王彥俊，李鵬偉，孫 巍，李延軍，白云鵬，陳立超

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

H13鋼(4Cr5MoSiV1)是國際上廣泛應用的一種空冷硬化型熱作模具鋼。H13鋼具有較高的韌性和耐冷熱疲勞性能，不容易產生熱疲勞裂紋;且抗粘結力強，與熔融金屬相互作用小，因此，廣泛應用于熱鐓鍛、熱擠壓和壓鑄模具的制造［1-2］。隨著鋁型材應用行業(yè)的不斷發(fā)展，近年來市場對鋁型材的斷面形狀、尺寸公差、表面質量等方面都有了越來越嚴格的要求，而模具的工作條件又是非常惡劣的，在高溫、高壓下承受劇烈的摩擦、磨損作用;因此，對模具的要求也越來越高，對提高模具的使用壽命至關重要。

根據生產現場調查，該失效模具用于125MN擠壓機，模具外形尺寸 φ790 mm×(170～180)mm，擠壓比為25.7，最大擠壓力為25～26 MPa，模具預熱溫度為500±10℃，擠壓速率為0.7～1.3 m/min，鋁錠最高加熱溫度為525±10℃，最終擠壓鋁型材約10 t失效。失效模具分流橋處出現裂紋，擠壓合金狀態(tài)7N01S－T5，該模具原材料為進口H13鋼，其組織符合NADCA－203標準。本研究對斷裂分流橋斷口的宏微觀形貌、金相組織及模具受力情況進行分析，測試其室溫/高溫力學性能、硬度、沖擊強度，以查找其失效原因，為預防同類故障的發(fā)生提供參考。

1 試驗過程與結果

1.1 斷口宏觀觀察

圖1為失效模具實物照片，該模具為某大型鋁合金型材擠壓模具上模——分流模，圖中白色箭頭所指為斷裂位置。將圖1中失效位置進行分解、觀察，可見斷口較為平齊，無明顯塑性變形，斷裂面與主應力方向垂直，為典型脆性斷口(圖2)，有明顯放射棱線，為解理斷裂［3-4］，有線性多源特征，白色箭頭所示為裂紋源區(qū)，黑色箭頭所指示的區(qū)域為裂紋擴展區(qū)，該區(qū)存在自擠壓裂紋處流入的鋁合金，源區(qū)顏色發(fā)暗，宏觀未見夾雜等其他肉眼可見冶金缺陷。

1.2 斷口微觀觀察

采用體積比為 V(NaOH)∶V(K2MnO4)∶V(H2O)=4∶3∶15的水溶液煮沸，去除斷口夾雜物［5］，待夾雜物清除后用稀Na2CO3或NaHCO3進行第1次清洗，然后采用蒸餾水第2次清洗，第3次采用酒精清洗，吹干待觀察。采用SSX－550掃描電鏡觀察斷口微觀形貌，斷口源區(qū)及擴展區(qū)典型形貌如圖3、圖4，源區(qū)為線性多源特征，可見棱線由裂紋源向內擴展放射。由圖4可見，裂紋源斷口較為平齊，平臺寬度約為156 μm，顏色發(fā)暗，未見夾雜等冶金缺陷。根據模具使用狀況分析，該模具分2次使用，源區(qū)裂紋可能在第1次擠壓過程中就產生了，在第2次使用時裂紋產生擴展，與調查、分析結果相符合，斷口干凈無附著物。圖5為裂紋擴展區(qū)形貌，可見擴展區(qū)存在大量二次裂紋，并呈現沿晶開裂特征;圖6為瞬斷區(qū)形貌，未見韌窩特征，同樣存在二次裂紋，并沿晶開裂，分析二次裂紋主要是模具受到較大熱應力而產生的，為典型脆性斷裂。

