H13(4Cr5MoSiV1)的特性及失效控制措施
H13(4Cr5MoSiV1)的特性及失效控制措施
H13(4Cr5MoSiV1)的特性及失效控制措施
H13(4Cr5MoSiV1)是国际上广泛使用的热作模具钢，H13具有较高的热强度和硬度、高的耐磨性和韧性，以及较好的耐热疲劳性能，H13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及高温氧化，常出现崩裂、塌陷、磨损和龟裂等失效形式。
H13(4Cr5MoSiV1)热作模具钢的化学成分(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
H13(4Cr5MoSiV1)化学成分特点是：
(1)中碳，W =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、Mo、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S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，能防止第二类回火脆性，提高回火稳定性。
㈠失效影响因素
H13(4Cr5MoSiV1)钢模具的失效问题是一个复杂的技术难题，可以从材料、设计、制造和使用4个方面来分析。
1．化学成分和冶金质量
H13(4Cr5MoSiV1)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，这在很大程度上降低了模具钢的强度、韧性及热疲劳抗力。H13钢根据质量一般被分为普通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，在模具设计中要尽量避免尖角，孔、槽的位置应合理布置。
3．制造工艺
(1)锻造工艺
H13(4Cr5MoSiV1)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>4。在锻造后的冷却过程中，材料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粗糙度，不能留有刀痕、划伤和毛刺。这些缺陷易引起应力集中，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使模具产生磨削裂纹。
(4)电火花加工
该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被熔化而又重新凝固的金属薄层，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，从而提高模具的使用寿命。但是如果因热处理工艺设计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而引起开裂。
4．模具的使用与维护
(1)模具的预热
H13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℃，这样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，又能有效地减少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，由此造成的模具周期性的激热、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，保证金属在型腔中的正常流动和锻件的顺利脱模；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。
㈡失效分析方案
H13钢模具的制造要经过设计、选材、锻造、退火，以及机加工和热处理等一系列工艺环节，每一工艺环节的工艺设计或操作不当都会造成模具的过早失效，降低模具使用寿命。热作模具钢常出现崩裂、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、机加工及热处理等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，揭示H13钢模具失效位置处的宏观形貌特征、材料显微组织，以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。
具体的分析方案如下：
(1)原材料化学成分和冶金质量分析
提高 H13(4Cr5MoSiV1)钢的洁净度，降低硫含量是提高H13钢模具寿命特别有效的措施。优质H13钢的 =0．005％ ～0．008％ 。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，从而可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，经打磨、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的分布特点；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，经打磨、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。
㈢工艺控制措施
从H13(4Cr5MoSiV1)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HI3钢模具早期失效，延长其使用寿命，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>70mm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，总锻造比>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<229HBW。球化质量可按GB／T 1299-2000标准的第一级别图进行评定。
3．淬火和回火工艺
H13(4Cr5MoSiV1)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。
H13(4Cr5MoSiV1)是国际上广泛使用的热作模具钢，H13具有较高的热强度和硬度、高的耐磨性和韧性，以及较好的耐热疲劳性能，H13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及高温氧化，常出现崩裂、塌陷、磨损和龟裂等失效形式。
H13(4Cr5MoSiV1)热作模具钢的化学成分(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
H13(4Cr5MoSiV1)化学成分特点是：
(1)中碳，W =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、Mo、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S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，能防止第二类回火脆性，提高回火稳定性。
㈠失效影响因素
H13(4Cr5MoSiV1)钢模具的失效问题是一个复杂的技术难题，可以从材料、设计、制造和使用4个方面来分析。
1．化学成分和冶金质量
H13(4Cr5MoSiV1)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，这在很大程度上降低了模具钢的强度、韧性及热疲劳抗力。H13钢根据质量一般被分为普通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，在模具设计中要尽量避免尖角，孔、槽的位置应合理布置。
3．制造工艺
(1)锻造工艺
H13(4Cr5MoSiV1)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>4。在锻造后的冷却过程中，材料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粗糙度，不能留有刀痕、划伤和毛刺。这些缺陷易引起应力集中，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使模具产生磨削裂纹。
(4)电火花加工
该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被熔化而又重新凝固的金属薄层，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，从而提高模具的使用寿命。但是如果因热处理工艺设计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而引起开裂。
4．模具的使用与维护
(1)模具的预热
H13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℃，这样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，又能有效地减少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，由此造成的模具周期性的激热、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，保证金属在型腔中的正常流动和锻件的顺利脱模；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。
㈡失效分析方案
H13钢模具的制造要经过设计、选材、锻造、退火，以及机加工和热处理等一系列工艺环节，每一工艺环节的工艺设计或操作不当都会造成模具的过早失效，降低模具使用寿命。热作模具钢常出现崩裂、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、机加工及热处理等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，揭示H13钢模具失效位置处的宏观形貌特征、材料显微组织，以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。
具体的分析方案如下：
(1)原材料化学成分和冶金质量分析
提高 H13(4Cr5MoSiV1)钢的洁净度，降低硫含量是提高H13钢模具寿命特别有效的措施。优质H13钢的 =0．005％ ～0．008％ 。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，从而可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，经打磨、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的分布特点；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，经打磨、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。
㈢工艺控制措施
从H13(4Cr5MoSiV1)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HI3钢模具早期失效，延长其使用寿命，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>70mm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，总锻造比>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<229HBW。球化质量可按GB／T 1299-2000标准的第一级别图进行评定。
3．淬火和回火工艺
H13(4Cr5MoSiV1)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。