王明 ， 馬黨參 ， 周健 ， 遲宏宵 ， 建清 ( 昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鋼鐵研究所特殊鋼鐵研究所 )

某廠采用H13 鋼鋁合金壓鑄模具合金壓鑄模具表面出現(xiàn)肉眼可見裂紋，導(dǎo)致模具早期失效。為了找出故障原因， 避免或減少了此類生產(chǎn)事故的重復(fù)發(fā)生，對模具進(jìn)行了開裂故障分析。H13 鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度， 在中溫條件下具有良好的韌性、熱疲勞和一定的耐磨性。該鋼廣泛應(yīng)用于制造熱擠壓模具、模鍛錘模具、鍛造壓力機(jī)模具、精密鍛造機(jī)模具、鋁、銅及其合金的壓鑄模具。當(dāng)用于壓鑄模具時，材料不斷承受高速、高壓噴射、金屬沖刷腐蝕和加熱， 必須具有良好的耐熱疲勞、紅色硬度和耐高溫液體金屬的沖刷和腐蝕性能，但也應(yīng)具有良好的工藝性能。一般來說，要求H13 材料在不同溫度條件下具有高強(qiáng)度、韌性、硬度和熱穩(wěn)定性，這些力學(xué)性能主要由鋼的化學(xué)成分、冶煉加工和熱處理決定。本文從上述決定模具性能的因素對開裂模具進(jìn)行了必要的檢查和分析，以找出開裂的原因并提出改進(jìn)措施。

1 試驗材料及方法

本試驗鋁合金熱壓鑄模具在試模階段表面出現(xiàn)肉眼可見裂紋， 從模腔失效部位切割100mm×90mm 樣品，如圖1所示(a)所示，上端為臺階面，為成型接觸面。臺階端面有兩種形式的裂紋，見圖1 (b)：一是臺階過渡面裂紋，沿準(zhǔn)65mm臺階表面過渡圓開裂，環(huán)繞圓圈；另一種是棱角向內(nèi)擴(kuò)展裂紋，從35歲開始mm 圓周邊緣萌生，在臺階表面和倒錐表面擴(kuò)展。為了分析模具開裂的原因， 采用電火花線切割取樣，取樣位置如圖1所示(c)其中，1#、2# 樣品分別用作心部金相樣品的材料#、4# 樣品為裂紋分析樣品。為了研究故障模具的沖擊韌性，利用電火花線切割設(shè)備從剩余樣品中切割3 標(biāo)準(zhǔn)夏比V 型缺口沖擊樣(10mm×10mm×55mm)。4%硝酸酒精溶液腐蝕金相樣品； LEICAMEF4M 光學(xué)顯微鏡及SISCIAS8.0 金相圖像分析軟件分別進(jìn)行圖像采集和分析； 用TIMETH用300洛氏硬度計測量硬度；FEIquanta650FEG 熱場發(fā)射掃描電鏡SEM 照片采集及EDS 分析。2 試驗結(jié)果及分析.1 化學(xué)成分試樣化學(xué)成分分析結(jié)果如表1 所示。從表中可以看出，該材料的化學(xué)成分符合要求NADCA#207-2003[2]優(yōu)質(zhì)H13成分標(biāo)準(zhǔn)。

表1 試驗鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab.1 Chemical composition of testing steel (wt%)

