H13钢模具失效原因及解决方法

　　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钢模具失效影响因素比较复杂，主要有材料、设计、制造和使用四个方面。

　　　　1.化学成分和冶金质量

　　　　失效原因： 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。

　　　　解决方法： 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

　　　　失效原因： 外形尺寸不合格，圆角半径过小，扁宽薄壁截面壁厚差悬殊及孔、槽位置不合适等。

　　　　解决方法：

　　a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。

　　b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

　　　　失效原因： 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。

　　　　解决方法： 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

　　　　失效原因： 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。

　　　　解决方法： 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很快会引起热应力，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

　　　　失效原因： 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钢制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。

　　　　解决方法： 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很高回火温度。

　　　　(5)热处理工艺

　　　　失效原因： 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。

　　　　解决方法： 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。

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