H13鋼模具表面裂紋原因分析

何榮福,楊雄強,何健楠,葉 鵬

(廣東中南股份有限公司制造管理部,廣東 韶關 512123)

H13熱作模具鋼是一種過共析鋼,我國于20世紀80年代初引進的國外通用熱作模具鋼,國際標準化組織稱為40CrMoV5,對應國內牌號4Cr5MoSiV1,屬于中碳中合金熱作模具鋼的鉻系鋼種,具有較高的淬硬性、強度、韌性以及抗熱疲勞性能,是一種強韌兼備的熱作模具鋼,多用于熱鍛模、熱擠壓模和鋁、鋅、鎂等有色金屬的壓鑄模,以及較精密的塑料模具的制造[1]。H13鋼有良好的冷熱疲勞性,在工況溫度≤600 ℃時代替3Cr2W8V鋼,制造的模具壽命有顯著提升,因此在應用過程中己大量替代3Cr2W8V鋼。當H13鋼工況溫度升高到600 ℃左右時,在較高的服役強度下仍然能保持高韌性;但當使用溫度超過600 ℃時,H13鋼的熱強性欠佳,因此不適合壓鑄高熔點合金[2]。

某廠將直徑φ55 mm的H13圓棒加工成模具,加工工藝為:下料→毛車→調質(1060 ℃淬油+ 600 ℃回火)→粗磨、細磨→成品。調質后在加工過程中發現H13鋼模具表面存在裂紋,如圖1所示。本文對H13鋼模具的表面裂紋進行檢測分析,找到模具表面產生裂紋的原因,并制定改進措施,為H13鋼模具表面出現裂紋問題提供分析依據。

圖1 H13鋼模具表面裂紋Fig.1 Surface crack of H13 steel die

1 試驗方法和結果

1.1 化學成分分析

在H13鋼模具表面裂紋位置取樣進行化學成分分析,按照標準GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測定高頻感應爐燃燒后紅外吸收法(常規方法)》和GB/T 20125—2006《低合金鋼多元素含量的測定電感耦合等離子體原子發射光譜法》對碳、硅、錳、磷、硫、鉻等元素含量進行檢測,結果見表1。由表1可知,H13鋼模具的化學成分符合標準要求。

表1 化學成分(質量分數, %)Table 1 Chemical composition (mass fraction,%)

1.2 金相組織觀察

在H13鋼模具裂紋處橫剖,采用金相顯微鏡觀察試樣橫截面金相組織,如圖2所示。試樣邊部存在一條深1.9 mm的裂紋,見圖2(a);裂紋內存在氧化鐵,未見異常夾雜物及氧化質點,見圖2(b);裂紋端部與表面約呈45°角,然后垂直表面向里延伸,裂紋末端呈鋸齒狀,見圖2(c)、2(d)。腐蝕后,裂紋兩側未見脫碳現象,組織為回火索氏體,晶粒尺寸較粗大,達20 μm,如圖3所示。

(a)裂紋整體形貌;(b)裂紋橫截面形貌;(c)裂紋始端形貌;(d)裂紋末端形貌圖2 裂紋橫截面金相組織(a) overall crack morphology;(b)morphology of crack cross-section;(c)top morphology of crack;(d)end morphology of crackFig.2 Microstructure of crack cross-section

(a)裂紋整體形貌; (b)裂紋始端形貌;(c)基體形貌圖3 腐蝕后裂紋橫截面金相組織(a) overall crack morphology; (b) crack top morphology; (c) matrix morphologyFig.3 Microstructure of crack cross-section after corrosion

1.3 裂紋處及斷口能譜分析

采用掃描電子顯微鏡對試樣橫截面裂紋處進行能譜分析,裂紋始端內氧化鐵主要含有O、Fe、C、Cr等元素,見圖4;裂紋末端主要含有O、Fe、C、Cr、Si、V、Mo等元素,見圖5。

圖4 裂紋橫截面始端能譜圖Fig.4 Energy spectrum at the top of crack cross-section

圖5 裂紋橫截面末端能譜圖Fig.5 Energy spectrum at the end of crack cross-section

觀察試樣裂紋處的斷口形貌,發現裂紋斷口上存在氧化層,晶粒呈熔融形貌,對其進行成分分析,主要含有O、Fe、C、Cr等元素,見圖6、圖7。

圖6 裂紋斷口形貌Fig.6 Crack fracture morphology

圖7 裂紋斷口處能譜圖Fig.7 Energy spectrum of crack fracture

2 分析與討論

H13鋼模具的化學成分滿足技術條件要求;裂紋內及兩側未見非金屬夾雜物、脫碳、氧化質點,排除裂紋產生于熱處理前的可能性[3-4]。裂紋呈鋸齒狀由近似垂直表面向心部延伸,斷口呈沿晶、熔融形貌,說明裂紋為典型淬火裂紋[5-7]。

淬火裂紋是一種脆斷性質的裂紋,是零件在淬火過程中形成的應力超過材料斷裂強度而產生的[7-9]。不同淬火裂紋的形成原因是不同的,而導致淬火裂紋產生的各種內因和外因,主要是通過對內應力和材料斷裂強度的影響作用的[10]。

淬火加熱溫度過高或在加熱溫度下保溫時間過長,一般都會增加開裂傾向。因為這時的奧氏體過飽和碳濃度偏高,由于晶界未溶碳化物的分布不均勻,導致了對晶界的釘扎作用程度是不同的。隨著淬火溫度的不斷升高,未溶碳化物會逐漸溶解到奧氏體中,導致淬火后的晶粒尺寸明顯增加 。淬火后不僅得到粗大的淬火馬氏體,在模具表面和心部還會產生很大的溫差,導致產生相應的體積膨脹。由于表面收縮受到低溫度的心部金屬的阻礙,于是在表面與心部分別產生了壓應力和拉應力,其峰值各產生在零件的外表面,當最大拉應力超過鋼的斷裂強度時,導致H13鋼模具產生表面淬火裂紋[11-12]。

在H13鋼的熱處理過程中,可增加800～850 ℃預熱并降低淬火溫度[13],目的是為了避免過快的加熱速度在模腔內形成溫度梯度所引起的應力而導致模具畸變;還可有效地促進奧氏體均勻化,減小淬火開裂傾向,避免產生淬火裂紋。

3 結論

1)H13鋼模具表面裂紋是由于淬火工藝不當導致的淬火裂紋。

2)由于淬火溫度過高,在淬火過程中晶界未溶碳化物的分布不均勻,晶粒尺寸明顯增加,在模具表面和心部產生很大的溫差,使表面與心部分別產生壓應力和拉應力,其峰值各產生在零件的外表面,當最大拉應力超過H13鋼的斷裂強度時,產生表面淬火裂紋。

3)通過增加800～850 ℃預熱并降低淬火溫度,可避免過快的加熱速度在模腔內形成溫度梯度所引起的應力而導致模具畸變;還可有效地促進奧氏體均勻化,減小淬火開裂傾向,避免產生淬火裂紋。