H13 热作模具钢干裂无效问题分析

　　H13 钢是C-Cr-Mo-Si-V 槽钢，在锻造行业中的应用十分普遍。文中根据对断裂失效的H13 模具钢的硬度、宏观经济外貌及显微组织的检测，分析其失效原因，以做为调节热处理方法的重要依据，防止同类问题再次出现，同时为同类公司H13 热作模具钢解决相近无效难题提供借鉴和借鉴。

　　H13 钢归属于热作模具钢，具有很高的延展性、耐热冷疲惫性和良好的热强性、抗氧化能，广泛应用于挤压成型、自由锻、辊锻、冷轧、铝压铸等模具中。H13 热作模具钢的物理性能、组织和热处理工艺有密切的关系，其适用范围比较极端，一般在400 ——600℃中间应用。实践活动说明，在模具的使用中应以模具充足加热、制冷和润化。当热处理方法不不好时，会导致H13 热作模具钢在初期断裂失效，给公司造成一定的损害。我公司使用的H13 钢模具在煅造环节中，曾发生过这类问题，如下图1 所显示。

　　图1 某商品模具干裂

　　干裂模具检验

　　外观检测

　　此H13 钢模具在使用中出现了干裂，用火苗气割枪割掉在其中一块的横断面，如下图2 所显示，从破裂外貌上来说，裂痕源在金相分析创口部位周边，破裂面比较整齐，图上裂缝为金相试样的切取部位。

　　金相检测

　　在图2 所显示部位抽样，尺寸为10mm×10mm×15 mm，检验面垂直于破裂面。通过抛光处理试件后，将未腐蚀的试件放置显微镜下观查，没有明显参杂印痕。将试件用5%氰化钠酒精腐蚀后，获得通过浸蚀处理H13 钢金相图，如下图3 所显示。依据GB/T 8420-2008 热作模具钢合金成分评级标准。对试件合金成分开展定级，合金成分处于2 级至3 级中间，淬淬火机构不错。

　　图2 破裂横截面

　　图3 500 倍显微镜合金成分图及局部放大图

　　硬度标准

　　将金相表明面做为硬度标准面，任意取三个点，测出强度为65HRC、72HRC、67HRC，获得均值强度为68HRC。钢中含碳与淬硬钢强度趋势图如下图4 所显示。H13 钢的淬火硬度为55HRC 上下，故可以确定其淬火硬度太高。

　　图4 钢中含碳与淬硬钢强度曲线图

　　模具干裂根本原因及对策

　　组织分析

　　热处理加热温度对H13 钢的机构影响很大，热处理加热温度的挑选要以获得匀称微小的马氏体为准则，确保在热处理后获得微小的马氏体组织。由图2 得知合金成分定级可评选为2 级，其淬淬火所得到的机构不错，表层没有明显参杂、缩松状况，可以预测其铸钢件原材料比较纯粹，且早期热处理方法效果比较好。

　　强度剖析

　　⑴淬火温度对H13 钢的硬度危害。

　　淬火温度对H13 钢硬度产生的影响，由图5 得知，伴随着热处理温度的升高，H13 钢的硬度也会跟着扩大，其原因是：一方面是淬火温度提升，冷速获得了提升，体系中所形成的奥氏体成分提升，强度提升；另一方面伴随着淬火温度的提升加快了铝合金渗碳体的融解，使热处理后奥氏体里的碳和合金成分提升，从而提高H13 钢的切削性能和淬硬性，热处理后的硬度当然获得了提升。当淬火温度为1100℃时，H13 钢的硬度可以达到，这会对提升H13 钢的耐磨性能是有好处的，但在钢的基材上很容易出现裂痕。

　　图5 H13 钢硬度与淬火温度之间的关系曲线图

　　⑵回火温度对H13 钢的硬度危害。

　　由图6 回火温度对硬度的危害曲线图中可以看到，伴随着淬火温度的升高，H13 钢的淬火强度先减少，随后逐步增加，达到峰值之后又持续下降，存在明显的二次硬化状况，而且二次硬化的更高值温度是350℃，不过随着回火温度的持续上升，H13 钢的硬度下降至33.6HRC，这时不再达到做为模具钢的硬度规定。

　　图6 H13 钢回火温度对硬度的危害

　　由图7 钢在620℃淬火时保温时间对硬度的危害曲线图中可以看到，伴随着隔热保温时间的延长，H13 钢的硬度逐渐下降。当不隔热保温时，H13 钢的硬度贴近50HRC，而隔热保温22h 之后，H13 钢的硬度降到35HRC。模具钢的耐热性是钢淬火后经过充足淬火得到一定强度之后所进行的加温隔热保温全过程。因而，伴随着隔热保温时间的延长，H13 钢的硬度持续下降，这主要是因为钢里的合金成分，如碳、铬等固溶度减少，渗碳体脱溶沉积。

　　图7 H13 钢淬火保温时间对硬度的危害

　　依据H13 钢中含碳与淬硬钢强度曲线图得知，淬火温度过高或淬火气温较低、淬火隔热保温时间很短等都会导致H13 钢硬度较高，而淬火不全面可能导致模具强度分布不均。该模具在热加工过程中可能因为操作失误，或是炉温控制因素导致模具在淬、淬火后强度较高，进一步影响到了模具的断裂韧性，很终促使显微组织处在不稳定状态，残余热应力太大，在外力的作用更易产生干裂，导致模具早期失效破裂。

　　避免模具无效的应对策略

　　⑴模具的加热。

　　由于H13 钢的合金成分比较多传热性较弱，加热气温较低，模具使用中内应力比较大，易开裂，因此需要充足加热，但预热温度太高也会影响到其物理性能，造成形状变化，一般预热温度为250 ——300℃。

　　⑵模具的制冷。

　　由于H13 钢服现役标准温度较高，使用一定的时间后，模具温度太高，可能小于使用强度规定，因此需要强制冷却至有效环境温度，迅速激冷也会导致模具造成热疲劳裂纹，使用后需迟缓制冷，防止内应力。

　　⑶模具的润化。

　　对于煅造模具，使用中需要一定的高纯石墨、炭粉对凹模部位进行润化，降低其成型力，确保原材料正常的流动性，防止爆裂和保证铸钢件成功出模，与此同时高纯石墨也有排热的功效。

　　结语

　　在模具制做使用中，成分与冶金工业品质、模具设计方案、加工工艺、模具日常维护和应用等多种因素都会导致模具无效。科学合理的热处理方法能使模具得到出色综合物理性能，提升模具的使用期。可是若因热处理方法设计方案不合理或操作失误而出现热处理工艺缺点，将严重威胁模具的承载力，造成早期失效，减少使用寿命。

　　文中根据深入研究，确定了某商品H13 钢模具的破裂归属于脆断，主要原因是不合理的热处理方法造成模具总体强度较高，且强度遍布不匀，导致模具的断裂韧性比较低，致使早期失效破裂。找到该模具失效原因，以做为热处理工艺部门调整其热处理方法的重要依据，防止同类问题再次出现