呈塊狀延伸；該塊狀碳化物嚴重破壞了H13鋼基體的連續(xù)性，并在裂紋處導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而能強烈降低鋼的塑、韌性和抗疲勞性能[5]。因此，枝晶間的此類碳化物應(yīng)是試驗鋼內(nèi)部的主要裂紋源，是形成裂紋的主要內(nèi)在因素。

圖4 試樣A的裂紋發(fā)展形態(tài)及基體珠光體組織中枝晶間的塊狀碳化物

如圖5所示為試樣斷面處的SEM形貌及斷面枝晶間的能譜分析結(jié)果。從圖中看到，試樣A和B的斷面處能觀察到明顯的枝晶狀形態(tài)，即枝晶間的自由表面，其表面上分布著大小不一的顆粒狀、塊狀和條狀相。X射線能譜分析后發(fā)現(xiàn)，其表面含有較高的V，Cr和Mo等合金元素。

如圖6所示為斷面微觀形貌和能譜分析結(jié)果，可以看出，電渣錠底部裂紋均沿枝晶開裂，枝晶間存在明顯的合金成分偏析。因此可推斷，電渣錠底部裂紋的產(chǎn)生與嚴重的枝晶間第二相偏聚密不可分。

2.3 結(jié) 論

綜合以上試驗結(jié)果分析可知，電渣錠底部裂紋均發(fā)生在粒狀珠光體中，是在高溫狀態(tài)下受到應(yīng)力而發(fā)生，沿碳化物聚集、多缺陷的枝晶間發(fā)展。應(yīng)力、枝晶間第二相偏聚和夾雜等缺陷是造成開裂的主要原因。

圖5 試樣A斷面SEM形貌及斷面枝晶間的能譜分析結(jié)果

圖6 試樣B斷面微觀形貌及斷面枝晶間的能譜分析結(jié)果

3 結(jié)束語

(1)企業(yè)要嚴格把關(guān)進貨渠道，嚴格檢查原材料質(zhì)量，消除和降低雜質(zhì)和疏松等缺陷，建立常規(guī)檢測氣體含量及夾雜物等的質(zhì)檢制度。

(2)嚴格控制形成低熔點共晶雜質(zhì)元素(錫、鉛等)的含量，通過調(diào)整成分，細化晶粒，降低第二相的偏聚。

(3) 嚴格控制熱處理工藝，適當(dāng)提高去應(yīng)力退火溫度和時間，從而消除殘余應(yīng)力，避免裂紋的萌生和擴展。