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、外最具代表性和應用最廣泛的空冷硬化型熱作模具鋼種，是在碳工鋼的基礎上加入合金元素而形成的，具有較高的淬透性、高韌性、優良的抗熱裂能力及中等耐磨損能力等優良性能；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雜等原因，在凝固過程中極易形成晶界偏析及產生裂紋等缺陷而降低鋼的機械性能，給企業造成經濟損失[4]。

1 實驗方法

H13鋼采用真空感應爐冶煉后經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460 ℃×2 h保溫后加熱到850 ℃×3 h的去應力退火，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，其化學成分如表1 所示。

表1 實驗材料的化學成分/%

2 實驗結果與分析

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，具有明顯的方向性，宏觀上看具有應力裂紋的特征。

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鋼基體的連續性，并在裂紋處導致應力集中，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是試驗鋼內部的主要裂紋源，是形成裂紋的主要內在因素。

圖4 試樣A的裂紋發展形態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，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射線能譜分析后發現，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生與嚴重的枝晶間第二相偏聚密不可分。

2.3 結 論

綜合以上試驗結果分析可知，電渣錠底部裂紋均發生在粒狀珠光體中，是在高溫狀態下受到應力而發生，沿碳化物聚集、多缺陷的枝晶間發展。應力、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果

圖6 試樣B斷面微觀形貌及斷面枝晶間的能譜分析結果

3 結束語

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

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

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