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2019家電模具高峰論壇征文

H13鋼是目前應(yīng)用最廣的熱作模具鋼，具有良好的韌性,、熱疲勞性,、耐磨性、強(qiáng)度及硬度,，并且能抵抗熔融金屬的腐蝕,。

現(xiàn)對(duì)材質(zhì)為H13的壓鑄模失效進(jìn)行研究，模具零件的加工工藝依次為設(shè)計(jì)圖紙訂料,、數(shù)控銑床粗加工,、銑床鉆斜導(dǎo)柱孔、真空熱處理淬火回火至52~54HRC,、磨床研磨倒角,、數(shù)控銑床精加工、電火花加工,、拋光研模,，設(shè)計(jì)使用壽命8萬(wàn)次,，但實(shí)際使用壽命為2.4萬(wàn)次。為查找模具失效原因,，防止裂紋再次產(chǎn)生,，首先在失效模具的裂紋源部位取樣，測(cè)試模具的表面硬度和化學(xué)成分,，對(duì)斷口宏觀(guān)微觀(guān)形貌及熱處理顯微組織進(jìn)行觀(guān)察分析,，最終確定壓鑄模失效開(kāi)裂的原因。

對(duì)象為已失效的H13壓鑄模,，通過(guò)電火花數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)切取模具的裂紋源,，將其切割成金相試樣、硬度試樣和化學(xué)成分測(cè)試試樣,。

化學(xué)成分分析采用火花放電直讀光譜儀,，按GB/T22-2006《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》測(cè)試；表面硬度測(cè)試采用洛氏硬度計(jì),，按GB/T230.1-2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)》測(cè)試,；金相檢測(cè)采用研究級(jí)倒置金相顯微鏡，按GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)模具基材表面進(jìn)行形貌觀(guān)測(cè),；模具裂紋微觀(guān)形貌及能譜檢測(cè)采用SIGMA300掃描電鏡觀(guān)測(cè),。

圖1所示為失效模具取樣部位，失效模具整體外形尺寸為23cm×16cm×6cm,。失效模具裂紋如圖1（a）所示,，分布在模具行位、行位一側(cè)工作面,、直角臺(tái)階根部,、直角臺(tái)階側(cè)面以及背面，從圖1（a）~（c）的開(kāi)口寬度可以看出,，模具的主裂紋在直角臺(tái)階根部及側(cè)面,，而模具行位及行位一側(cè)工作面處裂紋偏細(xì)，裂紋從直角臺(tái)階根部延伸到模具行位和背面平臺(tái),。從模具直角臺(tái)階根部裂紋處、直角臺(tái)階側(cè)面裂紋處以及模具背面裂紋內(nèi)部部位取樣,，如圖1（d）所示,，在此處截取樣品，再將其分為3個(gè)樣品,，其中直角臺(tái)階部位（1號(hào)）用于化學(xué)成分分析以及硬度測(cè)試,，直角臺(tái)階根部側(cè)面裂紋處（2號(hào)）用于觀(guān)察裂紋斷口微觀(guān)形貌及能譜分析，模具背面裂紋處（3號(hào)）用于金相及顯微組織分析,。

（a）失效模具宏觀(guān)形貌

（b）直角臺(tái)階裂紋形貌

（c）背面裂紋形貌

（d）局部取樣形貌

圖1 失效模具及取樣部位

由圖1（a）和（b）可以看到在模具的工作面處存在一個(gè)“直角”,，模具工作時(shí),，在直角臺(tái)階根部形成較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致多源臺(tái)階開(kāi)裂,，初步判定此處為裂紋形成的源頭,。此處還可觀(guān)測(cè)到放射狀條紋和因循環(huán)載荷而產(chǎn)生的疲勞弧線(xiàn)，由此推斷模具直角臺(tái)階根部為產(chǎn)生裂紋的裂紋源,。在循環(huán)載荷的作用下,，形成疲勞裂紋，當(dāng)達(dá)到一定強(qiáng)度后,，直角臺(tái)階根部形成二次應(yīng)力開(kāi)裂并迅速向兩端延伸,。

表1所示為失效模具中各元素的質(zhì)量百分比，標(biāo)準(zhǔn)值參考GB/T1299-2000合金工具鋼,，通過(guò)對(duì)比可知,，失效模具中化學(xué)成分除S元素輕微超標(biāo)，其余元素含量符合《工模具鋼》對(duì)4Cr5MoSiV1模具鋼的要求,。

表2所示為失效模具的洛氏硬度,，在1號(hào)樣上隨機(jī)取5個(gè)點(diǎn)，通過(guò)洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試,，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn),，原材料硬度值較為均勻，且符合要求,。

（a）50×

（b）500×

（c）1000×

圖2 2號(hào)樣斷口掃描圖像

圖2所示為直角臺(tái)階根部側(cè)面裂紋掃描電鏡結(jié)果,，從圖2（a）和（c）可以看到斷口處較為粗糙且出現(xiàn)了較多的多源臺(tái)階條紋以及二次裂紋，從圖2（b）和（c）可以看到失效模具斷面呈現(xiàn)晶粒剝落的形貌特征以及大量脆性的第二相組織,，驗(yàn)證了失效模具的低強(qiáng)度和高脆性,。

綜上所述，2號(hào)樣處出現(xiàn)了較多的多源臺(tái)階以及二次裂紋,，多源條紋是應(yīng)力集中造成開(kāi)裂的特征條紋,，二次裂紋是模具在工作時(shí)受循環(huán)應(yīng)力作用而產(chǎn)生的裂紋，是典型的疲勞斷裂,，且此處裂紋位于直角臺(tái)階處,，初步判斷該區(qū)域是裂紋形成的源頭。

