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H13钢模具 失效分析及解决措施

发布时间: 2017年02月26日
H13(4Cr5MoSiV1)是国际 上广泛使用的热作模具钢,它具有 较高的热强度和硬度、高的耐磨性和韧性、较好的耐热疲劳性能,广泛应 用于制造各种锻模、热挤压模以及铝、铜及其合金的压铸模。热作模 具钢工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的 冷热循环引起的热应力以及高温氧化,常常出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效形式。
 
    H13热作模 具钢的化学成分(质量分数,%)如附表所示。
 
H13热作模具钢化学成分(质量分数) (%)
C Cr
Mo
V Si Mn P S
0.32~0.45 4.75~5.55 1.10~1.75 0.80~1.20 0.80~1.20 0.20~0.50 ≤0.03 ≤0.03
 
其化学成分特点:
 
    ①中碳,质量分数为0.32~0.45%,以保证高硬度、高韧性 和较高的热疲劳抗力。
 
    ②加入较 多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si。Mn可以改 变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状,避免硫 在晶界上形成低熔点的FeS,而以具有一定塑性的MnS存在,从而消 除硫的有害影响,改善H13钢的热加工性能;Cr和Si可以提高回火稳定性。
 
    ③加入产 生二次硬化的元素Mo、V。Mo、V还能防 止第二类回火脆性,提高回火稳定性。
 
失效影响因素
 
    H13钢模具 的失效问题是一个非常复杂的技术难题,可以从材料、设计、制造和 使用四个方面进行分析。
 
    1.化学成分和冶金质量
 
    H13钢属于 过共析合金钢类型,组织中 存在较多的非金属夹杂物、碳化物偏析、中心疏 松及白点等缺陷,在很大 程度上降低模具钢的强度、韧性及热疲劳抗力。H13钢根据 质量一般分为普通H13钢和优质H13钢。优质H13钢由于 采用了较先进的生产工艺,钢质纯净,组织均匀,偏析轻微,具有更 高的韧性及热疲劳性能。普通H13钢则必须进行改锻,以击碎 大块非金属夹杂,消除碳化物偏析,细化碳化物,均匀组织。
 
    2.模具设计
 
    设计模 具时应根据成形零件的材料和几何尺寸确定模块的外形尺寸,以保证模具的强度。此外,过小的圆角半径、壁厚差 悬殊的扁宽薄壁截面及孔、槽位置 不合适等很容易在模具热处理和使用过程中引起过大的应力集中而萌生裂纹。因此,在模具 设计中尽量避免尖角,孔、槽位置应合理布置。
 
    3.制造工艺
 
    (1)锻造工艺  H13钢中合 金元素含量较多,锻造时变形抗力较大,且材料 的导热性能较差,共晶温度较低,稍不注意就会过烧。因此,加热时应在800~900℃区间预热,然后再 加热至始锻温度1065~1175℃。为击碎 大块非金属夹杂,消除碳化物偏析,细化碳化物,均匀组织,锻造时 要反复镦粗拔长,总锻比大于4。在锻造 后的冷却过程中,有产生 淬火裂纹的倾向,易在心 部产生横向裂纹。因此,H13钢锻后 应进行缓慢冷却。
 
    (2)切削加工  切削加 工的表面粗糙度对模具热疲劳性能有很大影响,模具型 腔表面应获得较低的表面粗糙度,不能留有刀痕、划伤和毛刺。这些缺 陷引起应力集中,诱发热疲劳裂纹萌生。因此,在加工 模具时复杂部位圆角半径过渡处要防止留有刀痕,孔、槽边缘 和根部的毛刺要打磨掉。
 
    (3)磨削加工  磨削过程中,局部摩 擦生热容易引起烧伤和裂纹等缺陷,并在磨 削表面生成残余拉应力,从而导 致模具过早失效。磨削热 引起的烧伤可以使H13模具表 面发生回火直至生成回火马氏体,脆性未 回火马氏体层会大大降低模具的热疲劳性能。如果磨 削表面局部升温达800℃以上,并且冷却不充分时,则表层 材料会被重新奥氏体化并淬火成马氏体,因而模 具表面层会产生很高的组织应力,同时磨 削过程中模具表面温升极快会引起热应力,组织应 力和热应力叠加容易造成模具产生磨削裂纹。
 
    (4)电火花加工  电火花 加工是现代模具制造过程中不可缺少的精加工手段。火花放电时,局部的瞬时温度高达1000℃以上,使放电 处的金属熔化和气化,在电火 花加工表面有一薄层被熔化而又重新凝固的金属,其中有许多显微裂纹。在显微 镜下这一薄层金属呈白亮色,即白亮层。研究表明,对于高合金化的H13钢,电火花 加工形成的表面白亮层的显微组织为初生马氏体、残余奥 氏体和共晶碳化物,未回火 的初生马氏体存在大量显微裂纹。H13钢模具 在工作中承受载荷时,这些显 微裂纹很容易发展为宏观裂纹,导致模 具易出现早期断裂和早期磨损。H13钢模具 经电火花加工后应重新回火,以消除内应力,但回火 温度不要超过电火花加工前的最高回火温度。
 
    (5)热处理工艺  合理的 热处理工艺可以使模具获得所需要的力学性能,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。热处理缺陷有过热、过烧、脱碳、开裂、淬硬层 不均匀和硬度不足等。H13钢模具 在服役一定时间后,当积累 的内应力达到危险的限度时,应对模 具进行去应力回火,否则模 具在继续服役时将会由于内应力引起开裂。
 
