S-136不銹鋼失效分析

殷志明 趙忠華

（壹勝百模具（青島）有限公司，山東 青島 266200）

1 S-136不銹鋼特性簡介

S-136 屬于塑膠模具不銹鋼，為適應(yīng)塑料產(chǎn)品表面質(zhì)量要求高，拋光性好而研發(fā)。塑料模具常見問題包括5 個方面。1）模具冷卻水路的銹蝕，需要重新鉆削冷卻水道。2）水路的開裂、焊補。3）模具表面定期下機的反復(fù)拋光。4）模具鋼材所包括的非金屬夾雜物及材質(zhì)偏析影響著鋼材的拋光性能。5）碳元素的含量較高，須通過熱處理改善材料的性能，電渣重熔精煉鋼。由于采用電渣重熔（ESR）工藝，S-136 鋼種可以獲得很好的拋光表面 質(zhì)量，具體有3 個優(yōu)點。1）具備優(yōu)秀的耐腐蝕性、拋光性、良好的機加工性能以及熱處理尺寸穩(wěn)定性。2）保養(yǎng)成本較低，模具經(jīng)過連續(xù)的生產(chǎn)作業(yè)，型腔表面仍然保持高光亮的表面狀態(tài)。3） 較低的生產(chǎn)成本，由于模具冷卻水水道受氧化膜的影響而受腐蝕較少，鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)、冷卻效率在模具整個服役周期中均保持穩(wěn)定， 確保了模具始終如一的循環(huán)時間，提供低維護成本和高壽命的模具，達到最佳的經(jīng)濟效益[1]。

2 S-136的化學(xué)成分

用直讀光譜儀對材料進行化學(xué)成分，見表1。

表1 模具材料成分檢測結(jié)果（%）

3 合金元素對不銹鋼性能的影響

鋼的性能取決于碳在鋼中的含量、分布的形式，碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大，與Cr、Mo、V 元素形成碳化物，在淬火時固溶于基體中，硬化馬氏體的作用[2]。鉻是含量最多的合金元素，形成的表面氧化物對耐蝕性起至關(guān)重要的作用。鉻固溶于基體內(nèi)，改善鋼的淬透性，提高鋼的韌性和高溫強度，并抑制回火軟化。不銹鋼中的鉻、硅能提高鋼的電極電位，當硅含量超過4-5%時，鋼的脆性很大，不能鍛造和軋制。錳在鋼液電渣重熔時起到脫氧和脫硫作用，對淬透性影響最大的元素[2]。

4 S-136熱處理的熱處理金相組織檢測分析

S-136 經(jīng)由真空處理：1 025 ℃～1 050 ℃，525+500 ℃交付客戶使用。淬火加熱溫度的選擇以得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后獲得細小馬氏體組織[3]。模具在量產(chǎn)30 d 左右出現(xiàn)漏水問題，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)模具的基體硬度為48.7HRC、49.8HRC、49.3HRC， 組織為細小均勻的回火馬氏體+彌散分布碳化物（如圖 1～ 圖 3 所示），金相組織正常。

圖1 基體金相組織照片×100

圖2 基體金相組織×500

圖3 基體金相×1000

5 討論

觀察送檢模具，如圖 4 所示。打開裂紋，可見裂紋沿水道內(nèi)壁向外擴展。還觀察到整個水道口銹蝕嚴重，可見冷卻水流動不暢或者冷卻水道內(nèi)有積水的區(qū)域，又或者是冷卻水的質(zhì)量不良，造成冷卻水道銹蝕嚴重。

觀察模具水道內(nèi)壁和裂紋源處金相組織，如圖5～圖6所示。水道內(nèi)壁有明顯的腐蝕坑，裂紋源在腐蝕坑位置，在腐蝕坑及裂紋源處，裂紋沿晶界開裂。水道內(nèi)壁表面還觀察到疑似脫碳層的白亮組織，白亮組織的硬度為468.4HV、470.4HV、475.4HV，由此可以確認，水道表面的白亮組織為脫碳層組織，脫碳層組織應(yīng)是在淬火熱處理時產(chǎn)生的。脫碳層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，這樣，表面脫碳層的拉應(yīng)力與水道腐蝕共同作用產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕使水道開裂。

不銹鋼耐蝕主要是鉻與氧元素在其表面形成的一層致密的Cr2O3鈍化膜，有效地防止或減輕鋼的繼續(xù)腐蝕。鋼種的Si 和Al 也在表面形成致密的氧化物，提高鋼的耐腐蝕性能[4]。不銹鋼表面鈍化膜的局部被溶解或者破壞，往往發(fā)生在機加工或裸露的表面有缺陷、以及不銹鋼存在夾雜的地方，而且需要有活性陰離子的存在，例如氯離子是常見的發(fā)生點腐蝕的陰離子。氯離子容易被吸附，擠走氧原子，和鈍化膜中的陽離子反應(yīng)生成可溶性的氯化物，破壞鈍化膜，形成小坑，即點腐蝕誘導(dǎo)階段，形成一個閉塞電路，再加上有氯離子接近，形成很強的腐蝕性溶液，加速腐蝕反應(yīng)的速度。含氯離子的水溶液是產(chǎn)生點腐蝕的主要原因[5]。模具熱處理時采用高溫回火，使碳化物大量析出，主要是高溫條件下鉻的擴散能力強，且鉻向低/貧鉻區(qū)的擴散速度較快。在增加微電池數(shù)目的同時減少基體組織中的含鉻量，導(dǎo)致電極電位降低，加劇不銹鋼的腐蝕。綜上所述，模具開裂的主要原因是水道表面脫碳層的拉應(yīng)力與水道腐蝕共同作用產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕。應(yīng)力腐蝕形貌特征為模具表面腐蝕程度較輕，但個別裂紋較深，裂紋的走向基本與主應(yīng)力方向垂直。

脫碳層與淬火有關(guān)，水道腐蝕與冷卻水流動不暢或者冷卻水道內(nèi)有積水的區(qū)域、又或者是冷卻水中氯的含量有關(guān)。

圖4 模具裂紋源位置

圖5 水道內(nèi)壁金相組織（×100）

圖6 內(nèi)壁和斷裂面金相（×500）

6 結(jié)論

綜上所述 ，筆者總結(jié)了5 個結(jié)論。1）樣品硬度為：48.9HRC、50.0HRC、49.2HRC。2）基體組織為回火馬氏體+碳化物。3）冷卻水道內(nèi)壁有脫碳層組織，脫碳層與淬火有關(guān)。4）冷卻水道發(fā)生嚴重的銹蝕，水道腐蝕與冷卻水流動不暢或者冷卻水道內(nèi)有積水的區(qū)域、又或者是冷卻水的質(zhì)量不良有關(guān)。5）開裂主要原因是水道表面脫碳層的拉應(yīng)力與水道腐蝕共同作用產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕所致。