2.2 硬度1#、2# 樣品側(cè)硬度(即模具心部)平均值分別為44.1 和44.3HRC， 推薦的硬度范圍為44~46HRC。3#、4# 樣品橫向硬度(即模具表面)平均值分別為50.0 和50.1HRC。模具通常進(jìn)行表面處理，以提高模具表面的性能。模具表面硬度大于心硬度。.3 夾雜物分析依據(jù)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》對試驗料夾雜物進(jìn)行評級， 結(jié)果為D (環(huán)狀氧化物夾雜物) 粗系0~1.0 級，細(xì)系0.5～1.0 級。結(jié)果表明，該零件材料純度好，冶金質(zhì)量高。.4 裂紋分析3# 兩種典型裂紋SEM 形狀如圖2 所示。從圖中可以看出， 臺階過渡面裂紋的擴(kuò)展方向垂直于樣品表面，裂紋幾乎直線向內(nèi)擴(kuò)展；棱鏡裂紋的擴(kuò)展方向不確定，許多裂紋從表面出現(xiàn)，并在內(nèi)部交叉。這兩種不同的裂紋擴(kuò)展形式， 與模具服務(wù)時的載荷方向和尺寸有關(guān)。如圖3 所示，臺階表面是凹模具和凸模具的主要接觸表面， 也是垂直載荷的承載表面。 模具試驗時，凸模尖角與凹模具過渡表面接觸，應(yīng)力最大，裂紋開始。在向下載荷的作用下，裂紋擴(kuò)展方向垂直向下。邊緣向內(nèi)擴(kuò)展裂紋，凸凹模具接觸表面為倒錐面，力方向垂直倒錐面，凸模具直徑過大，準(zhǔn)35mm 圓周邊緣受到向外張力， 裂紋由第一個接觸的地方產(chǎn)生， 向下突出， 裂紋也在圓錐面產(chǎn)生，如圖2所示(b)交叉裂紋。

樣品表面的可見厚度為0.15mm 淬硬層，見圖2(a)、(b)。通過SEM 照片可知，淬硬層組織為細(xì)片狀馬氏體，馬氏體片之間可見大量的微小、相互穿插的顯微裂紋，裂紋長度約2.0～13μm，見圖4(a)，幾乎分布在整個硬化層區(qū)域。模具使用前表面處理的主要目的是提高表面硬度和耐磨性。由于硬化層的存在，模具的表面應(yīng)力非常大，在模具壓鑄過程中，外部載荷過大，很容易產(chǎn)生這種馬氏體微裂紋。一般認(rèn)為：馬氏體微裂紋只產(chǎn)生在片狀馬氏體中，形成原因是片狀馬氏體相互碰撞， 片狀馬氏體難以相應(yīng)應(yīng)力， 因此在碰撞中形成高應(yīng)力場，當(dāng)應(yīng)力足夠大時形成顯微裂紋[3]。顯微裂紋的出現(xiàn)對模具的使用壽命有很大的影響。一旦增加應(yīng)力載荷，模具表面的橫向裂紋很容易串聯(lián)在一起，尺寸可以變得非常大，達(dá)到數(shù)百微米，然后發(fā)展成為宏觀裂紋，見圖4(b)，箭頭所指的裂紋已經(jīng)開始沿著微裂紋路徑向模具內(nèi)部擴(kuò)展。因此，模具表面硬化層中微裂紋的出現(xiàn)增加了模具宏觀裂紋的概率，微裂紋成為宏觀裂紋的誘因。

裂紋擴(kuò)展方向上的組織照片見圖5(a)，除裂紋邊緣出現(xiàn)氧化組織外，其余位置并未發(fā)現(xiàn)異常組織，由于該模具工作在高溫環(huán)境下，暴露在空氣中，裂紋一旦出現(xiàn)，裂紋邊緣在高溫環(huán)境下極易發(fā)生氧化，而氧化層硬度較基體高，進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展。此外，由圖5(b)可以看出，裂紋以晶體形式擴(kuò)展，表明應(yīng)力是模具裂紋的主要原因。2.5 組織分析試驗材料組織均為針狀馬氏體 殘留奧氏體 殘留碳化物，組織分布均勻，無異常，但模具工作面附近的組織沿晶體邊界沉淀，見圖6，顆粒尺寸較大。此外，試驗材料有一定程度的混合晶體，見圖7。碳化物沿晶體沉淀和混合晶體H13 模具鋼的沖擊韌性影響[5]。碳化物(共晶碳化物)也可以在金相照片中看到。SEM 和能譜圖顯示，一次碳化物含有V、Ti 碳化物(圖8)(b)、(c))，由于V、Ti 是一種強(qiáng)碳化物形成元素，鋼液凝固時容易在枝晶中形成(V,Ti)(C,N)在隨后的高溫擴(kuò)散和鍛造過程中，這些碳化物不能完全消除，將繼承到鋼的回火狀態(tài)，對鋼的韌性產(chǎn)生一定的影響。