（a）2000×

（b）沿晶表面組織能譜分析

（c）第二項(xiàng)組織能譜分析

圖3 2號(hào)樣斷口掃描圖像及能譜分析結(jié)果

圖3所示為斷口表面及顆粒狀第二相組織掃描電鏡和能譜分析結(jié)果,，表3所示為能譜測(cè)試結(jié)果,。圖3（a）為斷口沿晶表面組織和第二相組織2000倍的二次電子像，斷口沿晶表面組織測(cè)試區(qū)的能譜分析如圖3（b）所示,，斷口表面組織中含有C,、O、Fe等合金元素。

從表3可知,，C,、O、Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為62.91%,、20.02%,、17.08%，斷口表面沿晶組織中含有大量高氧高鐵,，這可能是失效模具放置時(shí)間太久,，導(dǎo)致斷口表面被氧化。斷口第二相組織測(cè)試區(qū)的能譜分析如圖3（c）所示,，斷口表面組織中含有C,、Fe、Cr等合金元素,，斷口顆粒大小約6.4μm,。從表3可知，C,、Fe,、Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71.31%、26.88%,、1.81%,，可以判定斷口第二相組織為Fe和Cr構(gòu)成的顆粒狀碳化物，這可能是材料鍛造工藝及熱處理工藝不規(guī)范造成,，基材組織表面含有高鐵高鉻顆粒狀碳化物,，會(huì)造成基材組織不均勻，這對(duì)降低模具強(qiáng)度,，增大其脆性?xún)A向影響較大,。

（a）100×

（b）500×

圖4 3號(hào)樣金相組織形貌

圖4所示為（3號(hào)）金相試樣的組織形貌，對(duì)失效模具基材進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)和金相組織檢驗(yàn),。根據(jù)GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)方法》對(duì)夾雜物評(píng)級(jí),，結(jié)合ISO評(píng)級(jí)圖評(píng)定，結(jié)果為氧化鋁類(lèi)細(xì)系一級(jí),，屬于可接受的非金屬夾雜物,。觀(guān)察金相組織形貌發(fā)現(xiàn)金相組織為回火馬氏體+碳化物，晶粒細(xì)小且組織分布比較均勻,，未發(fā)現(xiàn)異常情況,，斷定模具基材符合標(biāo)準(zhǔn)，模具失效與基材關(guān)系不大,，從硬度測(cè)試和化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果也能得到印證。

圖5（a）所示為金相試樣未經(jīng)侵蝕的低倍率的掃描電鏡圖像,，經(jīng)拋光后基材裂紋較為平整而且基體材料的組織也較為單一,，經(jīng)光學(xué)顯微鏡觀(guān)察評(píng)級(jí)基材符合標(biāo)準(zhǔn),，圖5（b）所示為金相試樣未經(jīng)侵蝕的高倍率的掃描電鏡圖像，裂紋附近基材分布有不均勻的顆粒狀碳化物及輕微的網(wǎng)狀晶粒脫落,，并伴有二次裂紋的出現(xiàn),，表現(xiàn)為一定脆性。

（a）3號(hào)樣拋光30× 

（b）3號(hào)樣拋光1000×

（c）3號(hào)樣腐蝕后1000× 

（d）3號(hào)樣腐蝕后3000×

圖5 金相試樣裂紋掃描電鏡結(jié)果

圖5（c）和（d）所示為金相試樣經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕后在高倍率掃描電鏡下的圖像,。從圖5（c）可以看出,，經(jīng)硝酸酒精腐蝕后裂紋附近的二次裂紋更加明顯且交叉無(wú)序，二次裂紋是模具工作時(shí)因循環(huán)載荷作用下組織的多次分裂,，是疲勞斷裂的典型形貌特征,。從圖5（d）可以觀(guān)察到模具基體淬硬層表現(xiàn)為細(xì)片狀馬氏體，因其在形成時(shí)互相碰撞,，而且沒(méi)有相應(yīng)的形變來(lái)松弛應(yīng)力,，形成了高應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)就形成顯微裂紋,。

綜上所述,，經(jīng)化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試模具鋼材均符合規(guī)定,，經(jīng)金相及顯微組織檢驗(yàn)?zāi)＞咪摬慕M織均勻,，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。但模具使用不到3萬(wàn)次發(fā)生斷裂,，且在模具直角臺(tái)階處發(fā)現(xiàn)了大量多源臺(tái)階條紋及二次裂紋,，斷定模具是因臺(tái)階處存在直角，因應(yīng)力集中繼而引發(fā)裂紋,，造成模具早期失效,。

模具鋼材經(jīng)過(guò)硬度測(cè)試和化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果都在標(biāo)準(zhǔn)值范圍之內(nèi)，光學(xué)顯微鏡觀(guān)察鋼材顯微組織亦無(wú)明顯缺陷,，金屬夾雜物評(píng)級(jí)及晶粒度也在正常的標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi),，由此推斷模具材質(zhì)與模具開(kāi)裂無(wú)直接關(guān)系。

一般情況下,，直角臺(tái)階處的圓角半徑是以?xún)上噜忂呡^短邊的1/3為宜,，最小不低于R0.5mm，若半徑小于R0.5mm會(huì)造成應(yīng)力集中且應(yīng)力急劇增大,。而模具直角臺(tái)階處圓角的實(shí)測(cè)半徑小于R0.5mm,，不符合設(shè)計(jì)要求。因此,，可以判定該模具臺(tái)階處R角過(guò)小是造成應(yīng)力集中引發(fā)裂紋源,，導(dǎo)致模具早期疲勞斷裂的根本原因。

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