H13模具鋼與4Cr5MoSiV1模具鋼是世界上廣泛使用的熱模具鋼。它具有高熱強(qiáng)度和硬度、高耐磨性和韌性、良好的耐熱疲勞性能。廣泛應(yīng)用于制造各種鍛造模具、熱擠壓模具、鋁、銅及其合金。熱模具鋼在工作過程中承受著巨大的沖擊載荷、強(qiáng)烈的摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力和高溫氧化，經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、坍塌、磨損、裂紋等故障形式。█ 其化學(xué)成分中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.32～0.為保證高硬度、高韌性、高熱疲勞抗力，45%。添加更多提高淬透性的元素Cr、Mn、Si。Mn可改變鋼在凝固過程中形成的氧化物的性質(zhì)和形狀，避免硫在晶界形成低熔點(diǎn)FeS，具有一定塑性的MnS為了消除硫的有害影響，改善硫的存在H13鋼的熱加工性能；Cr和Si可提高回火穩(wěn)定性。添加產(chǎn)生二次硬化的元素Mo、V。Mo、V還能防止第二類回火脆性，提高回火穩(wěn)定性。█ 影響失效的因素H13模具鋼的故障是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)問題，可以從材料、設(shè)計(jì)、制造和使用四個(gè)方面進(jìn)行分析。 ●化學(xué)成分和冶金質(zhì)量H13模具鋼屬于過共析合金鋼類型，組織中存在較多的非金屬夾雜物、碳化物偏析、中心疏松及白點(diǎn)等缺陷，在很大程度上降低模具鋼的強(qiáng)度、韌性及熱疲勞抗力。H根據(jù)質(zhì)量一般分為13模具鋼H13模具鋼和優(yōu)質(zhì)H13模具鋼。優(yōu)質(zhì)H13模具鋼采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，鋼材純凈，組織均勻，偏析輕微，韌性和熱疲勞性能較高。建議使用普通德松模具鋼H13時(shí)必須進(jìn)行改鍛，以粉碎大塊非金屬夾雜物，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，組織均勻。 ●模具的形狀尺寸應(yīng)根據(jù)成型零件的材料和幾何尺寸確定，以保證模具的強(qiáng)度。此外，在模具熱處理和使用過程中，圓角半徑過小、壁厚差異較大的扁寬薄壁截面、孔、槽位置不合適，容易引起應(yīng)力集中過大和裂紋。因此，在模具設(shè)計(jì)中盡量避免尖角，合理布置孔槽位置。 ●制造工藝①鍛造工藝H13模具鋼中合金元素含量高，鍛造過程中變形阻力大，材料導(dǎo)熱性差，共晶溫度低，稍不注意就會(huì)過熱。所以加熱時(shí)應(yīng)該是800~900℃預(yù)熱間隔，然后加熱至鍛造溫度1065~175℃。為了粉碎大塊非金屬夾雜物，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，在均勻組織鍛造過程中，總鍛比大于4。鍛造后的冷卻過程中，有淬火裂紋的傾向，容易在心臟產(chǎn)生橫向裂紋。因此，H13模具鋼鍛后應(yīng)緩慢冷卻。②切割加工的表面粗糙度對模具的熱疲勞性能有很大的影響。模具腔表面應(yīng)具有較低的表面粗糙度，無刀痕、劃痕和毛刺。這些缺陷導(dǎo)致應(yīng)力集中，導(dǎo)致熱疲勞裂紋。因此，在加工模具時(shí)，應(yīng)防止在復(fù)雜部位的圓角半徑過渡處留下刀痕，打磨孔、槽邊和根部的毛刺。③磨削過程中，局部摩擦熱容易引起燒傷、裂紋等缺陷，在磨削表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，導(dǎo)致模具過早失效。磨削熱引起的燒傷可以使H回火發(fā)生在模具表面，直到產(chǎn)生回火馬氏體，脆性未回火馬氏體層會(huì)大大降低模具的熱疲勞性能。