1.3 模具受力分析

分流模的工作原理是在擠壓機的擠壓力作用下，金屬向擠壓桿運動方向流動，經過分流孔分流，匯集于下模的焊合室，在高溫高壓的作用下，在焊合室內重新匯合起來形成以模芯為中心的整體材料，最后通過模芯與?？姿纬傻拈g隙流出，得到符合設計要求的制品［1］。上模所承受的載荷力是擠壓桿通過金屬坯料加載在上模上的力，在擠壓過程中，由于力學條件是隨著金屬體積、金屬與擠壓筒之間的接觸表面狀態(tài)、接觸摩擦力、擠壓溫度速度范圍，以及其他條件變化而不斷發(fā)生變化的。在整個擠壓過程中，上模所承受的載荷變化幅度相當大，且擠壓機在加載擠壓力時只需要幾秒鐘，在短暫的時間內模具所承受載荷發(fā)生急劇變化，受到沖擊作用。另外，由于更換鋁錠時需要間歇地停止擠壓操作，在工作時間和非工作時間，模具長時間在周期性變化的載荷下工作，這種情況屬于動載荷。試驗結果和理論分析表明，在零件尺寸突然改變的截面上，應力分布是不均勻的，由此可見，模具斷裂位置在模具分流橋根部與模芯過渡區(qū)，截面尺寸發(fā)生很大變化;因此，在該部位應力集中對模具的斷裂有嚴重影響。

1.4 力學性能

從失效分流橋處截取拉伸試樣，分別做室溫、高溫拉伸試驗，高溫拉伸溫度為520℃，試驗結果見表 1。一般合金結構鋼屈強比為 0.84～0.86［6］，該模具的室溫屈強比為 0.76，明顯偏小。屈強比大小主要由熱處理工藝決定的，屈強比越大，說明可靠性越高，屈強比越小，表示其抗變形能力較強，但易發(fā)生脆性破壞。

1.5 硬度及沖擊性能

設計要求模具熱處理后硬度為44～46 HRC，對斷裂分流橋進行硬度檢測，結果為41～42 HRC，硬度略低于設計要求值。根據DIEVAR瑞典熱作模具鋼原材料技術指導書中模具鋼硬度隨溫度和時間變化曲線(圖7)可知，硬度為45 HRC的模具在溫度550℃、工作100 h后，硬度下降至42 HRC左右，而該失效模具總工作時間不超過20 h，硬度變?yōu)?1～42 HRC，由此判斷可能是材料的硬度偏低。如果模具使用溫度在550～600℃，模具的硬度隨使用時間的延長下降很快，其他性能也迅速下降。已知在擠壓前模具預熱500±10℃，鑄錠加熱525±5℃，擠壓過程中模具產生大量的熱以及鑄錠向模具進行熱傳遞，模具溫度逐漸升高，而擠出型材僅帶走很少一部分熱量，由此分析模具工作溫度至少在550℃以上，模具在如此高溫下工作硬度下降非?？欤员仨殗栏窨刂茢D壓工藝參數，保持工藝合理性對模具的使用壽命非常重要。沖擊試驗在擺錘能量為300 J、最大擺角為150°的ZBC 2302－3金屬擺錘沖擊試驗機上進行，共對3個沖擊試樣進行了試驗(圖8)，沖擊強度平均值為18 J/cm2。

表1 力學性能結果Table 1 Results of mechanical property analysis

1.6 顯微組織分析

失效部位的H13顯微組織如圖9所示。經調質處理組織為回火索氏體(S回)+隱針馬氏體(M隱針)+殘余奧氏體(A殘)+少量碳化物(C少)，無過熱特征，由材料組織觀察可見:材料中的殘余奧氏體量較多，表明模具在熱處理過程中存在回火不足，殘余奧氏體量越多，硬度越低。圖10為模具斷裂邊緣的顯微組織，由圖可見，裂紋從模具的邊緣向基體內擴展延伸，邊緣區(qū)域未見可疑夾雜物、碳化物等明顯缺陷，模具表面經過滲氮處理，未見白亮層，說明滲氮工藝沒有問題。

