H13压铸模早期开裂失效分析

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2019家电模具高峰论坛征文

H13钢是目前应用最广的热作模具钢，具有良好的韧性、热疲劳性、耐磨性、强度及硬度，并且能抵抗熔融金属的腐蚀。

现对材质为H13的压铸模失效进行研究，模具零件的加工工艺依次为设计图纸订料、数控铣床粗加工、铣床钻斜导柱孔、真空热处理淬火回火至52~54HRC、磨床研磨倒角、数控铣床精加工、电火花加工、抛光研模，设计使用寿命8万次，但实际使用寿命为2.4万次。为查找模具失效原因，防止裂纹再次产生，首先在失效模具的裂纹源部位取样，测试模具的表面硬度和化学成分，对断口宏观微观形貌及热处理显微组织进行观察分析，最终确定压铸模失效开裂的原因。

试验方法

1

样品制备分析

对象为已失效的H13压铸模，通过电火花数控线切割机切取模具的裂纹源，将其切割成金相试样、硬度试样和化学成分测试试样。

2

性能检测方法

化学成分分析采用火花放电直读光谱仪，按GB/T22-2006《钢的成品化学成分允许偏差》测试；表面硬度测试采用洛氏硬度计，按GB/T230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验》测试；金相检测采用研究级倒置金相显微镜，按GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》对模具基材表面进行形貌观测；模具裂纹微观形貌及能谱检测采用SIGMA300扫描电镜观测。

结果与讨论

1

宏观检查

图1所示为失效模具取样部位，失效模具整体外形尺寸为23cm×16cm×6cm。失效模具裂纹如图1（a）所示，分布在模具行位、行位一侧工作面、直角台阶根部、直角台阶侧面以及背面，从图1（a）~（c）的开口宽度可以看出，模具的主裂纹在直角台阶根部及侧面，而模具行位及行位一侧工作面处裂纹偏细，裂纹从直角台阶根部延伸到模具行位和背面平台。从模具直角台阶根部裂纹处、直角台阶侧面裂纹处以及模具背面裂纹内部部位取样，如图1（d）所示，在此处截取样品，再将其分为3个样品，其中直角台阶部位（1号）用于化学成分分析以及硬度测试，直角台阶根部侧面裂纹处（2号）用于观察裂纹断口微观形貌及能谱分析，模具背面裂纹处（3号）用于金相及显微组织分析。

（a）失效模具宏观形貌

（b）直角台阶裂纹形貌

（c）背面裂纹形貌

（d）局部取样形貌

图1 失效模具及取样部位

由图1（a）和（b）可以看到在模具的工作面处存在一个“直角”，模具工作时，在直角台阶根部形成较大的应力集中，导致多源台阶开裂，初步判定此处为裂纹形成的源头。此处还可观测到放射状条纹和因循环载荷而产生的疲劳弧线，由此推断模具直角台阶根部为产生裂纹的裂纹源。在循环载荷的作用下，形成疲劳裂纹，当达到一定强度后，直角台阶根部形成二次应力开裂并迅速向两端延伸。

2

化学成分分析

表1所示为失效模具中各元素的质量百分比，标准值参考GB/T1299-2000合金工具钢，通过对比可知，失效模具中化学成分除S元素轻微超标，其余元素含量符合《工模具钢》对4Cr5MoSiV1模具钢的要求。

3

表面硬度检测

表2所示为失效模具的洛氏硬度，在1号样上随机取5个点，通过洛氏硬度计进行硬度测试，通过测试发现，原材料硬度值较为均匀，且符合要求。

4

微观分析

01

断口微观形貌及能谱分析

（a）50×

（b）500×

（c）1000×

图2 2号样断口扫描图像

图2所示为直角台阶根部侧面裂纹扫描电镜结果，从图2（a）和（c）可以看到断口处较为粗糙且出现了较多的多源台阶条纹以及二次裂纹，从图2（b）和（c）可以看到失效模具断面呈现晶粒剥落的形貌特征以及大量脆性的第二相组织，验证了失效模具的低强度和高脆性。

综上所述，2号样处出现了较多的多源台阶以及二次裂纹，多源条纹是应力集中造成开裂的特征条纹，二次裂纹是模具在工作时受循环应力作用而产生的裂纹，是典型的疲劳断裂，且此处裂纹位于直角台阶处，初步判断该区域是裂纹形成的源头。

