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H13熱作模具鋼在熱處理工藝不良時,會出現早期斷裂失效
H13 熱作模具鋼開裂失效問題分析
H13 鋼是C-Cr-Mo-Si-V 型鋼，在鍛造行業上的應用非常普遍。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，以作為調整熱處理工藝的依據，避免同類問題的再次發生，同時也為同類企業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、耐冷熱疲勞性與優良的熱強性、抗氧化性能，被廣泛應用于熱擠壓、模鍛、輥鍛、軋制、壓鑄等模具中。H13 熱作模具鋼的力學性能、組織與熱處理有密切的聯系，其使用條件較為惡劣，一般在400 ——600℃之間使用。實踐表明，在模具的使用過程中應使模具充分預熱、冷卻和潤滑。當熱處理工藝不佳時，會造成H13 熱作模具鋼在早期斷裂失效，給企業造成一定的損失。我公司使用的H13 鋼模具在鍛造過程中，曾出現過此類問題，如圖1 所示。
圖1 某產品模具開裂
開裂模具檢測
外觀檢測
此H13 鋼模具在使用過程中發生了開裂，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。經過打磨拋光試樣后，將未腐蝕的試樣置于光學顯微鏡下觀察，無明顯夾雜痕跡。將試樣用5%硝酸酒精腐蝕后，得到經過腐蝕處理的H13 鋼金相圖，如圖3 所示。根據GB/T 8420-2008 熱作模具鋼金相組織評級標準。對試樣金相組織進行評級，金相組織介于2 級至3 級之間，淬回火組織較好。
圖2 斷裂截面
圖3 500 倍光學顯微鏡金相組織圖和局部放大圖
硬度測試
將金相顯示面作為硬度測試面，隨機取三個點，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。
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H13 鋼的組織影響較大，淬火加熱溫度的選擇應以得到均勻細小的奧氏體為原則，以便在淬火后獲得細小的馬氏體組織。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、偏析現象，可以預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。當淬火溫度為1100℃時，H13 鋼的硬度可達，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裂紋。
圖5 H13 鋼硬度與淬火溫度的關系曲線
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，達到峰值后又呈下降趨勢，存在明顯的二次硬化現象，并且二次硬化的峰值溫度在350℃，而隨著回火溫度的繼續升高，H13 鋼的硬度下降到33.6HRC，此時已不滿足作為模具鋼的硬度要求。
圖6 H13 鋼回火溫度對硬度的影響
從圖7 鋼在620℃回火時保溫時間對硬度的影響曲線中可以看出，隨著保溫時間的延長，H13 鋼的硬度逐漸降低。當不保溫時，H13 鋼的硬度接近50HRC，而保溫22h 以后，H13 鋼的硬度降低到35HRC。模具鋼的熱穩定性是鋼淬火后經過充分回火獲得一定硬度以后進行的加熱保溫過程。因此，隨著保溫時間的延長，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 鋼回火保溫時間對硬度的影響
根據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，或者爐溫控制問題導致模具在淬、回火后硬度偏高，進一步影響到模具的沖擊韌性，很終使得顯微組織處于不穩定狀態，殘留內應力過大，在外力作用時易發生開裂，造成模具早期失效斷裂。
防止模具失效的應對措施
⑴模具的預熱。
因為H13 鋼的合金元素較多導熱性較差，預熱溫度較低，模具使用時熱應力較大，易產生裂紋，所以需要充分預熱，但預熱溫度過高也會影響其力學性能，引起塑性變形，一般預熱溫度為250 ——300℃。
⑵模具的冷卻。
因為H13 鋼服役條件溫度較高，在使用一定的時長后，模具溫度過高，將會低于使用強度要求，所以需要強制冷卻至合理溫度，快速急冷會導致模具產生熱疲勞裂紋，在使用后需緩慢冷卻，避免熱應力。
⑶模具的潤滑。
針對鍛造模具，使用過程中需要一定的石墨、碳粉對型腔表面進行潤滑，降低其成形力，保證材料正常流動，避免脹裂和保證鍛件順利脫模，同時石墨還有散熱的作用。
結束語
在模具制作使用過程中，化學成分與冶金質量、模具設計、制造工藝、模具的維護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秀的綜合力學性能，提高模具的使用壽命。但是如果因熱處理工藝設計不當或操作不當而產生熱處理缺陷，將嚴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，確認了某產品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很低，導致其早期失效斷裂。找出該模具失效原因，以作為熱處理部門調整其熱處理工藝的依據，避免同類問題的再次發生。
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