H13钢模具表面裂纹原因分析.pdf

失效分析August,2023RECHULIJISHUYUZHUANGBEI2023年8 月Vol.44,No.4第44卷第4期热处理技术与装备H13钢模具表面裂纹原因分析何荣福,杨雄强,何健楠,叶鹏（广东中南股份有限公司制造管理部，广东韶关512123)摘要：针对H13钢模具在生产加工过程中出现表面裂纹缺陷，对断裂试样进行了化学成分分析、金相组织观察、能谱分析等检测。试验结果表明,H13钢模具表面裂纹是由于淬火工艺不当产生的表面火裂纹。关键词：H13钢；表面裂纹；淬火裂纹中图分类号：TG162.4文献标识码：B文章编号：16 7 3-49 7 1(2 0 2 3)0 4-0 0 6 2-0 4Cause Analysis on Surface Crack of H13 Steel DieHE Rong-fu,YANG Xiong-qiang,HE Jian-nan,YE Peng(Manufacturing Management Department of Guangdong Zhongnan Co.,Ltd.,Shaoguan Guangdong 512123,China)Abstract:In view of the surface crack defects of H13 steel die in the production and processing,the fracturesamples were analyzed by chemical composition,metallographic observation,energy spectrum analysis andother tests.The results showed that the the surface cracks of H13 steel die were caused by improper quench-ing process.Key words:H13 steel;surface crack;quenching crackH13热作模具钢是一种过共析钢，我国于2 0 世纪80年代初引进的国外通用热作模具钢，国际标准化组织称为40 CrMoV5，对应国内牌号4Cr5MoSiV1，属于中碳中合金热作模具钢的铬系钢种，具有较高的淬硬性、强度、韧性以及抗热疲劳性能，是一种强韧兼备的热作模具钢，多用于热锻模、热挤压模和铝、锌、镁等有色金属的压铸模，以及较精密的塑料模具的制造。H13 钢有良好的冷热疲劳性，在工况温度6 0 0时代替3Cr2W8V钢，制造的模具寿命有显著提升，因此在应用过程中已大量替代3Cr2W8V钢。当H13钢工况温度升高到6 0 0 左右时，在较高的服役强度下仍然能保持高韧性；但当使用温度超过6 0 0 时，H13钢的热强性欠佳，因此不适合压铸高熔点合金 2 O某厂将直径55mm的H13圆棒加工成模具，加工工艺为：下料毛车调质（10 6 0 淬油+6 0 0 回火）一粗磨、细磨一成品。调质后在加工过程中发现H13钢模具表面存在裂纹，如图1所示。本文对H13钢模具的表面裂纹进行检测分析，找到模具表面产生裂纹的原因，并制定改进措施，为H13钢模具表面出现裂纹问题提供分析依据。图1H13钢模具表面裂纹Fig.1SSurfacecrackof H13steel die收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 2作者简介：何荣福（19 8 9 一），男，本科，工程师，主要从事金属材料性能检测、失效分析等方面的研究。联系电话：136 8 0 0 8 38 0 5；E-mail：a 312 9 7 b a o s t e e l.c o m63第4期何荣福等：H13钢模具表面裂纹原因分析1试验方法和结果1.1化学成分分析在H13钢模具表面裂纹位置取样进行化学成分分析，按照标准GB/T201232006钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）和GB/T201252006低合金钢多元素含量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法对碳、硅、锰、磷、硫、铬等元素含量进行检测，结果见表1。