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      H13鋼模具失效分析及解決措施

      發布時間: 2017年02月26日
      H13(4Cr5MoSiV1)是國際上廣泛使用的熱作模具鋼,它具有較高的熱強度和硬度、高的耐磨性和韌性、較好的耐熱疲勞性能,廣泛應用于制造各種鍛模、熱擠壓模以及鋁、銅及其合金的壓鑄模。熱作模具鋼工作時承受很大的沖擊載荷、強烈的摩擦、劇烈的冷熱循環引起的熱應力以及高溫氧化,常常出現崩裂、塌陷、磨損、龜裂等失效形式。
       
          H13熱作模具鋼的化學成分(質量分數,%)如附表所示。
       
      H13熱作模具鋼化學成分(質量分數) (%)
      C Cr
      Mo
      V Si Mn P S
      0.32~0.45 4.75~5.55 1.10~1.75 0.80~1.20 0.80~1.20 0.20~0.50 ≤0.03 ≤0.03
       
      其化學成分特點:
       
          ①中碳,質量分數為0.32~0.45%,以保證高硬度、高韌性和較高的熱疲勞抗力。
       
          ②加入較多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si。Mn可以改變鋼在凝固時所形成的氧化物的性質和形狀,避免硫在晶界上形成低熔點的FeS,而以具有一定塑性的MnS存在,從而消除硫的有害影響,改善H13鋼的熱加工性能;Cr和Si可以提高回火穩定性。
       
          ③加入產生二次硬化的元素Mo、V。Mo、V還能防止第二類回火脆性,提高回火穩定性。
       
      失效影響因素
       
          H13鋼模具的失效問題是一個非常復雜的技術難題,可以從材料、設計、制造和使用四個方面進行分析。
       
          1.化學成分和冶金質量
       
          H13鋼屬于過共析合金鋼類型,組織中存在較多的非金屬夾雜物、碳化物偏析、中心疏松及白點等缺陷,在很大程度上降低模具鋼的強度、韌性及熱疲勞抗力。H13鋼根據質量一般分為普通H13鋼和優質H13鋼。優質H13鋼由于采用了較先進的生產工藝,鋼質純凈,組織均勻,偏析輕微,具有更高的韌性及熱疲勞性能。普通H13鋼則必須進行改鍛,以擊碎大塊非金屬夾雜,消除碳化物偏析,細化碳化物,均勻組織。
       
          2.模具設計
       
          設計模具時應根據成形零件的材料和幾何尺寸確定模塊的外形尺寸,以保證模具的強度。此外,過小的圓角半徑、壁厚差懸殊的扁寬薄壁截面及孔、槽位置不合適等很容易在模具熱處理和使用過程中引起過大的應力集中而萌生裂紋。因此,在模具設計中盡量避免尖角,孔、槽位置應合理布置。
       
          3.制造工藝
       
          (1)鍛造工藝  H13鋼中合金元素含量較多,鍛造時變形抗力較大,且材料的導熱性能較差,共晶溫度較低,稍不注意就會過燒。因此,加熱時應在800~900℃區間預熱,然后再加熱至始鍛溫度1065~1175℃。為擊碎大塊非金屬夾雜,消除碳化物偏析,細化碳化物,均勻組織,鍛造時要反復鐓粗拔長,總鍛比大于4。在鍛造后的冷卻過程中,有產生淬火裂紋的傾向,易在心部產生橫向裂紋。因此,H13鋼鍛后應進行緩慢冷卻。
       
          (2)切削加工  切削加工的表面粗糙度對模具熱疲勞性能有很大影響,模具型腔表面應獲得較低的表面粗糙度,不能留有刀痕、劃傷和毛刺。這些缺陷引起應力集中,誘發熱疲勞裂紋萌生。因此,在加工模具時復雜部位圓角半徑過渡處要防止留有刀痕,孔、槽邊緣和根部的毛刺要打磨掉。
       
          (3)磨削加工  磨削過程中,局部摩擦生熱容易引起燒傷和裂紋等缺陷,并在磨削表面生成殘余拉應力,從而導致模具過早失效。磨削熱引起的燒傷可以使H13模具表面發生回火直至生成回火馬氏體,脆性未回火馬氏體層會大大降低模具的熱疲勞性能。如果磨削表面局部升溫達800℃以上,并且冷卻不充分時,則表層材料會被重新奧氏體化并淬火成馬氏體,因而模具表面層會產生很高的組織應力,同時磨削過程中模具表面溫升極快會引起熱應力,組織應力和熱應力疊加容易造成模具產生磨削裂紋。
       
          (4)電火花加工  電火花加工是現代模具制造過程中不可缺少的精加工手段?;鸹ǚ烹姇r,局部的瞬時溫度高達1000℃以上,使放電處的金屬熔化和氣化,在電火花加工表面有一薄層被熔化而又重新凝固的金屬,其中有許多顯微裂紋。在顯微鏡下這一薄層金屬呈白亮色,即白亮層。研究表明,對于高合金化的H13鋼,電火花加工形成的表面白亮層的顯微組織為初生馬氏體、殘余奧氏體和共晶碳化物,未回火的初生馬氏體存在大量顯微裂紋。H13鋼模具在工作中承受載荷時,這些顯微裂紋很容易發展為宏觀裂紋,導致模具易出現早期斷裂和早期磨損。H13鋼模具經電火花加工后應重新回火,以消除內應力,但回火溫度不要超過電火花加工前的最高回火溫度。
       
          (5)熱處理工藝  合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需要的力學性能,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。熱處理缺陷有過熱、過燒、脫碳、開裂、淬硬層不均勻和硬度不足等。H13鋼模具在服役一定時間后,當積累的內應力達到危險的限度時,應對模具進行去應力回火,否則模具在繼續服役時將會由于內應力引起開裂。
       