（a）2000×

（b）沿晶表面组织能谱分析

（c）第二项组织能谱分析

图3 2号样断口扫描图像及能谱分析结果

图3所示为断口表面及颗粒状第二相组织扫描电镜和能谱分析结果，表3所示为能谱测试结果。图3（a）为断口沿晶表面组织和第二相组织2000倍的二次电子像，断口沿晶表面组织测试区的能谱分析如图3（b）所示，断口表面组织中含有C、O、Fe等合金元素。

从表3可知，C、O、Fe的质量分数分别为62.91%、20.02%、17.08%，断口表面沿晶组织中含有大量高氧高铁，这可能是失效模具放置时间太久，导致断口表面被氧化。断口第二相组织测试区的能谱分析如图3（c）所示，断口表面组织中含有C、Fe、Cr等合金元素，断口颗粒大小约6.4μm。从表3可知，C、Fe、Cr的质量分数分别为71.31%、26.88%、1.81%，可以判定断口第二相组织为Fe和Cr构成的颗粒状碳化物，这可能是材料锻造工艺及热处理工艺不规范造成，基材组织表面含有高铁高铬颗粒状碳化物，会造成基材组织不均匀，这对降低模具强度，增大其脆性倾向影响较大。

02

裂纹金相及微观形貌分析

（a）100×

（b）500×

图4 3号样金相组织形貌

图4所示为（3号）金相试样的组织形貌，对失效模具基材进行夹杂物评级和金相组织检验。根据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验方法》对夹杂物评级，结合ISO评级图评定，结果为氧化铝类细系一级，属于可接受的非金属夹杂物。观察金相组织形貌发现金相组织为回火马氏体+碳化物，晶粒细小且组织分布比较均匀，未发现异常情况，断定模具基材符合标准，模具失效与基材关系不大，从硬度测试和化学成分测试结果也能得到印证。

图5（a）所示为金相试样未经侵蚀的低倍率的扫描电镜图像，经抛光后基材裂纹较为平整而且基体材料的组织也较为单一，经光学显微镜观察评级基材符合标准，图5（b）所示为金相试样未经侵蚀的高倍率的扫描电镜图像，裂纹附近基材分布有不均匀的颗粒状碳化物及轻微的网状晶粒脱落，并伴有二次裂纹的出现，表现为一定脆性。

（a）3号样抛光30× 

（b）3号样抛光1000×

（c）3号样腐蚀后1000× 

（d）3号样腐蚀后3000×

图5 金相试样裂纹扫描电镜结果

图5（c）和（d）所示为金相试样经4%硝酸酒精侵蚀后在高倍率扫描电镜下的图像。从图5（c）可以看出，经硝酸酒精腐蚀后裂纹附近的二次裂纹更加明显且交叉无序，二次裂纹是模具工作时因循环载荷作用下组织的多次分裂，是疲劳断裂的典型形貌特征。从图5（d）可以观察到模具基体淬硬层表现为细片状马氏体，因其在形成时互相碰撞，而且没有相应的形变来松弛应力，形成了高应力场，当应力足够大时就形成显微裂纹。

综上所述，经化学成分分析、硬度测试模具钢材均符合规定，经金相及显微组织检验模具钢材组织均匀，未发现明显缺陷。但模具使用不到3万次发生断裂，且在模具直角台阶处发现了大量多源台阶条纹及二次裂纹，断定模具是因台阶处存在直角，因应力集中继而引发裂纹，造成模具早期失效。

实验结论

模具钢材经过硬度测试和化学成分测试结果都在标准值范围之内，光学显微镜观察钢材显微组织亦无明显缺陷，金属夹杂物评级及晶粒度也在正常的标准范围之内，由此推断模具材质与模具开裂无直接关系。

一般情况下，直角台阶处的圆角半径是以两相邻边较短边的1/3为宜，最小不低于R0.5mm，若半径小于R0.5mm会造成应力集中且应力急剧增大。而模具直角台阶处圆角的实测半径小于R0.5mm，不符合设计要求。因此，可以判定该模具台阶处R角过小是造成应力集中引发裂纹源，导致模具早期疲劳断裂的根本原因。

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▍内容来源：《模具工业》2019年第7期