由表1可知，H13钢模具的化学成分符合标准要求。1.2金相组织观察在H13钢模具裂纹处横剖，采用金相显微镜观察试样横截面金相组织，如图2 所示。试样边部存在一条深1.9 mm的裂纹，见图2（a）；裂纹内存在氧化铁，未见异常夹杂物及氧化质点，见图2（b）；裂纹端部与表面约呈45角，然后垂直表面向里延伸，裂纹末端呈锯齿状，见图2（c）、2（d）。腐蚀后，裂纹两侧未见脱碳现象，组织为回火索氏体，晶粒尺寸较粗大，达2 0 m，如图3所示。表1化化学成分（质量分数，%）Table1Chemical composition(mass fraction,%)元素CSiMnMoPSCrV技术要求0.320.45 0.801.200.200.501.10 1.750.030.034.755.500.801.20检测值0.380.990.411.330.0130.0025.190.87(a)(b)200mEHT-20.00kVSignalA-NTS BSD500umWD=8.0mmMa=30 x(d)20umEHT=20.00kVSigmalA=NTS BSD50umWD=8.0mmMag=600（a）裂纹整体形貌；（b）裂纹横截面形貌；（c）裂纹始端形貌；（d）)裂纹末端形貌图2 裂纹横截面金相组织(a)overall crack morphology;(b)morphology of crack cross-section;(c)top morphology of crack;(d)end morphology of crackFig.2Microstructure of crack cross-sectionb50m50m50um（a）裂纹整体形貌；（b）裂纹始端形貌；（c）基体形貌图3腐蚀后裂纹横截面金相组织(a)overall crack morphology;(b)crack top morphology;(c)matrix morphologyFig.3Microstructure of crack cross-section after corrosion64第44卷热处理技术与装备1.3裂纹处及断口能谱分析采用扫描电子显微镜对试样横截面裂纹处进行能谱分析,裂纹始端内氧化铁主要含有O、Fe、C、Cr等元素，见图4；裂纹末端主要含有O、Fe、C、Cr、Si、V、M o 等元素，见图5。观察试样裂纹处的断口形貌，发现裂纹断口上存在氧化层，晶粒呈熔融形貌，对其进行成分分析，主要含有0、Fe、C、Cr 等元素，见图6、图7。谱图处理：可能被忽略的峰：2.6 35,4.48 0 keV处理选项：所有经过分析的元素（已归一化）重复次数=5谱图标准样品：CCacO31-6-1999 12:00 AM0SiO21-6199912:00AM40umCrCr1-6-199912:00AM图门FeFe1-6-199912:00AM元素重量百分比/%原子百分比/%0CrCK6.8515.79FeOK30.8053.29CrK0.360.19FeK61.9930.72总量100.00FeCCrCr012345678kev图4裂纹横截面始端能谱图Fig.4Energy spectrum at the top of crack cross-section谱图处理：可能被忽略的峰：4.455，11.2 2 0 keV处理选项：所有经过分析的元素（已归一化）重复次数=3标准样品：CCaCo;1-6-199912:00AM0SiO21-6-199912:00AMSiSiO21-6-199912:00AMVV1-6-199912:00AM照图5CrCr1-6-199912:00AM20umFeFe电子铺准1-6-199912:00AMMoMo1-6-199912:00AM请图5元素重量百分比/%原子百分比/%CK3.259.13FeOK21.3745.01O:SiK0.700.85CVK1.260.83CrK4.973.22FeK67.1340.50MoL1.320.46Fe总量100.00CsiMo八012345678kev图5裂纹横截面末端能谱图Fig.5Energy spectrum at the end of crack cross-section2分析与讨论H13钢模具的化学成分满足技术条件要求；裂纹内及两侧未见非金属夹杂物、脱碳、氧化质点，排除裂纹产生于热处理前的可能性 3-4。