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(guān) 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(yīng)國內(nèi)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?zhèn)涞臒嶙髂＞咪?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(yīng)用過程中己大量替代3Cr2W8V鋼。當(dāng)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(dāng)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(diào)質(zhì)(1060 ℃淬油+ 600 ℃回火)→粗磨、細磨→成品。調(diào)質(zhì)后在加工過程中發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生裂紋的原因,并制定改進措施,為H13鋼模具表面出現(xiàn)裂紋問題提供分析依據(jù)。

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(jié)果

1.1 化學(xué)成分分析

在H13鋼模具表面裂紋位置取樣進行化學(xué)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(yīng)爐燃燒后紅外吸收法(常規(guī)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(fā)射光譜法》對碳、硅、錳、磷、硫、鉻等元素含量進行檢測,結(jié)果見表1。由表1可知,H13鋼模具的化學(xué)成分符合標準要求。

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù), %)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(nèi)存在氧化鐵,未見異常夾雜物及氧化質(zhì)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(cè)未見脫碳現(xiàn)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(xué)成分滿足技術(shù)條件要求;裂紋內(nèi)及兩側(cè)未見非金屬夾雜物、脫碳、氧化質(zhì)點,排除裂紋產(chǎn)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(zhì)的裂紋,是零件在淬火過程中形成的應(yīng)力超過材料斷裂強度而產(chǎn)生的[7-9]。不同淬火裂紋的形成原因是不同的,而導(dǎo)致淬火裂紋產(chǎn)生的各種內(nèi)因和外因,主要是通過對內(nèi)應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)生很大的溫差,導(dǎo)致產(chǎn)生相應(yīng)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(chǎn)生了壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,其峰值各產(chǎn)生在零件的外表面,當(dāng)最大拉應(yīng)力超過鋼的斷裂強度時,導(dǎo)致H13鋼模具產(chǎn)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(yù)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(nèi)形成溫度梯度所引起的應(yīng)力而導(dǎo)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(chǎn)生淬火裂紋。

3 結(jié)論

1)H13鋼模具表面裂紋是由于淬火工藝不當(dāng)導(dǎo)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(chǎn)生很大的溫差,使表面與心部分別產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,其峰值各產(chǎn)生在零件的外表面,當(dāng)最大拉應(yīng)力超過H13鋼的斷裂強度時,產(chǎn)生表面淬火裂紋。

3)通過增加800～850 ℃預(yù)熱并降低淬火溫度,可避免過快的加熱速度在模腔內(nèi)形成溫度梯度所引起的應(yīng)力而導(dǎo)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(chǎn)生淬火裂紋。