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(duì)斷裂失效的H13 模具鋼的硬度、宏觀形貌及顯微組織的檢測(cè),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。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。
圖1 某產(chǎn)品模具開裂
開裂模具檢測(cè)外觀檢測(cè)
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(cè)
在圖2 所示位置取樣,大小為10mm×10mm×15 mm,檢測(cè)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(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)試樣金相組織進(jìn)行評(píng)級(jí),金相組織介于2 級(jí)至3 級(jí)之間,淬回火組織較好。
圖2 斷裂截面
圖3 500 倍光學(xué)顯微鏡金相組織圖和局部放大圖
硬度測(cè)試
將金相顯示面作為硬度測(cè)試面,隨機(jī)取三個(gè)點(diǎn),測(cè)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。
圖4 鋼中含碳量與淬火鋼硬度曲線
模具開裂原因分析及措施組織分析
淬火加熱溫度對(duì)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(píng)級(jí)可評(píng)為2 級(jí),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(cè)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(duì)H13 鋼的硬度影響。
淬火溫度對(duì)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(duì)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。
圖5 H13 鋼硬度與淬火溫度的關(guān)系曲線
⑵回火溫度對(duì)H13 鋼的硬度影響。
從圖6 回火溫度對(duì)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(shì),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。
圖6 H13 鋼回火溫度對(duì)硬度的影響
從圖7 鋼在620℃回火時(shí)保溫時(shí)間對(duì)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。
圖7 H13 鋼回火保溫時(shí)間對(duì)硬度的影響
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(duì)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(duì)鍛造模具,使用過程中需要一定的石墨、碳粉對(duì)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。
作者簡介
徐繼羅,工程師,主要從事煤機(jī)及汽車配件鍛造產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)和研發(fā)工作,主持完成的“重汽配件減震端板鍛件”項(xiàng)目獲得山東省企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新優(yōu)秀成果二等獎(jiǎng),擁有發(fā)明專利一項(xiàng),實(shí)用新型專利四項(xiàng)。