用于擠壓鎳基合金管的H13芯棒斷裂原因分析

高玉光，王錦永，陳輝

新興鑄管股份有限公司 河北邯鄲 056000

1 序言

H13鋼經(jīng)過合適的熱加工后具有良好的熱強(qiáng)性、較高的韌性和抗熱疲勞能力，是一種強(qiáng)韌兼具的空冷硬化型熱作模具鋼，目前該鋼種已成為國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼種之一[1，2]。H13模具鋼已被廣泛用作壓鑄、熱沖、熱鍛和熱擠壓芯棒等模具材料。由于模具的使用環(huán)境極其復(fù)雜，所以工作過程中不僅需與高溫坯料甚至液態(tài)金屬直接接觸，被反復(fù)地加熱和冷卻，同時還要承受高壓沖擊的作用[3]。H13芯棒生產(chǎn)的工藝流程：電爐冶煉→精煉→真空脫氣→鑄錠→鍛壓→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工。某加工廠生產(chǎn)的一個批次H13芯棒外徑是127.2mm，用于生產(chǎn)材質(zhì)625、10276等鎳基合金無縫管，正常芯棒能夠擠壓無縫管50～65支，而此批次芯棒使用壽命較短，其中一支芯棒只擠壓了一支管就發(fā)生斷裂，斷裂實(shí)物如圖1所示。從圖中可以看出，裂紋呈放射狀快速擴(kuò)展，斷口平整無塑性變形，是明顯的脆性斷裂[4]。本文通過對斷裂芯棒化學(xué)成分、非金屬夾雜物、硬度和顯微組織進(jìn)行分析和檢測，找出斷裂原因，提出了改進(jìn)措施。

圖1 H13芯棒斷裂實(shí)物

2 檢測方法

（1）化學(xué)成分分析 在斷裂的H13芯棒上進(jìn)行取樣，依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進(jìn)行檢測，檢測設(shè)備型號：ARL4460。

（2）硬度檢測 在斷裂的H13芯棒上取樣進(jìn)行硬度檢測。依據(jù)GB/T 230.2—2002《金屬洛氏硬度試驗 第2部分：硬度計（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標(biāo)尺）的檢驗與校準(zhǔn)》對試樣進(jìn)行洛氏硬度檢測，檢測設(shè)備型號：TH320。

（3）顯微組織檢測 在斷裂的H13芯棒上進(jìn)行取樣，進(jìn)行顯微組織檢測。選用4%～6%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。檢測設(shè)備：蔡司Axio ImagerA2m金相顯微鏡。

3 斷裂芯棒檢測結(jié)果和分析

3.1 化學(xué)成分分析

材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 1299—2014《合金工具鋼》，用火花直讀光譜儀進(jìn)行檢測，化學(xué)成分見表1。從表1可看出，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明化學(xué)成分沒有問題。

表1 斷裂芯棒的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.2 硬度性能分析

現(xiàn)場擠壓生產(chǎn)的鎳基合金材質(zhì)625，無縫管規(guī)格是φ161mm×18mm，擠壓筒內(nèi)徑255mm，擠壓速度125～200mm/s，擠壓力2500～3500t（25～35MN）。由于承受較高的溫度和壓力作用，故熱擠壓用H13芯棒要求比一般的熱軋用芯棒具有更高的硬度，硬度驗收合格值為47～51HRC。對斷裂的芯棒進(jìn)行徑向硬度檢測，從外表面往芯棒中心位置每間隔約5mm檢測一個硬度值，觀察徑向硬度變化，硬度檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 斷裂芯棒徑向硬度

由表2可以看出，硬度在芯棒徑向不同位置是不一樣的，從外圓到徑向15mm硬度滿足47～51HRC的要求，從徑向15mm往徑向50mm延伸，硬度發(fā)生明顯衰減，逐漸從49.6HRC減小到30.1HRC，平均5mm衰減3.3HRC，說明熱處理淬火過程沒有完全淬透。由于是實(shí)心棒料，受淬透性因素影響，不能完全淬透可以理解，但是可以通過合適的淬火工藝，來提高淬透層深度。該失效芯棒僅15mm的厚度性能均勻，淬透深度不夠，導(dǎo)致芯棒整體強(qiáng)度性能偏低，降低了有效使用截面尺寸，在擠壓力2500～3500t的作用下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂。