2.6 夏季力學(xué)性能分析試驗V 型缺口室溫沖擊分別為5.0、5.0、4.0 J，平均值為4.7 J，顯著低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均需求≥11J，單個最小值為8J。圖9 是沖擊樣品斷口的宏觀形狀。從圖中可以看出，斷口沒有明顯的放射區(qū)和剪切唇， 整體為瓷質(zhì)解理斷口，斷面相對平整，脆性斷裂?？梢耘袛?，沖擊樣品的斷口是為了解理斷裂。

根據(jù)裂紋的宏觀分析， 裂紋集中在臺階過渡面和邊緣，即主力成型面；無效樣品外表面光滑光滑，無塑性變形；裂紋延伸到模具內(nèi)部，不同于熱疲勞產(chǎn)生的網(wǎng)狀裂紋。根據(jù)裂紋金相和掃描照片，裂紋延伸不是沿晶體邊界擴(kuò)展，而是以晶體穿透的形式擴(kuò)展。當(dāng)模具材料機(jī)械性能差、表面缺陷、沖擊載荷高時，容易產(chǎn)生晶體穿透斷裂?？梢耘袛嗄＞叩墓收戏椒ㄊ谴嘈詳嗔压收?，應(yīng)力是模具表面形成裂紋并繼續(xù)擴(kuò)展的主要原因。在模具使用過程中， 表面硬化層與擠壓材料直接接觸，溫度變化快，硬化層間接發(fā)生多次回火過程。因此，在硬化層中，片狀馬氏體在生長過程中相互沖擊，產(chǎn)生高應(yīng)力，而片狀馬氏體相對脆弱，不能產(chǎn)生塑性，因此形成顯微裂紋后，由于表面硬化層具有很大的韌性，特別容易形成高的網(wǎng)狀裂紋。如前所述，模具心1#、2# 試樣的硬度均值在44HRC，處在推薦值44~46HRC 下限應(yīng)提高模具的韌性，但模具材料縱向沖擊值的平均值僅為4.67 J，單個最小值只有4 J，顯著低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值。可以看出，該模具沒有足夠的韌性來防止裂紋的擴(kuò)展。因此，在模具試驗階段，肉眼可見裂紋較多?？梢灶A(yù)見，如果使用次數(shù)繼續(xù)增加，裂紋擴(kuò)展深度增加，模具很快就會開裂，造成生產(chǎn)事故?；旌暇w和碳化物沿晶體沉淀和一次碳化物H13 模具材料韌性低的主要原因， 淬火過熱可能是試驗材料產(chǎn)生混合晶體的原因。圖6 掃描照片，樣品中心區(qū)域組織， 晶體邊界的小碳化物沿晶體邊界呈連續(xù)網(wǎng)狀，削弱晶體邊界，降低韌性，使材料易脆化。文獻(xiàn)[8]指出，網(wǎng)狀碳化物水平越低，沖擊值越高。在實際生產(chǎn)中，H13 鋼液凝固時V 元素也容易與C結(jié)合，形成VC 一次碳化物也是國產(chǎn)的H13 鋼中常見的組織缺陷。但模具鋼成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，Mo、V 元素以碳化物的形式存在， 未能防止晶粒生長，抑制碳化物沿晶體邊界沉淀，使淬火馬氏體粗大，回火碳化物沿晶體邊界呈網(wǎng)絡(luò)分布，導(dǎo)致模具脆性增加，使用過程中出現(xiàn)早期開裂。4 結(jié)論（1） 故障模具材料H13 鋼化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定的質(zhì)量水平。D除 類夾雜物外，試驗材料其他類型的夾雜物為0 級，模具材料純度好，冶金質(zhì)量高。(2) 混晶和碳化物沿晶體沉淀和一次碳化物H13 模具材料韌性低；鋼韌性低是模具開裂的主要原因。模具表面硬化層中有大量的微裂紋。 微裂紋的出現(xiàn)增加了模具宏觀裂紋的可能性，成為宏觀裂紋的誘因。（3） 鋼韌性不足使裂紋容易膨脹。如果工件繼續(xù)使用，臺階表面將剝落，垂直于邊緣的長裂紋將繼續(xù)向內(nèi)膨脹，最終演變?yōu)闊崮＞咪撝谐Ｒ姷恼w大裂紋、模具報廢甚至生產(chǎn)事故。

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