如果磨削表面局部升溫800℃以上，當(dāng)冷卻不足時(shí)，表面材料將再次奧氏體化并淬火成馬氏體，因此模具表面層會(huì)產(chǎn)生較高的組織應(yīng)力。同時(shí)，模具表面的溫升會(huì)迅速引起熱應(yīng)力，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加容易導(dǎo)致模具磨裂。④電火花加工電火花加工是現(xiàn)代模具制造過程中不可缺少的精加工手段。火花放電時(shí)，局部的瞬時(shí)溫度高達(dá)1000℃以上，放電處的金屬熔化氣化，電火花加工表面有一層薄層熔化再凝固的金屬，其中有許多微裂紋。這種薄層金屬在顯微鏡下呈白亮色，即白亮層。研究表明，高合金化H13鋼、電火花加工形成的表面白亮層顯微組織為初生馬氏體、殘余奧氏體和共晶碳化物，未回火初生馬氏體有大量顯微裂紋。H當(dāng)13鋼模具在工作中承受載荷時(shí)，這些微裂紋很容易發(fā)展成宏觀裂紋，導(dǎo)致早期斷裂和早期磨損。H電火花加工后，13鋼模應(yīng)回火，以消除內(nèi)應(yīng)力，但回火溫度不得超過電火花加工前的最高回火溫度。⑤合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需的力學(xué)性能，提高模具的使用壽命。但是如果因熱處理工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不當(dāng)而產(chǎn)生熱處理缺陷，將嚴(yán)重危害模具的承載能力，引起早期失效，縮短工作壽命。過熱、過熱、脫碳、開裂、淬硬層不均勻、硬度不足等缺陷。H13鋼模具服務(wù)一段時(shí)間后，當(dāng)累積內(nèi)應(yīng)力達(dá)到危險(xiǎn)限度時(shí)，應(yīng)對模具進(jìn)行去應(yīng)力回火，否則模具繼續(xù)服務(wù)時(shí)會(huì)因內(nèi)應(yīng)力開裂。 ●模具的使用和維護(hù)①模具的預(yù)熱H壓鑄模具鋼合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，工作前應(yīng)充分預(yù)熱。預(yù)熱溫度過高，使用過程中溫度過高，強(qiáng)度下降，容易產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致模具表面坍塌；預(yù)熱溫度過低，表面溫度變化大，熱應(yīng)力大，容易開裂。綜合考慮后H13鋼模的預(yù)熱溫度為250~300℃，不僅可以降低模具與鍛件之間的溫差，避免模具表面的過熱應(yīng)力，還可以有效地減少模具表面的塑性變形。②為了減少模具的熱負(fù)荷，避免模具溫度過高，模具的冷卻和潤滑通常在模具工作期間強(qiáng)制冷卻，導(dǎo)致模具的周期性熱和冷卻會(huì)產(chǎn)生熱疲勞裂紋。因此，模具使用后應(yīng)緩慢冷卻，否則會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，導(dǎo)致模具開裂失效。H13鋼模工作時(shí)，石墨含量為12%的水基石墨可以潤滑，降低成形力，保證型腔內(nèi)金屬的正常流動(dòng)和鍛件的順利脫模；此外，石墨潤滑劑還具有散熱作用，可以減少H13鋼模工作溫度。█ 失效分析方案H13鋼模具的制造應(yīng)通過設(shè)計(jì)、材料選擇、鍛造、退火、機(jī)械加工和熱處理等一系列工藝環(huán)節(jié)。各工藝環(huán)節(jié)的工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或工藝操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致模具過早故障，降低模具的使用壽命。熱模具鋼經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、坍塌、磨損、裂紋等故障形式。