H13鋼壓鑄模具開裂分析

林星豪 ， 陳衛(wèi)華 ， 吳世勇 ， 呂 晨 ,2， 李浩哲 ， 艾云龍 ,*

（1. 南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063；2. 江西洪都航空工業(yè)股份有限公司，南昌 330024）

0 引言

模具鋼被稱為“工業(yè)之母”，在現(xiàn)代制造業(yè)中起到了極其重要的作用，甚至成為衡量一個國家制造業(yè)的發(fā)展水平和評定標準之一[1-4]。H13熱作模具鋼（4Cr5MoSiV1）作為模具鋼家族中的重要組成一員，在實際生產(chǎn)中，尤其是鋁、銅及其合金的擠壓制造業(yè)中[5-7]被廣泛應(yīng)用。使用H13熱作模具鋼生產(chǎn)制造鋁合金擠壓件時，模具發(fā)生提前失效。模具平均壽命能加工7 000多件鋁合金工件，而發(fā)生斷裂的失效模具加工的工件數(shù)量不到800件，不及正常件的12%。本研究通過采用顯微組織分析、硬度測試，成分分析等檢測方法，分析熱作模具提前失效的原因，并給出相應(yīng)的改進建議。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

H13鋼鋁合金壓鑄模宏觀形貌如圖1所示，其中圖1b、圖1c分別為壓鑄模凸臺根部內(nèi)、外兩側(cè)裂紋位置圖。由圖1可以觀察到，該失效件凸臺根部出現(xiàn)了明顯的失效裂紋。在凸臺內(nèi)側(cè)根部拐角處（圖1c箭頭位置），發(fā)現(xiàn)裂紋處有銀白色鑲?cè)肓鸭y內(nèi)部的異物，且該拐角處的凸臺與壓鑄模底座為垂直銜接，并未和外側(cè)凸臺一樣有過渡倒角，故在凸臺根部的拐角受到應(yīng)力集中影響最大，由此可推斷斷裂是起始于凸臺根部的拐角處[8]。

圖 1 H13模具宏觀圖Fig.1 Macro appearance of H13 mould

為進一步觀察分析，將失效件進行線切割取樣，在H13鋼擠壓模具發(fā)生失效的位置截取1#、2#試樣進行檢測分析（圖2a）。可以發(fā)現(xiàn)，1#試樣表面裂紋已經(jīng)明顯擴展至試樣心部；2#試樣裂紋雖然已經(jīng)貫穿凸臺，但底座與凸臺仍然耦合。使用三點抗彎方法將2個試樣的凸臺與底座分離。在1#試樣的斷口可以觀察到疲勞斷裂的特征，存在明顯的疲勞源、疲勞輝紋與瞬斷區(qū)（圖2b）；在2#試樣的斷口處發(fā)現(xiàn)大量異物填充，且斷口形貌已經(jīng)基本損毀，結(jié)合工件為鋁合金熱擠壓模具進行分析，可以初步判定鑲?cè)氲漠愇餅殇X合金。

1.2 金相觀察與硬度檢測

圖 2 取樣與斷口圖Fig.2 Sampling and fracture diagrams

圖 3 金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographic photographs

將1#試樣打磨拋光進行金相觀察，結(jié)果如圖3所示。材料基體組織為回火馬氏體+回火托氏體+少量殘余奧氏體，同時存在較多夾雜物。原奧氏體晶粒度約為8級，夾雜物等級i≥2級。殘余奧氏體的存在會降低基體的疲勞強度與耐磨性，而夾雜物的存在也會影響工件的力學(xué)性能指標[9-11]。硬度檢測結(jié)果為HRC 48.5～54.5，基本符合技術(shù)指標（HRC 49～54）要求，但是由于存在基體組織不均勻，所以基體硬度分布不均勻，硬度存在軟硬點。

1.3 掃描觀察與能譜分析

使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察金相試樣，并對部分微區(qū)進行能譜分析，結(jié)果如圖4、表1所示。在試樣表面能明顯觀察到顆粒狀夾雜物，結(jié)合EDS分析，可知夾雜物主要為A類（硫化物類）非金屬夾雜物與B類（氧化鋁類）非金屬夾雜物。這些非金屬夾雜物主要是在冶煉過程中加入的脫氧劑在金屬凝固過程中未被排出形成的，夾雜物在金屬的基體中，破壞了工件基體的連續(xù)性，且由于非金屬夾雜物的硬度、韌性等力學(xué)性能與基體存在較大差異，會對基體疲勞強度、耐蝕性與工作壽命造成很大的影響[12-15]。此外，在基體某些區(qū)域檢測到較多的S元素，這容易使工件在熱加工過程中產(chǎn)生“熱脆性”[4]。試樣斷口形貌如圖5所示，斷裂形式主要為解理斷裂，可以在斷口處觀察到明顯的疲勞弧線。

圖 4 SEM金相照片F(xiàn)ig.4 SEM photograph of metallographic structure

表 1 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Results of energy spectrum analysis (mass fraction /%)

圖 5 斷口微觀形貌Fig.5 Fracture morphology

2 分析與討論

檢測結(jié)果表明：失效件的裂紋源位于凸臺內(nèi)側(cè)根部拐角處，由于此處凸臺與模具底座垂直銜接，且凸臺厚度較薄，凸臺根部拐角處倒角略小，故此處產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中效應(yīng)，在惡劣的工況下發(fā)生失效的傾向增大；金相檢測結(jié)果表明，模具鋼經(jīng)熱處理后，基體組織為回火馬氏體+回火托氏體+少量殘余奧氏體，非金屬夾雜物等級i≥2級，材料的潔凈度較低，這些都導(dǎo)致模具鋼硬度不均勻，存在某些微區(qū)的軟點，進一步降低了模具的疲勞強度；掃描與能譜分析表明，在原材料中存在A、B類非金屬夾雜物，且有害元素S在基體某些區(qū)域偏聚，使得模具鋼“熱脆”傾向增大；斷口處的疲勞弧帶證實了模具是由疲勞引起的失效斷裂，且斷裂形式主要為解理斷裂。

綜合上述分析結(jié)果，建議提高鋼的冶金質(zhì)量、改善熱處理工藝并且嚴格控制非金屬夾雜物與有害元素含量，以保證模具鋼擁有良好的疲勞強度和使用壽命。

3 結(jié)論與建議

1）H13熱作模具失效原因為疲勞引起的失效斷裂，裂紋源位于凸臺內(nèi)側(cè)根部拐角處。

2）斷裂原因主要是基體組織不均勻且原材料純凈度較低，基體組織中存在較多非金屬夾雜物，從而導(dǎo)致材料疲勞強度降低。

3）改進建議：加大凸臺壁厚，將凸臺內(nèi)側(cè)拐角弧度增大，以提高凸臺的強度并減少應(yīng)力集中效應(yīng)；嚴格控制冶金質(zhì)量，減少非金屬夾雜物與有害元素含量，使用純凈度較高的原材料；嚴格控制模具鋼的熱處理工藝，使其滿足力學(xué)性能要求，提高使用壽命。