3.3 非金屬夾雜物分析

芯棒發(fā)生斷裂，韌性是一個主要影響因素。為了提高韌性，非金屬夾雜物是冶煉環(huán)節(jié)的一個關(guān)鍵控制指標(biāo)。如果芯棒中存在較多的夾雜物，就會割裂金屬基體的連貫性，嚴(yán)重降低韌性。從斷裂的芯棒上取樣，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》中A法對A、B、C、D進(jìn)行評級，檢測結(jié)果見表3。

表3 非金屬夾雜物

對于每一類夾雜物，按細(xì)系和粗系分別記下與所檢測面上最惡劣視場相符合的級別數(shù)，通過檢測試樣整個壁厚的夾雜物發(fā)現(xiàn)，芯棒的非金屬夾雜物含量正常，純凈度屬于正常水平，因此夾雜物含量不是造成芯棒材料脆性大的原因。

3.4 顯微組織分析

H13鋼具有含量較多的強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、V，通過調(diào)質(zhì)處理對性能進(jìn)行調(diào)控，以滿足擠壓工況對芯棒性能的要求。H13鋼熱處理一般采用退火+淬火+兩次回火的工藝，目的是使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變充分，以提高韌性，改善沖擊性能，提高性能穩(wěn)定性[5，6]。經(jīng)過鍛造+退火+調(diào)質(zhì)處理后，H13鋼芯棒正常組織中共晶碳化物充分破碎，變成細(xì)小顆粒均勻分布，回火后從馬氏體中析出的細(xì)小碳化物彌散分布，組織細(xì)小致密[7]。對斷裂的芯棒進(jìn)行取樣，經(jīng)過腐蝕后的顯微組織如圖2所示。由圖2可以看出，組織為回火索氏體、黑色顆粒狀碳化物和白色共晶碳化物。晶粒直徑達(dá)到180～250μm，晶粒度1～2級，晶粒粗大，同時，共晶碳化物在晶界聚集，連成網(wǎng)狀，割裂了基體的連續(xù)性，是脆性較大的主要原因。

圖2 H13斷裂芯棒不同位置的顯微組織（100×）

4 改進(jìn)措施和效果

增加芯棒毛坯的鍛造變形量，鍛造后棒料φ146mm。鍛造后及時進(jìn)行860℃等溫球化退火，改善碳化物形態(tài)和均勻化組織，為后續(xù)調(diào)質(zhì)處理準(zhǔn)備良好組織。退火后的棒料粗車至φ138mm，通過適宜溫度（1030～1060℃）保溫后淬火和快速冷卻，避免和消除退火過程中形成的網(wǎng)狀碳化物[8]，然后再通過550～590℃的兩次回火，加工出φ127.2mm的成品芯棒。改進(jìn)措施后成品芯棒的顯微組織如圖3所示。

圖3 改進(jìn)措施后芯棒不同位置的顯微組織（200×）

由圖3可以看出，H13鋼芯棒組織為回火索氏體，共晶碳化物經(jīng)過鍛造后已經(jīng)充分破碎，并均勻分布在基體中，經(jīng)過兩次回火后，黑色顆粒狀碳化物從馬氏體中彌散部分，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變成分，晶粒直徑25～35μm，平均晶粒度7級，組織細(xì)小致密，提高了韌性。經(jīng)過試用，H13芯棒能夠擠壓無縫管50～65支，達(dá)到了正常的使用壽命。

5 結(jié)束語

斷裂芯棒僅15mm的厚度性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，淬透深度不足，降低了有效使用截面尺寸，容易應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂。斷裂芯棒的晶粒直徑達(dá)到180～250μm，晶粒度1～2級，組織粗大，共晶碳化物在晶界聚集，連成網(wǎng)狀，割裂了基體的連續(xù)性，是脆性較大的主要原因。通過增加芯棒的鍛造變形量，優(yōu)化熱處理工藝，改善了顯微組織，使芯棒的使用壽命達(dá)到正常水平。