    4.模具的使用与维护
 
    (1)模具的预热  HI3钢合金元素含量较高,导热性能较差,因此模 具在工作前应充分预热。预热温度过高,模具在 使用过程中温度偏高,强度下降,易产生塑性变形,造成模具表面塌陷;预热温度过低,模具开始使用时,瞬间表面温度变化大,热应力大,易萌生裂纹。综合考虑后H13钢模具 的预热温度确定为250~300℃,既可降 低模具与锻件的温差以避免模具表面出现过大的热应力,又有效 地减少了模具表面的塑性变形。
 
    (2)模具的冷却与润滑  为减轻模具的热负荷,避免模具温度过高,通常在 模具工作的间歇对其进行强制性冷却,由此造 成模具周期性的激热、激冷作 用将会产生热疲劳裂纹。因此,模具使 用结束后应缓慢冷却,否则将会出现热应力,从而引 起模具的开裂失效。H13钢模具 工作时可采用石墨含量为12%的水基石墨进行润滑,降低成形力,保证金 属在型腔中正常流动和锻件顺利脱模;此外,石墨润 滑剂还具有散热作用,可以降低H13钢模具的工作温度。
 
失效分析方案
 
    H13钢模具 的制造要经历设计、选材、锻造、退火、机加工 和热处理等到一系列工艺环节,每一工 艺环节的工艺设计不当或工艺操作不当都会造成模具过早失效,降低模具使用寿命。热作模 具钢常常出现崩裂、塌陷、磨损和 龟裂等失效形式,热作模 具钢的失效形式、程度和 位置记录了设计、选材、锻造、退火、机加工 和热处理等到一系列工艺环节中的重要信息。
 
    观察和分析H13钢模具 的失效位置处的宏观形貌特征、显微组织及失效形式,运用金属学、材料物 理及断裂力学的理论和方法提示H13钢模具 失效位置处的宏观形貌特征、材料显 微组织及失效形式与模具设计、选材、加工工艺之间的关系,从而提 出科学合理的工艺改进措施。
 
    (1)原材料 化学成分和冶金质量分析
 
     提高H13钢的洁净度,特别降 低硫含量是提高H13钢模具 寿命的有效措施。优质H13钢的硫含量在0.005~0.008%之间。H13钢是合 金元素含量较高的过共析钢,在冶炼、铸造时 会出现碳化物偏析,钢锭经 锻轧后形成粗大的碳化物偏析带。碳化物 偏析带和铸造残留的树枝晶、缩孔、疏松和夹杂直接影响H13钢模具的组织及性能,是模具 早期失效的重要原因之一。对原材 料化学成分和冶金质量的分析可以评定原材料是否合格,从而用 来指导制定科学合理的锻造工艺和热处理工艺。
 
试验方法:对H13钢材原材料进行取样,分析其化学成分,评定其 化学成分是否符合要求;从钢材 中心部位切取试样,打磨、抛光,采用4%硝酸酒精溶液浸蚀,在光学 显微镜上检查显微组织,按国家 相关技术标准对碳化物偏析带等级、夹杂物等级做出评定。
 
    (2)模具显微组织分析
 
    显微组 织分析可确定模具失效位置是否存在碳化物偏析带,大块非金属夹杂、网状碳化物、共晶碳 化物及回火马氏体;微区成 分分析可确定模具失效位置的化学成分分布特点;显微硬 度分析可确定模具失效位置的力学性能。综合分 析模具失效位置处的显微组织、显微硬度和微区成分,揭示模 具失效位置处的宏观形貌特征及失效形式的微观机理,正确评价现行的锻造、球化退火,淬火和回火工艺,从而提 出科学合理的工艺改进措施。
 
    试验方法:从模具 失效位置切取试样,打磨、抛光,采用4%硝酸酒精溶液浸蚀、在光学 显微镜或扫描电子显微镜上检查显微组织,在显微 硬度仪上测量硬度,在俄歇 能谱分析仪上确定微区成分。
 
    工艺控制措施
 
    从H13钢的化 学成分和组织特点可以看出,热加工工艺对H13钢模具 的组织和性能有很大影响,为防止H13钢模具早期失效、延长使 用寿命和提高经济效益,必须制 定科学合理的热加工工艺。
 
    1.锻造工艺
 
    H13钢合金元素含量高,导热性差,共晶温度比较低,容易引起过烧。对于直径大于Ø70mm的坯料,应先在800~900℃区间预热,然后在始锻温度1065~1175℃加热,锻造时 进行多次拔长镦粗,总锻比大于4。
 
    2.球化退火工艺
 
    球化退 火工艺的目的是均匀组织,降低硬度,改善切削加工性能,为淬火 和回火做组织准备。球化退火工艺是在845~900℃保温(1h+1min)/mm,然后炉冷至720~740℃等温(2h+1min)/mm,最后炉冷至500℃出炉空冷,球化退 火组织为粒状珠光体,硬度小于229HBS。球化质量可按GB/T1299-2000标准第 一级别图进行评定。
 
    3. 淬火和回火工艺
 
    H13钢的最 佳热处理工艺是1020~1080℃加热后 油冷淬火或分级淬火,然后进行560~600℃两次回火,显微组 织为回火托氏体+回火索氏体+剩余碳化物,显微硬度为48~52HRC。对于要 求热硬性高的模具(压铸模)可取上 限加热温度淬火。对于要 求韧性为主的模具(热锻模)可取下 限加热温度淬火。
 
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