SLD鋼模具失效原因分析

謝俊堂，郭聯(lián)金，金林奎, 陳金生

(1. 廣東保綠泰華生物能源有限公司, 廣東 揭陽 515557；2. 東莞職業(yè)技術學院 機電工程學院，廣東 東莞 523808；3. 國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，廣東 東莞 523808)

SLD鋼屬于高碳高鉻型冷作模具鋼，具有較高的硬度和適宜的韌性，并有回火硬化效果，是耐磨性較好的合金模具鋼。材料中添加鉬、釩等合金元素，因而具有耐磨、不變形、耐沖擊等特性。強化元素鉬、釩的加入，使模具材料的耐磨性、強韌性顯著提升。鋼料經(jīng)過二次精煉，材料純凈度高，晶粒細微。模具熱處理后具有很高的硬度及耐磨性，并具有淬透性強、尺寸穩(wěn)定性好的特點[1]。

SLD鋼的熱加工規(guī)范溫度1050～950 ℃。退火規(guī)范加熱溫度800～850 ℃，在此溫度停留1～3 h，隨爐冷卻。淬火、回火規(guī)范預熱溫度700～750 ℃，奧氏體化溫度1000～1050 ℃，在靜止空氣中冷卻。如模具零件的厚度≥150 mm，加熱至溫度980～1030 ℃，在油中淬硬更佳。回火溫度150～200 ℃，在靜止空氣中冷卻，回火2次，硬度≥61 HRC。本文對模具失效件的化學成分、表面硬度及顯微組織進行理化檢測，分析和推斷模具加工后放置伸長失效的原因，以及顯微組織中沿晶裂紋的形成機理。

1 宏觀檢查

模具失效件的原材料采用SLD冷作模具鋼，加工流程為：機加工→鉆孔→熱處理淬回火→內(nèi)孔磨削→平面磨削→精密測量→成品入庫。模具外形尺寸為360 mm(長)×200 mm(寬)×23 mm(厚)。該模具加工處理后，經(jīng)高精度三坐標測量合格后存放備用。在放置6個月后重新測量，模具的長度比原來伸長0.20 mm。模具尺寸超過規(guī)范要求，該模具只能作報廢處理(見圖1)。

圖1 模具伸長失效件Fig.1 Mold extension failure part

2 結(jié)果與討論

2.1 化學成分測試

從該模具失效件上截取樣塊，采用ARL8860火花放電直讀光譜儀進行化學成分檢測。依據(jù)客戶提供的SLD鋼化學成分要求進行評定，化學成分符合規(guī)范要求。檢測結(jié)果見表1。

表1 失效件樣品化學成分測試結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

2.2 表面硬度檢測

從失效模具上截取試樣，采用Qness Q150數(shù)顯洛氏硬度計進行表面硬度檢測。檢測結(jié)果表明，實測硬度值符合規(guī)范要求，見表2。

表2 失效件樣品表面硬度測試結(jié)果(HRC)

2.3 金相組織檢測

采用Axio Observer 7m光學顯微鏡對模具失效件試樣進行金相檢測，顯微組織中存在較嚴重的網(wǎng)狀共晶碳化物，依據(jù)國家標準GB/T 14979—1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評定法》第四評級圖進行評定，共晶碳化物評定為6級。采用國家標準GB/T 1299—2014《工模具鋼》第6.6.3條例進行判定，鋼材直徑或邊長≤50 mm，共晶碳化物不均勻度級別要求≤4級，顯微組織中的共晶碳化物不均勻度屬于不合格級別，見圖2。

圖2 網(wǎng)狀共晶碳化物(100×)Fig.2 Reticulated eutectic carbide (100×)

用高倍金相顯微鏡觀測，網(wǎng)狀共晶碳化物密集區(qū)域呈粗大條塊狀。這種密集分布的共晶碳化物，大幅度降低材料的強韌性[2]，見圖3(a)?；w組織為隱針回火馬氏體+顆粒狀碳化物+殘余奧氏體，見圖3(b)。