          4.模具的使用與維護
       
          (1)模具的預熱  HI3鋼合金元素含量較高,導熱性能較差,因此模具在工作前應充分預熱。預熱溫度過高,模具在使用過程中溫度偏高,強度下降,易產生塑性變形,造成模具表面塌陷;預熱溫度過低,模具開始使用時,瞬間表面溫度變化大,熱應力大,易萌生裂紋。綜合考慮后H13鋼模具的預熱溫度確定為250~300℃,既可降低模具與鍛件的溫差以避免模具表面出現過大的熱應力,又有效地減少了模具表面的塑性變形。
       
          (2)模具的冷卻與潤滑  為減輕模具的熱負荷,避免模具溫度過高,通常在模具工作的間歇對其進行強制性冷卻,由此造成模具周期性的激熱、激冷作用將會產生熱疲勞裂紋。因此,模具使用結束后應緩慢冷卻,否則將會出現熱應力,從而引起模具的開裂失效。H13鋼模具工作時可采用石墨含量為12%的水基石墨進行潤滑,降低成形力,保證金屬在型腔中正常流動和鍛件順利脫模;此外,石墨潤滑劑還具有散熱作用,可以降低H13鋼模具的工作溫度。
       
      失效分析方案
       
          H13鋼模具的制造要經歷設計、選材、鍛造、退火、機加工和熱處理等到一系列工藝環節,每一工藝環節的工藝設計不當或工藝操作不當都會造成模具過早失效,降低模具使用壽命。熱作模具鋼常常出現崩裂、塌陷、磨損和龜裂等失效形式,熱作模具鋼的失效形式、程度和位置記錄了設計、選材、鍛造、退火、機加工和熱處理等到一系列工藝環節中的重要信息。
       
          觀察和分析H13鋼模具的失效位置處的宏觀形貌特征、顯微組織及失效形式,運用金屬學、材料物理及斷裂力學的理論和方法提示H13鋼模具失效位置處的宏觀形貌特征、材料顯微組織及失效形式與模具設計、選材、加工工藝之間的關系,從而提出科學合理的工藝改進措施。
       
          (1)原材料化學成分和冶金質量分析
       
           提高H13鋼的潔凈度,特別降低硫含量是提高H13鋼模具壽命的有效措施。優質H13鋼的硫含量在0.005~0.008%之間。H13鋼是合金元素含量較高的過共析鋼,在冶煉、鑄造時會出現碳化物偏析,鋼錠經鍛軋后形成粗大的碳化物偏析帶。碳化物偏析帶和鑄造殘留的樹枝晶、縮孔、疏松和夾雜直接影響H13鋼模具的組織及性能,是模具早期失效的重要原因之一。對原材料化學成分和冶金質量的分析可以評定原材料是否合格,從而用來指導制定科學合理的鍛造工藝和熱處理工藝。
       
      試驗方法:對H13鋼材原材料進行取樣,分析其化學成分,評定其化學成分是否符合要求;從鋼材中心部位切取試樣,打磨、拋光,采用4%硝酸酒精溶液浸蝕,在光學顯微鏡上檢查顯微組織,按國家相關技術標準對碳化物偏析帶等級、夾雜物等級做出評定。
       
          (2)模具顯微組織分析
       
          顯微組織分析可確定模具失效位置是否存在碳化物偏析帶,大塊非金屬夾雜、網狀碳化物、共晶碳化物及回火馬氏體;微區成分分析可確定模具失效位置的化學成分分布特點;顯微硬度分析可確定模具失效位置的力學性能。綜合分析模具失效位置處的顯微組織、顯微硬度和微區成分,揭示模具失效位置處的宏觀形貌特征及失效形式的微觀機理,正確評價現行的鍛造、球化退火,淬火和回火工藝,從而提出科學合理的工藝改進措施。
       
          試驗方法:從模具失效位置切取試樣,打磨、拋光,采用4%硝酸酒精溶液浸蝕、在光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡上檢查顯微組織,在顯微硬度儀上測量硬度,在俄歇能譜分析儀上確定微區成分。
       
          工藝控制措施
       
          從H13鋼的化學成分和組織特點可以看出,熱加工工藝對H13鋼模具的組織和性能有很大影響,為防止H13鋼模具早期失效、延長使用壽命和提高經濟效益,必須制定科學合理的熱加工工藝。
       
          1.鍛造工藝
       
          H13鋼合金元素含量高,導熱性差,共晶溫度比較低,容易引起過燒。對于直徑大于Ø70mm的坯料,應先在800~900℃區間預熱,然后在始鍛溫度1065~1175℃加熱,鍛造時進行多次拔長鐓粗,總鍛比大于4。
       
          2.球化退火工藝
       
          球化退火工藝的目的是均勻組織,降低硬度,改善切削加工性能,為淬火和回火做組織準備。球化退火工藝是在845~900℃保溫(1h+1min)/mm,然后爐冷至720~740℃等溫(2h+1min)/mm,最后爐冷至500℃出爐空冷,球化退火組織為粒狀珠光體,硬度小于229HBS。球化質量可按GB/T1299-2000標準第一級別圖進行評定。
       
          3. 淬火和回火工藝
       
          H13鋼的最佳熱處理工藝是1020~1080℃加熱后油冷淬火或分級淬火,然后進行560~600℃兩次回火,顯微組織為回火托氏體+回火索氏體+剩余碳化物,顯微硬度為48~52HRC。對于要求熱硬性高的模具(壓鑄模)可取上限加熱溫度淬火。對于要求韌性為主的模具(熱鍛模)可取下限加熱溫度淬火。
       
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