H13热作模具钢开裂失效问题分析

H13 钢是C-Cr-Mo-Si-V 型钢广泛应用于锻造行业。本文通过对断裂失效的解决H13 模具钢的硬度、宏观形状和显微组织检测，分析其故障原因，作为调整热处理过程的基础，避免类似问题的再次发生，也为类似企业H13 热作模具钢处理类似故障问题提供参考。

H13 钢属于热模钢，韧性高，耐冷热疲劳，热强度好，抗氧化性能好。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和组织与热处理密切相关，其使用条件较差，一般为400 ~600℃两者之间使用。实践表明，模具在使用过程中应充分预热、冷却和润滑。当热处理过程不好时，会造成H13 热作模具钢早期断裂失效，给企业造成一定损失。H13 锻造过程中出现了这样的问题，如图1 所示。

图1

开裂模具的外观检测H13 钢模在使用过程中开裂，用火焰气切割枪切割其中一个部分，如图2 所示。从断裂形状来看，裂纹源靠近金相切口位置，断裂面相对平整。图中的空洞是金相样品的切割位置。金相检测在图2 所示的位置取样，大小为10mm×10mm×15 mm，检测表面与断裂表面平行。抛光试样后，在光学显微镜下观察未腐蚀的试样，无明显夹杂痕迹。试样用5%硝酸酒精腐蚀后，经腐蚀处理H13 钢金相图，如图3 所示。GB/T 8420-2008 热作模具钢金相组织评级标准。样品金相组织评级，金相组织在2 级至3 级之间，淬火回火组织较好。

图2 断裂截面

图3

硬度测试将金相显示面作为硬度测试面，随机取三点，测量硬度65HRC、72HRC、67HRC，取得平均硬度为68HRC。钢含碳量及淬火钢硬度曲线图如图4 所示。H13 钢的淬火硬度为55HRC 左右，可判断淬火硬度过高。

图4 钢含碳量和淬火钢硬度曲线

模具开裂原因分析及措施组织分析淬火加热温度H13 钢的组织有很大的影响。淬火加热温度的选择应以均匀细小的奥氏体为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组

织。从图2 可以看出，金相组织的评级可以评为2 级。淬火回火组织良好，表面无明显夹杂和偏析。可预测钢锭材料相对纯净，早期热处理工艺效果良好。硬度分析⑴淬火温度对H13 钢的硬度。淬火温度对H13从图5 可以看出，随着淬火温度的升高， 钢硬度的影响，H13 钢的硬度也增加了，主要原因是：一方面，淬火温度、冷却速度、组织中形成的马氏体含量一方面，随着淬火温度的提高，合金碳化物的溶解加速，淬火后马氏体中的碳和合金元素增加H13 淬火后的硬度自然提高然提高。淬火温度为1100℃时，H13 钢硬度更大，提高了H13 钢的耐磨性有利，但在钢基体上容易开裂。

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，达到峰值后呈下降趋势，二次硬化现象明显，二次硬化的峰值温度在350℃，随着回火温度的不断升高，H13 钢的硬度下降到33.6HRC，此时不再满足模具钢的硬度要求。

图6 H13 钢回火温度对硬度的影响

从图7 钢在620℃从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。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获得一定硬度后的加热保温过程。因此，随着保温时间的延长，H13 钢的硬度不断下降，主要是由于碳、铬等合金元素的固溶性降低，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 钢的碳含量和淬火钢的硬度曲线可以看出，淬火温度过高或回火温度温时间短等。H13 钢硬度高，回火不足可能导致模具硬度分布不均匀。在热处理过程中，由于操作不当或炉温控制问题，模具淬火回火后硬度高，进一步影响模具的冲击韧性，更终使显微组织处于不稳定状态，残余内应力过大，外力易开裂，导致模具早期故障

断裂。防止模具故障的措施⑴预热模具H13 钢合金元素导热性差，预热温度低，模具热应力大，易开裂，需要充分预热，但预热温度过高也会影响其机械性能，导致塑性变形，一般预热温度为250 ~300℃。⑵冷却模具H13 钢的使用条件温度较高。使用一定时间后，模具温度过高，低于使用强度要求。因此，需要强制冷却到合理的温度。快速和快速的冷却会导致模具的热疲劳裂纹。使用后应缓慢冷却，避免热应力。⑶模具的润滑。对于锻造模具，在使用过程中需要润滑石墨和碳粉，以降低其成形力，确保材料的正常流动，避免膨胀和开裂，确保锻件的顺利脱模。同时，石墨还具有散热作用。在模具生产和使用过程中，化学成分和冶金质量、模具设计、制造工艺、模具维护和使用等因素可能导致模具故障。合理的热处理工艺可使模具具有优异的综合力学性能，提高模具的使用寿命。但如果热处理缺陷是由于热处理工艺设计不当或操作不当造成的，将严重损害模具的承载能力，导致早期故障，缩短工作寿命。本文通过研究和分析确认了产品H13 钢模断裂为脆性断裂，原因是热处理工艺不合理，导致模具整体硬度高，硬度分布不均匀，导致模具冲击韧性极低，导致早期故障断裂。找出模具故障的原因，作为热处理部门调整热处理过程的基础，避免类似问题的再次发生。

作者简介

徐继罗，工程师，主要从事煤机及汽车零部件锻造产品的工艺设计和研发。主持的重型汽车零部件减震端板锻件项目获山东省企业技术创新**成果二等奖，发明**1项，实用新型**4项。

—— 来源:2020年**期锻造冲压