(a) 共晶碳化物；(b) 顯微組織圖3 低倍基體組織形貌 500×(a) eutectic carbides；(b) microstructureFig.3 Low-power morphology of matrix structure 500×

進一步提高金相顯微鏡倍率，基體組織顯示較多的殘余奧氏體。共晶碳化物密集區(qū)域，亮灰色的殘余奧氏體含量更多。試樣經(jīng)深腐蝕處理，基體組織仍然呈灰白色，顯示材料回火不充分[3]。基體組織及共晶碳化物條之間，都存在多處顯微裂紋，這是組織應力導致的內(nèi)裂紋[4]，見圖4。

圖4 顯微裂紋Fig.4 Microcrack

2.4 掃描電鏡檢測

采用SIGMA 300掃描電子顯微鏡檢測基體組織的顯微裂紋。基體組織中沿原始粗大網(wǎng)周圍，存在大面積的條狀碳化物。在粗大網(wǎng)狀碳化物圍成的區(qū)域內(nèi)，布滿細小顆粒狀碳化物。基體組織中沿二次奧氏體晶粒的晶界，產(chǎn)生大量沿晶開裂的顯微裂紋[5]，見圖5(a)、5(b)?；w顯微組織為細針狀回火馬氏體+粗條狀共晶碳化物+顆粒狀二次碳化物，較多量顆粒碳化物沿晶分布，同時晶界處產(chǎn)生大量沿晶裂紋。進一步提高掃描電鏡倍率，粗大條狀碳化物周圍存在明顯的裂縫，沿晶產(chǎn)生的裂紋更為明顯，見圖5(c)、5(d)。

2.5 微區(qū)能譜測試

對試樣浸蝕面的條狀碳化物及基體組織進行微區(qū)能譜測試，測試區(qū)如圖6(a)所示，測試1區(qū)為條狀碳化物，測試2區(qū)為顆粒狀碳化物，測試3區(qū)為基體組織。能譜測試結(jié)果表明，測試1區(qū)含有C、Cr、Fe、V等合金元素(見表3)，能譜測試結(jié)果顯示高碳高鉻高鐵成分，屬于富含鉻、鐵元素的合金碳化物，見圖6(b)。測試2區(qū)含有C、Cr、Fe、V、S等合金元素(見表3)，能譜測試結(jié)果顯示碳化物顆粒含有硫化物夾雜，見圖6(c)。測試3區(qū)含有C、Cr、Fe、Si等合金元素(見表3)，能譜測試結(jié)果顯示基體組織的化學成分與SLD鋼材質(zhì)相符，見圖6(d)。

表3 微區(qū)能譜測試結(jié)果

(a)條狀碳化物+顯微裂紋(2000×)；(b)球狀碳化物+顯微裂紋(2000×)；(c)條狀碳化物+顯微裂紋(5000×)；(d) 球狀碳化物+顯微裂紋(5000×)圖5 基體組織SEM形貌(a) strip carbide + microcrack (2000×)；(b) spherical carbide+microcrack (2000×)(c) strip carbide+microcrack (5000×)；(d) spherical carbide+microcrack (5000×)Fig.5 SEM morphology of matrix structure

(a)能譜測試區(qū)域(2000×)；(b)、(c) 、(d)能譜測試結(jié)果圖6 微區(qū)能譜測試(a) test area of spectrum(2000×)；(b)，(c) ，(d) test results of spectrumFig.6 Energy spectrum test in micro-area

2.6 殘余奧氏體測試

對試樣檢測面進行打磨及拋光處理，采用D8 ADVANCE X射線衍射儀,對鋼中殘余奧氏體含量進行測試，見圖7(a)，依據(jù)標準YB/T 5338—2006《鋼中殘余奧氏體定量測定X射線衍射儀法》測定，試樣基體組織的殘余奧氏體含量達16.8%，見圖7(b)?；w組織中殘余奧氏體過多，嚴重影響模具材料的使用性能及尺寸穩(wěn)定性[6]。