1.7 化學成分分析

化學成分分析結果見表2，由表可見，材料符合 GB/T 1299—2000［7］要求。

表2 化學成分分析結果(質量分數/%)Table 2 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

2 分析與討論

綜上所述，影響H13模具使用壽命因素很多，根據對失效模具斷口分析，分流橋根部斷裂為典型脆性斷口，有明顯放射棱線并出現線性多源特征，擴展區(qū)存在大量沿晶二次裂紋，從模具的失效位置進行受力分析，上模在擠壓過程中，分流橋部位承受較大應力，主要以拉應力為主，同時長時間處于高溫、動載荷作用下，該部位材料的性能下降迅速，模具分流橋根部與模芯過渡區(qū)截面尺寸發(fā)生很大變化，從而在該部位產生應力集中對模具的斷裂有嚴重影響。

金相顯微組織中發(fā)現較多殘余奧氏體，基體硬度為41～42 HRC，低于設計要求，存在熱處理過程中淬火溫度偏低、模具淬火冷卻能力不足、回火不充分等因素。顯微組織中未見過熱與過燒的粗大組織和晶粒出現，所以可排除過熱、過燒導致沿晶現象。力學性能檢測結果證實，材料的屈強比偏小，而屈強比大小主要由熱處理工藝決定的，因此該模具的熱處理制度有待改進。該模具原熱處理工藝最高淬火加熱溫度為1025℃，根據文獻［8］，H13鋼淬火加熱溫度為1 020～1050℃，建議淬火溫度提高到1 030～1 040℃;原回火制度采用2次回火，第1次為585℃保溫6 h，第2次為605℃保溫6 h，建議采用3次回火，第1次585℃保溫6 h，第2次605℃保溫6 h，第3次585℃保溫6 h，目的是提高模具的回火穩(wěn)定性、紅硬性。

從使用條件分析，已知在擠壓前模具預熱500±10℃，鑄錠加熱525±5℃，擠壓速度為0.7～1.3 m/min，擠壓過程中模具產生大量的熱以及鑄錠向模具進行熱傳遞，模具溫度升高，而擠出型材只帶走很少一部分熱量。由圖7分析，模具在500～550℃工作時，硬度下降的比較緩慢，穩(wěn)定性也較高;而在550～600℃時硬度下降的非常快，在此溫度范圍內長時間工作必然導致模具提前失效，如果鑄錠加熱溫度過低，在擠壓過程中擠壓機容易發(fā)生悶車，而鑄錠加熱溫度過高，則影響型材表面質量，如果在鑄錠高溫下保持正常的擠壓速度，模具溫度就會升高，從而影響模具的使用壽命;建議模具在試模階段以低于正常擠壓速度進行擠壓，待模具基本穩(wěn)定后再提高到正常擠壓速度，鑄錠加熱溫度要合適，所以嚴格控制擠壓工藝參數的合理性，這對模具的使用壽命延長有重要意義。

3 結論

1)上模分流橋斷裂性質為脆性斷裂;

2)上模的開裂與其加工工藝及模具鋼原材料無直接關系;

3)模具的失效原因是由于熱處理制度不符合技術要求，硬度低、屈強比小、模具的使用溫度過高、分流橋根部產生應力集中等引起的;

4)模具在500～550℃工作溫度下使用穩(wěn)定性較高，建議嚴格控制擠壓工藝參數。

［1］張銀意.H13鋼鋁型材擠壓模具失效分析及其熱處理工藝優(yōu)化［D］.廣西:廣西大學學位論文，2010:29－44.

［2］陳再良，付海峰，呂東顯，等.模具主要失效模式與可靠性技術［J］.失效分析與預防，2011，6(4):261－266.

［3］崔約賢，王長利.金屬斷口分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998:24 －26，203－210.

［4］吳俊峰.上夾板斷裂原因分析［J］.失效分析與預防，2012，7(1):25－28.

［5］陳君才.金屬構件的失效分析［M］.四川:成都科技大學出版社:1987:22－49.

［6］師昌緒，鐘群鵬，李成功.中國材料工程大典(第1卷)——材料科學基礎［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005:717－825.

［7］GB/T 1299—2000合金工具鋼［S］.北京:中國標準出版社，2000.

［8］徐進，姜先畬，姜先畬，等.模具鋼［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1998:240－250.