（柳州欧维姆机械股份有限公司 广西柳州 545006）
摘 要：分析了H13铁芯模具的主要失效形式及其影响因素。研究发现热处理不规范，锻压使用不当是造成模具失效的主要原因。通过金相、硬度、湿法分析等手段分析了结构设计、制造工艺、工作条件等因素对模具失效的影响。
关键词：铁芯模具；热作模具；失效分析
前言：H13钢（4Cr5MoSiV1）是一种淬透性高、韧性好，并有较高的热强度和硬度、高的耐磨性以及良好的耐热疲劳性能的热作模具钢，在热锻、热挤压模，以及铝、铜及其合金的压铸模具的应用中较为广泛[1]。热作模具钢工作时受到锻压设备巨大的冲击载荷、剧烈的摩擦、强烈的冷热循环产生的热应力无法得到有效释放，容易产生热疲劳裂纹、热磨损，以及开裂等形式的失效，从而造成模具寿命大大降低[2]。因此，为了有效提升模具的使用寿命，本文将对H13铁芯模具进行失效分析，研究其过早开裂的主要原因，提出了改进建议。
1 模具的生产工艺及化学成分
失效铁芯模具主要生产工艺流程如下：下料→加热→锻造→退火→粗加工→调质→粗精加工→精加工。H13钢作为热作磨具钢，其合金元素含量高，导热性差，易造成模具内部组织受热不均，且共晶形成温度比较低，容易在锻造温度区域引起过烧。所以原材料在加热过程中，需在800~900℃区间预加热，避免加热速度过快造成材料受热不均而开裂，然后在始锻温度1180℃加热保温，为获得足够变形量锻造时进行多次拔长和镦粗，总锻比＞4。锻造完成后及时对模具进行退火：加热到850℃保温，然后炉冷。调质为委外加工，硬度要求44~46HRC。
我厂采用湿法分析对模具H13钢的化学成分进行检测，如表1所示。H13钢与我国牌号4Cr5MoSiV1钢相当，可参照GB/T1299-2000《合金工具钢》可知，材料的化学成分符合要求。
3.3 硬度检测
在模具型腔、飞边槽和分模面三个位置进行硬度检测，如图9所示，取其平均值为该区域的硬度测量值，分别为47.5、49和52.6HRC。与最佳的模具调质硬度（44~46HRC）相比可知，失效件的硬度值偏高。特别是主要承受冲击负载分模面处的硬度值为最高。
3.4 分析和讨论
H13钢最佳淬火温度为1020~1080℃，从模具粗大的马氏体显微组织中可看出，热处理温度存在过热的现象，且检测硬度高于模具的工艺要求，可知调质回火温度不足，组织未能细化，冲击性能降低，容易产生脆裂。H13钢含碳量和合金元素较高，在调质未充分的情况下形成了许多共晶碳化物，这些碳化物在锻造比较小时，内部组织变形量不足易呈现带状和树枝状偏析，加之淬火组织极不均匀，碳和合金富集区的粗大组织和贫乏区中的细小组织，导致铁芯模具的内部应力增大，易产生裂纹，并在使用过程中裂纹不断扩展。且二次碳化物从晶界析出，弱化了晶界，导致破断抗力降低，加速了裂纹的扩展[4]。
同时，模具在使用过程中，上模和下模在分模面处直接接触，并使用10%水机石墨乳润滑和降温，产生冷热循环的冲击负载，加之分模面处调质硬度偏高，冲击性能降低，硬度过高加快了疲劳裂纹的扩展。
另一方面，经过对模具分模面，飞边槽和型腔部位的硬度对比可以发现，三处硬度测量值坡度太陡，硬度高且不均匀，在分模面和型腔处产生较高的应力。这也是模具失效的一个重要原因。
4 结论
（1）模具的冶金质量较低，成分存在偏析，加之生产锻造时未严格按工艺执行，导致树枝晶成分偏析未能改善。
（2）退火保温时间过长，冷却缓慢，二次碳化物沿晶界析出，削弱了晶间结合力，导致破断抗力降低，加速了裂纹的扩展。
（3）调质组织中存在亚稳定的共晶碳化物，和极不均匀的粗细组织，并且，调质硬度偏高，回火不充分，冲击性能降低，且硬度坡度太陡，易产生很大的内应力。
5 改进措施
（1）模坯应进行六面锻造，锻造比要>4，充分改善成分偏析以及碳化物的不均匀分布。
（2）采用等温球化退火工艺，以抑制二次碳化物沿晶界析出，避免模具材料脆化。
（3）调质硬度严格按44~46HRC验收，增加模具的冲击韧性，避免因多次冲击、冷热循环引起的疲劳裂纹。
（4）H13钢模具导热性差，每次使用时必须预热到250~300℃，严禁黑模锻造，避免因产生热应力而导致模具开裂。
（5）模具每次使用完，应及时进行540℃的高温回火，及炉冷，以消除使用过程中因冷热循环冲击而产生的内应力，避免模具过早开裂，延长铁芯模具使用寿命。
参考文献：
[1] 高为国.模具材料[M].机械工业出版社，2010.
[2] 陈淑平，冀国良.H13钢模具失效分析及解决措施[J].金属加工热处理，2011（19）.
[3] 樊明强. 热处理工艺对H13钢组织性能影响规律的研究[D].河北：河北科技大学，2016.
[4] 朱晓红，方政。 H13钢挤压模开裂原因分析[J].热处理，2011,26（6）.
论文作者:冯文平,李旺龙,高思伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/22
标签：模具论文; 硬度论文; 碳化物论文; 裂纹论文; 组织论文; 合金论文; 调质论文; 《电力设备》2017年第26期论文;