裂纹呈锯齿状由近似垂直表面向心部延伸，断口呈沿晶、熔融形20umEHT=20.00kVSignalA=SElWD=9.5mmMag-600 x图6裂纹断口形貌Fig.66Crack fracturemorphology罐图5谱图处理：没有被忽略的峰处理选项：所有经过分析的元素（已归一化）重复次数=4标准样品：CCaCO;1-6-1999 12:00AM0SiO21-6-199912:00AMFeFe1-6199912:00AM80mMoMo1-6199912:00AM谐图Cr元索重量百分比/%原子百分比%CK2.786.33OK37.6764.46FeCrK0.740.39FeK58.8128.83总量100.00FeCCT012345678图7裂纹断口处能谱图Fig.7Energy spectrum of crack fracture貌，说明裂纹为典型淬火裂纹 5-7 。O淬火裂纹是一种脆断性质的裂纹，是零件在淬火过程中形成的应力超过材料断裂强度而产生的 7-9 。不同淬火裂纹的形成原因是不同的，而导致淬火裂纹产生的各种内因和外因，主要是通过对内应力和材料断裂强度的影响作用的 10 淬火加热温度过高或在加热温度下保温时间过长，一般都会增加开裂倾向。因为这时的奥氏体过饱和碳浓度偏高，由于晶界未溶碳化物的分布不均匀，导致了对晶界的钉扎作用程度是不同的。随着淬火温度的不断升高，未溶碳化物会逐渐溶解到奥氏体中，导致淬火后的晶粒尺寸明显增加。淬火后不仅得到粗大的淬火马氏体，在模具表面和心部还会产生很大的温差，导致产生相应的体积膨胀。由于表面收缩受到低温度的心部金属的阻碍，于是在表面与心部分别产生了压应力和拉应力，其峰值各产生在零件的外表面，当最大拉应力超过钢的断裂强度时，导致H13钢模具产生表面淬火裂纹(-12?65第4期何荣福等：H13钢模具表面裂纹原因分析在H13钢的热处理过程中，可增加8 0 0 8 50 预热并降低淬火温度 13，目的是为了避免过快的加热速度在模腔内形成温度梯度所引起的应力而导致模具畸变；还可有效地促进奥氏体均匀化，减小淬火开裂倾向，避免产生淬火裂纹。3结论1)H13钢模具表面裂纹是由于淬火工艺不当导致的淬火裂纹。2)由于淬火温度过高，在淬火过程中晶界未溶碳化物的分布不均匀，晶粒尺寸明显增加，在模具表面和心部产生很大的温差，使表面与心部分别产生压应力和拉应力,其峰值各产生在零件的外表面，当最大拉应力超过H13钢的断裂强度时，产生表面淬火裂纹。3通过增加8 0 0 8 50 预热并降低淬火温度，可避免过快的加热速度在模腔内形成温度梯度所引起的应力而导致模具畸变；还可有效地促进奥氏体均匀化，减小淬火开裂倾向，避免产生淬火裂纹。参考文献1毛明涛，郭汉杰，孙晓林，等.H13热作模具钢中液析碳化物的研究进展J.工程科学学报，2 0 18,40（11）：1288-1299.2刘静安.4Cr5MoV1Si（H 13）热作模具钢的工艺性能和热处理特性A.重庆汽车摩托车、焊接、涂装学术研讨会文集C.成都：四川省汽车工程学会，2 0 0 0：2 34237.3江国清，林信智.零件结构或表面质量等因素导致的淬火裂纹 J.金属加工：热加工，2 0 14（1）：2 2-2 4.4王广生.金属热处理缺陷分析及案例M.北京：机械工业出版社,2 0 0 7.5刘宗昌.淬火开裂及防止方法 J.热处理,2 0 10,2 5（3）：72-79.6薄鑫涛.热处理应力对淬火裂纹的影响 J.热处理，2017,32(4):35 35.7孙盛玉.热处理裂纹分析图谱M.大连：大连出版社，2002.8刘进益.热处理裂纹分析-典型淬火裂纹 J.东方电机,2 0 0 9(1):44-51.9刘宗昌.淬火开裂及防止方法（续）J.热处理，2 0 10，25(5):72 79.10 3王丽莲.H13钢模具真空淬火致裂原因探讨J.热处理,2 0 10,2 5(5):39-43.11王金国.H13热作模具钢的热处理工艺研究 J.中国金属通报,2 0 17(11)：12 1-12 2.12 3王鹏，张杰江,胡亚民.国内外H13钢的应用及发展 J.模具工程,2 0 0 7(10)：17-2 4.13 麻梦梅，雷大俊.H13钢热处理工艺及研究现状 J.热处理技术与与装备，2 0 2 3,44(1）：13-16.