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H13热作模具钢在热处理工艺不良时,会出现早期断裂失效
H13 热作模具钢开裂失效问题分析
H13 钢是C-Cr-Mo-Si-V 型钢，在锻造行业上的应用非常普遍。本文通过对断裂失效的H13 模具钢的硬度、宏观形貌及显微组织的检测，分析其失效原因，以作为调整热处理工艺的依据，避免同类问题的再次发生，同时也为同类企业H13 热作模具钢处理类似失效问题提供参考和借鉴。
H13 钢属于热作模具钢，具有较高的韧性、耐冷热疲劳性与优良的热强性、抗氧化性能，被广泛应用于热挤压、模锻、辊锻、轧制、压铸等模具中。H13 热作模具钢的力学性能、组织与热处理有密切的联系，其使用条件较为恶劣，一般在400 ——600℃之间使用。实践表明，在模具的使用过程中应使模具充分预热、冷却和润滑。当热处理工艺不佳时，会造成H13 热作模具钢在早期断裂失效，给企业造成一定的损失。我公司使用的H13 钢模具在锻造过程中，曾出现过此类问题，如图1 所示。
图1 某产品模具开裂
开裂模具检测
外观检测
此H13 钢模具在使用过程中发生了开裂，用火焰气割枪割下其中一块的断面，如图2 所示，从断裂形貌上来看，裂纹源在金相切口位置附近，断裂面较为平整，图中空洞为金相试样的切取位置。
金相检测
在图2 所示位置取样，大小为10mm×10mm×15 mm，检测面平行于断裂面。经过打磨抛光试样后，将未腐蚀的试样置于光学显微镜下观察，无明显夹杂痕迹。将试样用5%硝酸酒精腐蚀后，得到经过腐蚀处理的H13 钢金相图，如图3 所示。根据GB/T 8420-2008 热作模具钢金相组织评级标准。对试样金相组织进行评级，金相组织介于2 级至3 级之间，淬回火组织较好。
图2 断裂截面
图3 500 倍光学显微镜金相组织图和局部放大图
硬度测试
将金相显示面作为硬度测试面，随机取三个点，测得硬度为65HRC、72HRC、67HRC，取得平均硬度为68HRC。钢中含碳量与淬火钢硬度曲线图如图4 所示。H13 钢的淬火硬度为55HRC 左右，故可以判断其淬火硬度过高。
图4 钢中含碳量与淬火钢硬度曲线
模具开裂原因分析及措施
组织分析
淬火加热温度对H13 钢的组织影响较大，淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体为原则，以便在淬火后获得细小的马氏体组织。由图2 可知金相组织评级可评为2 级，其淬回火得到的组织较好，表面无明显夹杂、偏析现象，可以预测其钢锭材料较为纯净，且前期热处理工艺效果较好。
硬度分析
⑴淬火温度对H13 钢的硬度影响。
淬火温度对H13 钢硬度的影响，由图5 可知，随着淬火温度的升高，H13 钢的硬度也随之增大，其主要原因是：一方面是淬火温度增加，冷却速度得到了提高，组织中形成的马氏体含量增加，硬度提高；另一方面随着淬火温度的提高加速了合金碳化物的溶解，使淬火后马氏体中的碳和合金元素增加，从而提高了H13 钢的淬透性和淬硬性，淬火后的硬度自然得到了提高。当淬火温度为1100℃时，H13 钢的硬度可达，这对提高H13 钢的耐磨性是有利的，但是在钢的基体上容易出现裂纹。
图5 H13 钢硬度与淬火温度的关系曲线
⑵回火温度对H13 钢的硬度影响。
从图6 回火温度对硬度的影响曲线中可以看出，随着回火温度的升高，H13 钢的回火硬度先降低，然后逐渐增加，达到峰值后又呈下降趋势，存在明显的二次硬化现象，并且二次硬化的峰值温度在350℃，而随着回火温度的继续升高，H13 钢的硬度下降到33.6HRC，此时已不满足作为模具钢的硬度要求。
图6 H13 钢回火温度对硬度的影响
从图7 钢在620℃回火时保温时间对硬度的影响曲线中可以看出，随着保温时间的延长，H13 钢的硬度逐渐降低。当不保温时，H13 钢的硬度接近50HRC，而保温22h 以后，H13 钢的硬度降低到35HRC。模具钢的热稳定性是钢淬火后经过充分回火获得一定硬度以后进行的加热保温过程。因此，随着保温时间的延长，H13 钢的硬度不断下降，这主要是由于钢中的合金元素，如碳、铬等的固溶度减小，碳化物脱溶沉淀。
图7 H13 钢回火保温时间对硬度的影响
根据H13 钢中含碳量与淬火钢硬度曲线可知，淬火温度过高或回火温度较低、回火保温时间较短等都可能造成H13 钢硬度偏高，而回火不充分可能造成模具硬度分布不均。该模具在热处理过程中可能由于操作不当，或者炉温控制问题导致模具在淬、回火后硬度偏高，进一步影响到模具的冲击韧性，很终使得显微组织处于不稳定状态，残留内应力过大，在外力作用时易发生开裂，造成模具早期失效断裂。
防止模具失效的应对措施
⑴模具的预热。
因为H13 钢的合金元素较多导热性较差，预热温度较低，模具使用时热应力较大，易产生裂纹，所以需要充分预热，但预热温度过高也会影响其力学性能，引起塑性变形，一般预热温度为250 ——300℃。
⑵模具的冷却。
因为H13 钢服役条件温度较高，在使用一定的时长后，模具温度过高，将会低于使用强度要求，所以需要强制冷却至合理温度，快速急冷会导致模具产生热疲劳裂纹，在使用后需缓慢冷却，避免热应力。
⑶模具的润滑。
针对锻造模具，使用过程中需要一定的石墨、碳粉对型腔表面进行润滑，降低其成形力，保证材料正常流动，避免胀裂和保证锻件顺利脱模，同时石墨还有散热的作用。
结束语
在模具制作使用过程中，化学成分与冶金质量、模具设计、制造工艺、模具的维护与使用等因素都可能造成模具失效。合理的热处理工艺可以使模具获得优秀的综合力学性能，提高模具的使用寿命。但是如果因热处理工艺设计不当或操作不当而产生热处理缺陷，将严重危害模具的承载能力，引起早期失效，缩短工作寿命。
本文通过研究分析，确认了某产品H13 钢模具的断裂属于脆性断裂，其原因是不合理的热处理工艺导致模具整体硬度偏高，且硬度分布不均匀，造成模具的冲击韧性很低，导致其早期失效断裂。找出该模具失效原因，以作为热处理部门调整其热处理工艺的依据，避免同类问题的再次发生。
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