(a) 衍射線譜圖；(b) 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖7 殘余奧氏體測試(a) diffraction pattern；(b) statistics of test dataFig.7 Retained austenite test

綜上所述，模具材料顯微組織中，存在較嚴重的網(wǎng)狀共晶碳化物，且碳化物呈粗片狀分布，這種粗片狀共晶碳化物的存在，大幅度降低材料的強韌性[7]?；w組織顯示較多的殘余奧氏體，共晶碳化物聚集的區(qū)域，殘余奧氏體含量更多。模具在放置過程中，基體中不穩(wěn)定的殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生膨脹，因而造成模具材料放置伸長。試樣經(jīng)深腐蝕，基體組織仍然呈灰白色，顯示材料回火不充分，組織應力未能消除，模具放置過程中將會繼續(xù)釋放，進一步促使模具的變形和伸長[8]。同時基體組織及共晶碳化物條之間，都存在多處顯微裂紋，這是組織應力導致的內(nèi)裂紋[9]。

基體組織中塊狀碳化物分布眾多且體型大，顯著降低材料強度，增加材料脆性。在熱應力及組織應力作用下，塊狀碳化物與基體組織之間形成顯微裂紋[10]。檢查結(jié)果顯示，不僅碳化物條邊緣與基體組織之間形成顯微裂紋，而且沿基體組織之間產(chǎn)生大量的顯微裂紋。采用X射線衍射儀對鋼中殘余奧氏體含量進行測試，該模具材料基體組織中的殘余奧氏體含量達16.8%。由于基體組織中的殘余奧氏體過多，嚴重影響模具材料的使用性能及尺寸穩(wěn)定性[11]。

3 結(jié)論及改進建議

模具失效件的化學成分及表面硬度符合規(guī)范要求。材料組織中共晶碳化物超標，沿網(wǎng)狀共晶碳化物變形方向，材料的伸長量將會增大。同時共晶碳化物圍成的網(wǎng)狀極粗大，加大模具材料的變形及伸長。顯微組織中殘留奧氏體含量過多，且材料回火不充分，組織應力未能消除。模具在放置過程中，殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，體積發(fā)生膨脹。同時組織應力進一步釋放，促使模具沿共晶碳化物變形方向即模具的長度方向伸長，并產(chǎn)生應力開裂的顯微裂紋。

模具在軋制及鍛造過程中，應嚴格執(zhí)行加工工藝，將網(wǎng)狀共晶碳化物打碎。模具在熱處理過程中，應降低基體組織中的殘留奧氏體含量，并對模具材料充分回火，進一步消除材料的組織應力，提高模具的使用性能及尺寸穩(wěn)定性，減少模具后期的變形量。尺寸穩(wěn)定性要求高的工件應當采用深冷處理，或者人工時效處理，以確保工件在使用過程中尺寸穩(wěn)定。這類處理主要應用于量規(guī)量具和某些結(jié)構零件上。深冷處理：淬火后立即將工件冷卻到-70～-80 ℃之間，保持3～4 h，然后再回火或時效處理。深冷處理可使工件硬度提高到1～3 HRC，避免形狀復雜模具的破裂風險。時效處理：淬火后的回火由110～140 ℃之間的時效處理代替，保溫時間25～100 h。模坯或工件在低溫回火狀態(tài)磨削時，容易產(chǎn)生磨削開裂。為防止裂紋發(fā)生，應采取小的磨削進給量，并多次磨削，同時輔加良好的水冷條件。形狀復雜或尺寸較大的模具，最終成型采用線切割加工時，需要防止開裂，建議采用氣淬及高溫回火處理，以降低熱處理應力，或?qū)δＥ鬟M行型腔預加工處理。