H13钢模块横向冲击功不合格原因

　　针对热作模具钢H13模块横向冲击功未达到设计要求的问题，采用扫描电镜、显微镜观察等方法对样品进行了分析。结果表明：冲击试样断口断裂源区呈沿晶断裂特征，退火态显微组织为球粒状珠光体，局部可见球状碳化物呈链状分布，热处理状态下，局部可见碳化物呈网状分布;网状碳化物是导致H13钢模块冲击功未达到设计要求的主要原因，改善锻造工艺可提高H13钢模块的冲击性能。

　　H13热作模具钢具有良好的热强性、抗冷热疲劳性能及耐液态金属冲蚀性，被广泛用于热挤压模具、铝合金压铸模具等各类模具中[1]。由于模具在使用过程中需要承受较大的冲击力，因此冲击性能决定了模具的使用寿命。随着汽车行业的发展，汽车支架、离合器、油底壳等零部件的生产主要采用压铸工艺[2,3,4,5]。高压和高速填充压铸模型腔是压铸的两大特点，相对挤压模具来说，压铸模具在生产过程中需要承受的冲击功更大，尤其是制造较大的零部件时，对模具钢的质量要求更高。采用常规工艺生产的H13钢棒材及尺寸相对较小的模块制作挤压模具，其寿命可以达到预期效果。

　　某厂某批次H13钢模块的生产工艺流程为铁液预处理→20 t电炉冶炼→LF炉(钢包精炼炉)精炼→VD炉(真空精炼炉)真空处理→浇铸成16 t铸棒→16 t气体保护电渣炉重熔16 t钢锭→钢锭退火→加热(1 180 ℃,20 h)→45 MN快锻开坯/成材(断面规格为400 mm×500 mm)→退火→无损检测→取样检验。在进行钢板的冲击功检验时，发现冲击性能没有达到预期目标，为了找出冲击性能偏低的原因，笔者对材料进行了分析，找出冲击功不合格的原因，为后续的生产提供了改进依据。

　　1 理化检验

　　1.1 化学成分分析

　　检测冲击功不合格H13钢模块的化学成分，结果如表1所示，满足GB/T 1299-2014 《工模具钢》标准的要求。

　　表1 H13钢的化学成分　%

    1.2 冲击性能检验

　　选择横向无缺口的冲击试样进行冲击性能检测。在模块中心部位取样，制成毛坯后再进行淬火、回火处理，然后机加工至最终样品尺寸。检测3个试样，冲击试样尺寸为55 mm×10 mm×7 mm。冲击性能好的试样的冲击功可达到300 J以上，冲击性能差的试样的冲击功不到100 J。

　　1.3 冲击试样断口扫描电镜分析

　　冲击试样经过超声波清洗后，采用FEI QUANTA 400F型扫描电镜对其断口进行分析。对于冲击功未达到预期目标的试样，其断口整体较平整，放大观察后，发现断裂源区域可见不同程度的沿晶断裂特征，冲击功较高的试样沿晶断裂区域面积较小;反之，冲击功较低试样的沿晶断裂区域面积较大。冲击功达到预期目标试样的断口微观形貌为轫窝，未见沿晶开裂。断口未见大型夹杂物等缺陷。冲击功较低和较高试样的断口微观形貌如图1,2所示。一般来说，断口出现沿晶特征是晶界的一种表现形式[6]。

　　1.4 金相检验

　　直接磨抛冲击试样断口面后，经硝酸酒精浸蚀，采用金相显微镜观察，发现冲击功较低试样的局部晶界明显，可见碳化物在晶界聚集和明显的带状特征，未见大尺寸的一次碳化物。取冲击功较低的同批次退火态试样，经磨抛、硝酸酒精浸蚀后，用金相显微镜观察，组织为球粒状珠光体，局部可见球状碳化物呈链状分布，未见明显碳化物聚集现象，说明冶炼过程中的偏析处于正常水平，冲击功较低试样的显微组织形貌如图3所示。

　　对于冲击功较高的试样，其淬回火态的组织为均匀的回火马氏体组织，未见明显的晶界碳化物;对应的退火态组织为均匀的球粒状珠光体，未见碳化物聚集成网状现象(见图4)。

　　2 综合分析

　　通过电渣重熔冶炼的H13钢的化学成分满足标准GB/T 1299—2014要求，根据组织观察，发现其没有明显的碳化物聚集及带状偏析现象，断口上未见明显的非金属夹杂物，说明冶炼过程控制正常。

　　根据冲击断口的微观形貌及金相组织分析，冲击功较低试样的断口呈现沿晶特征，组织中明显有网状碳化物，冲击功较高试样的断口为韧窝形貌，组织均匀。由于钢材晶界比较薄弱，因此承受冲击载荷时会形成沿晶断口。二次碳化物沿晶界析出是冲击韧性低的主要原因。研究表明[7],H13钢中碳化物主要为V8C7,Cr23C6和Cr3C2(Cr2VC2)。受锻造加热不充分、锻后冷却控制不当等因素的影响，这些碳化物极易在晶界上聚集，弱化晶界，从而降低钢材的冲击韧性。尽量避免二次碳化物沿晶界析出是提高H13钢冲击性能的关键因素。

　　只要严格控制锻造前加热温度及锻造后冷却速度，就可有效改善该钢种网状碳化物的析出[8,9,10]。高温均匀化、增加锻造过程变形量、降低终锻温度等可使钢中碳化物充分细化并弥散分布，有利于抑制二次碳化物沿晶界析出。H13钢经过高温均匀化处理后，冶炼凝固过程中形成的成分偏析能得到有效改善，碳化物及杂质在晶界上偏聚倾向减弱。锻后快速冷却工艺可有效预防钢材中粗大或者网状碳化物的析出，避免组织中二次碳化物沿晶界析出形成碳化物链。锻后快速冷却再退火工艺可使钢材形成均匀的球粒状珠光体组织。只要增加锻造过程中的变形量，并采用较大应力破碎粗大的铸态组织及不稳定的共晶碳化物，就可改善钢材内部组织。条件允许的话，可以采用镦拔锻造工艺来进一步改善H13钢的组织，以提高其性能[11,12]。

　　3 结语及建议

　　(1) 电渣重熔冶炼的H13钢横向冲击性能达不到预期目标的主要原因为锻造环节控制不当，经过热处理后，二次碳化物沿晶界析出，弱化了晶界。只要避免二次碳化物沿晶界析出成网，就可有效提高H13钢模块的横向冲击韧性。

　　(2) 采用高温均匀化处理，增加锻造变形量、提高锻后冷却速度等工艺，并尽量降低偏析、避免碳化物沿晶界析出，可有效增强H13钢的冲击韧性。