H13 熱作模具鋼開裂失效問題分析

文／徐繼羅，孫守田，錢海峰·棗莊通晟實(shí)業(yè)有限公司

H13 鋼是C-Cr-Mo-Si-V 型鋼，在鍛造行業(yè)上的應(yīng)用非常普遍。本文通過對斷裂失效的H13 模具鋼的硬度、宏觀形貌及顯微組織的檢測，分析其失效原因，以作為調(diào)整熱處理工藝的依據(jù)，避免同類問題的再次發(fā)生，同時(shí)也為同類企業(yè)H13 熱作模具鋼處理類似失效問題提供參考和借鑒。

H13 鋼屬于熱作模具鋼，具有較高的韌性、耐冷熱疲勞性與優(yōu)良的熱強(qiáng)性、抗氧化性能，被廣泛應(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℃之間使用。實(shí)踐表明，在模具的使用過程中應(yīng)使模具充分預(yù)熱、冷卻和潤滑。當(dāng)熱處理工藝不佳時(shí)，會(huì)造成H13 熱作模具鋼在早期斷裂失效，給企業(yè)造成一定的損失。我公司使用的H13 鋼模具在鍛造過程中，曾出現(xiàn)過此類問題，如圖1 所示。

開裂模具檢測

外觀檢測

此H13 鋼模具在使用過程中發(fā)生了開裂，用火焰氣割槍割下其中一塊的斷面，如圖2 所示，從斷裂形貌上來看，裂紋源在金相切口位置附近，斷裂面較為平整，圖中空洞為金相試樣的切取位置。

金相檢測

在圖2 所示位置取樣，大小為10mm×10mm×15 mm，檢測面平行于斷裂面。經(jīng)過打磨拋光試樣后，將未腐蝕的試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，無明顯夾雜痕跡。將試樣用5%硝酸酒精腐蝕后，得到經(jīng)過腐蝕處理的H13 鋼金相圖，如圖3 所示。根據(jù)GB/T 8420-2008 熱作模具鋼金相組織評級標(biāo)準(zhǔn)。對試樣金相組織進(jìn)行評級，金相組織介于2 級至3 級之間，淬回火組織較好。

硬度測試

將金相顯示面作為硬度測試面，隨機(jī)取三個(gè)點(diǎn)，測得硬度為65HRC、72HRC、67HRC，取得平均硬度為68HRC。鋼中含碳量與淬火鋼硬度曲線圖如圖4 所示。H13 鋼的淬火硬度為55HRC 左右，故可以判斷其淬火硬度過高。

模具開裂原因分析及措施

組織分析

淬火加熱溫度對H13 鋼的組織影響較大，淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體為原則，以便在淬火后獲得細(xì)小的馬氏體組織。由圖2 可知金相組織評級可評為2 級，其淬回火得到的組織較好，表面無明顯夾雜、偏析現(xiàn)象，可以預(yù)測其鋼錠材料較為純凈，且前期熱處理工藝效果較好。

硬度分析

⑴淬火溫度對H13 鋼的硬度影響。

淬火溫度對H13 鋼硬度的影響，由圖5 可知，隨著淬火溫度的升高，H13 鋼的硬度也隨之增大，其主要原因是：一方面是淬火溫度增加，冷卻速度得到了提高，組織中形成的馬氏體含量增加，硬度提高；另一方面隨著淬火溫度的提高加速了合金碳化物的溶解，使淬火后馬氏體中的碳和合金元素增加，從而提高了H13 鋼的淬透性和淬硬性，淬火后的硬度自然得到了提高。當(dāng)淬火溫度為1100℃時(shí)，H13 鋼的硬度最大，這對提高H13 鋼的耐磨性是有利的，但是在鋼的基體上容易出現(xiàn)裂紋。

⑵回火溫度對H13 鋼的硬度影響。

從圖6 回火溫度對硬度的影響曲線中可以看出，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)到峰值后又呈下降趨勢，存在明顯的二次硬化現(xiàn)象，并且二次硬化的峰值溫度在350℃，而隨著回火溫度的繼續(xù)升高，H13 鋼的硬度下降到33.6HRC，此時(shí)已不滿足作為模具鋼的硬度要求。

從圖7 鋼在620℃回火時(shí)保溫時(shí)間對硬度的影響曲線中可以看出，隨著保溫時(shí)間的延長，H13 鋼的硬度逐漸降低。當(dāng)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)定性是鋼淬火后經(jīng)過充分回火獲得一定硬度以后進(jìn)行的加熱保溫過程。因此，隨著保溫時(shí)間的延長，H13 鋼的硬度不斷下降，這主要是由于鋼中的合金元素，如碳、鉻等的固溶度減小，碳化物脫溶沉淀。

根據(jù)H13 鋼中含碳量與淬火鋼硬度曲線可知，淬火溫度過高或回火溫度較低、回火保溫時(shí)間較短等都可能造成H13 鋼硬度偏高，而回火不充分可能造成模具硬度分布不均。該模具在熱處理過程中可能由于操作不當(dāng)，或者爐溫控制問題導(dǎo)致模具在淬、回火后硬度偏高，進(jìn)一步影響到模具的沖擊韌性，最終使得顯微組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，殘留內(nèi)應(yīng)力過大，在外力作用時(shí)易發(fā)生開裂，造成模具早期失效斷裂。

防止模具失效的應(yīng)對措施

⑴模具的預(yù)熱。

因?yàn)镠13 鋼的合金元素較多導(dǎo)熱性較差，預(yù)熱溫度較低，模具使用時(shí)熱應(yīng)力較大，易產(chǎn)生裂紋，所以需要充分預(yù)熱，但預(yù)熱溫度過高也會(huì)影響其力學(xué)性能，引起塑性變形，一般預(yù)熱溫度為250 ～300℃。

⑵模具的冷卻。

因?yàn)镠13 鋼服役條件溫度較高，在使用一定的時(shí)長后，模具溫度過高，將會(huì)低于使用強(qiáng)度要求，所以需要強(qiáng)制冷卻至合理溫度，快速急冷會(huì)導(dǎo)致模具產(chǎn)生熱疲勞裂紋，在使用后需緩慢冷卻，避免熱應(yīng)力。

⑶模具的潤滑。

針對鍛造模具，使用過程中需要一定的石墨、碳粉對型腔表面進(jìn)行潤滑，降低其成形力，保證材料正常流動(dòng)，避免脹裂和保證鍛件順利脫模，同時(shí)石墨還有散熱的作用。

結(jié)束語

在模具制作使用過程中，化學(xué)成分與冶金質(zhì)量、模具設(shè)計(jì)、制造工藝、模具的維護(hù)與使用等因素都可能造成模具失效。合理的熱處理工藝可以使模具獲得優(yōu)秀的綜合力學(xué)性能，提高模具的使用壽命。但是如果因熱處理工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不當(dāng)而產(chǎn)生熱處理缺陷，將嚴(yán)重危害模具的承載能力，引起早期失效，縮短工作壽命。

本文通過研究分析，確認(rèn)了某產(chǎn)品H13 鋼模具的斷裂屬于脆性斷裂，其原因是不合理的熱處理工藝導(dǎo)致模具整體硬度偏高，且硬度分布不均勻，造成模具的沖擊韌性極低，導(dǎo)致其早期失效斷裂。找出該模具失效原因，以作為熱處理部門調(diào)整其熱處理工藝的依據(jù)，避免同類問題的再次發(fā)生。