熱模具鋼的故障形式、程度和位置記錄了設(shè)計(jì)、材料選擇、鍛造、退火、加工和熱處理等一系列工藝環(huán)節(jié)的重要信息。觀察和分析H13模具鋼、材料物理和斷裂力學(xué)的理論和方法，提示13模具鋼失效位置的宏觀形態(tài)特征、顯微組織和失效形式H宏觀形態(tài)特征、材料顯微組織、故障形式與模具設(shè)計(jì)、材料選擇和加工工藝之間的關(guān)系，提出科學(xué)合理的工藝改進(jìn)措施。 ●改進(jìn)原料化學(xué)成分和冶金質(zhì)量分析H13模具鋼的清潔度，特別降低硫含量是為了提高H13鋼模壽命有效措施。優(yōu)質(zhì)H13鋼硫含量為0.005～0.008%之間。H13模具鋼是一種合金元素含量高的過分析鋼，在冶煉和鑄造過程中會(huì)出現(xiàn)碳化物偏析，鋼錠鍛造后形成粗碳化物偏析帶。碳化物偏析帶和鑄造殘留的樹枝晶體、縮孔、疏松和混合物直接影響H模具早期失效的重要原因之一是鋼模的組織和性能。對原料化學(xué)成分和冶金質(zhì)量的分析可以評估原料是否合格，從而指導(dǎo)制定科學(xué)合理的鍛造工藝和熱處理工藝。測試方法：對H13模具鋼原料取樣，分析其化學(xué)成分，評估其化學(xué)成分是否符合要求；從鋼中心切割樣品，打磨拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，檢查光學(xué)顯微鏡上的顯微組織，并根據(jù)國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)評估碳化物偏析帶和夾雜物的等級(jí)。 ●顯微組織分析可確定模具故障位置是否有碳化物分析帶、大型非金屬夾雜物、網(wǎng)狀碳化物、共晶碳化物和回火馬氏體；微組分分析可確定模具故障位置的化學(xué)成分分布特征；顯微硬度分析可確定模具故障位置的力學(xué)性能。對模具故障位置的顯微組織、顯微硬度和微區(qū)成分進(jìn)行綜合分析，揭示模具故障位置的宏觀形態(tài)特征和故障形式的微機(jī)制，正確評價(jià)當(dāng)前鍛造、球化退火、淬火和回火工藝，提出科學(xué)合理的工藝改進(jìn)措施。試驗(yàn)方法：從模具故障位置切割樣品，打磨拋光，浸蝕4%硝酸酒精溶液，檢查光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡上的顯微組織，測量顯微硬度儀上的硬度，確定俄歇能譜分析儀上的微區(qū)成分。█ 工藝控制措施H從13模具鋼的化學(xué)成分和組織特性可以看出，熱加工工藝對H13模具鋼的組織鋼的組織和性能受到很大影響H必須制定科學(xué)合理的熱加工工藝，使用壽命延長，經(jīng)濟(jì)效益提高。 ●鍛造工藝H模具鋼合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，共晶溫度低，易引起過熱。對于直徑較大的坯料，應(yīng)先在800～900℃預(yù)熱始鍛造溫度1065~1175之間預(yù)熱℃加熱，鍛造時(shí)多次拉長，總鍛比大于4。 ●球化退火工藝的目的是均勻組織，降低硬度，提高切削性能，為淬火和回火做準(zhǔn)備。球化退火工藝是在845～900℃保溫（1h 1min）/mm，然后冷至720~740℃等溫（2h 1min）/mm，最后爐冷至500℃球化退火組織為粒狀珠光體，硬度小于229HBS?？砂辞蚧|(zhì)量GB/T評估1299-2000標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)圖?！?淬火和回火工藝H13模具鋼的最佳熱處理工藝是1020~1080℃加熱油冷淬火或分級(jí)淬火，然后進(jìn)行560~600℃顯微組織回火兩次 回火索氏體 剩余碳化物的顯微硬度為48~52HRC。對于需要高熱硬度的壓鑄模具，可采用上限加熱溫度淬火。對于要求韌性為主的模具（熱鍛模）可取下限加熱溫度淬火。
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