H13模具鋼的(de)失效問題是一(yi)個(ge)非常復(fu)雜(za)的(de)技術難題，可以(yi)從材料、設計、制造(zao)和使用(yong)四個(ge)方面進行分析。

　　1.化學成分和(he)冶金質(zhi)量

　　H13鋼(gang)(gang)(gang)屬(shu)于(yu)過(guo)共析合金(jin)鋼(gang)(gang)(gang)類型，組織(zhi)中存在較多的(de)非(fei)金(jin)屬(shu)夾雜(za)物、碳(tan)化(hua)物偏析、中心(xin)疏松及白(bai)點等缺陷(xian)，在很大程度上降(jiang)低模具鋼(gang)(gang)(gang)的(de)強度、韌性(xing)(xing)及熱疲勞(lao)抗(kang)力。H13鋼(gang)(gang)(gang)根據質(zhi)(zhi)量一般分(fen)為普通H13鋼(gang)(gang)(gang)和優質(zhi)(zhi)H13鋼(gang)(gang)(gang)。優質(zhi)(zhi)H13鋼(gang)(gang)(gang)由于(yu)采用了較先進(jin)的(de)生產工藝(yi)，鋼(gang)(gang)(gang)質(zhi)(zhi)純凈，組織(zhi)均勻，偏析輕微，具有更高的(de)韌性(xing)(xing)及熱疲勞(lao)性(xing)(xing)能(neng)。普通H13鋼(gang)(gang)(gang)則(ze)必須進(jin)行改鍛，以擊(ji)碎大塊非(fei)金(jin)屬(shu)夾雜(za)，消除碳(tan)化(hua)物偏析，細化(hua)碳(tan)化(hua)物，均勻組織(zhi)。

　　2.模具設(she)計

　　設計(ji)模具時應(ying)根(gen)據成形零件的材料和(he)幾何尺寸確定模塊(kuai)的外形尺寸，以保證模具的強(qiang)度(du)。此(ci)外，過(guo)小的圓角半徑、壁厚差懸殊的扁(bian)寬(kuan)薄壁截面及孔、槽(cao)位置不合適等很容易在(zai)模具熱處理和(he)使用(yong)過(guo)程(cheng)中引起過(guo)大的應(ying)力集(ji)中而(er)萌生(sheng)裂紋。因此(ci)，在(zai)模具設計(ji)中盡量(liang)避免尖角，孔、槽(cao)位置應(ying)合理布置。

　　3.制造工藝

　　(1)鍛(duan)造(zao)(zao)工(gong)藝(yi) H13鋼中合金元素含(han)量(liang)較(jiao)(jiao)(jiao)多，鍛(duan)造(zao)(zao)時(shi)(shi)變(bian)形抗(kang)力較(jiao)(jiao)(jiao)大，且材料的(de)(de)導熱性能較(jiao)(jiao)(jiao)差，共晶溫度較(jiao)(jiao)(jiao)低(di)，稍不注意就會過(guo)燒。因此(ci)，加(jia)(jia)熱時(shi)(shi)應在800～900℃區(qu)間預熱，然(ran)后再(zai)加(jia)(jia)熱至始鍛(duan)溫度1065～1175℃。為擊碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析(xi)，細化碳化物，均勻組織，鍛(duan)造(zao)(zao)時(shi)(shi)要反(fan)復鐓(dui)粗(cu)拔長，總鍛(duan)比大于4。在鍛(duan)造(zao)(zao)后的(de)(de)冷卻過(guo)程(cheng)中，有產生淬火(huo)裂紋的(de)(de)傾向，易在心部產生橫向裂紋。因此(ci)，H13鋼鍛(duan)后應進行緩慢冷卻。

　　(2)切削加(jia)(jia)工 切削加(jia)(jia)工的(de)表面粗糙(cao)度對(dui)模(mo)具熱(re)疲(pi)勞性能(neng)有(you)很大影響，模(mo)具型腔表面應(ying)獲得(de)較(jiao)低的(de)表面粗糙(cao)度，不能(neng)留(liu)有(you)刀痕、劃傷和(he)(he)毛(mao)刺。這些缺陷引起應(ying)力集(ji)中，誘發熱(re)疲(pi)勞裂紋萌生。因此(ci)，在加(jia)(jia)工模(mo)具時(shi)復雜部位(wei)圓角半徑過渡(du)處要防止留(liu)有(you)刀痕，孔、槽(cao)邊緣和(he)(he)根部的(de)毛(mao)刺要打磨掉。

　　(3)磨(mo)(mo)削(xue)加工 磨(mo)(mo)削(xue)過(guo)(guo)程中(zhong)，局部摩擦生熱容易引(yin)起燒傷和裂紋(wen)等缺陷，并(bing)在磨(mo)(mo)削(xue)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)生成殘余拉應(ying)(ying)力(li)(li)，從(cong)而導(dao)致(zhi)模具(ju)過(guo)(guo)早失效。磨(mo)(mo)削(xue)熱引(yin)起的燒傷可以(yi)使H13模具(ju)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)發(fa)生回(hui)火(huo)直至生成回(hui)火(huo)馬(ma)(ma)氏(shi)體，脆性未回(hui)火(huo)馬(ma)(ma)氏(shi)體層會(hui)大(da)大(da)降低模具(ju)的熱疲勞性能(neng)。如果(guo)磨(mo)(mo)削(xue)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)局部升(sheng)溫(wen)達800℃以(yi)上，并(bing)且(qie)冷卻不(bu)充分時(shi)(shi)，則表(biao)(biao)層材料會(hui)被重新奧(ao)氏(shi)體化并(bing)淬(cui)火(huo)成馬(ma)(ma)氏(shi)體，因而模具(ju)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)層會(hui)產生很高的組織應(ying)(ying)力(li)(li)，同時(shi)(shi)磨(mo)(mo)削(xue)過(guo)(guo)程中(zhong)模具(ju)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)溫(wen)升(sheng)極快(kuai)會(hui)引(yin)起熱應(ying)(ying)力(li)(li)，組織應(ying)(ying)力(li)(li)和熱應(ying)(ying)力(li)(li)疊加容易造成模具(ju)產生磨(mo)(mo)削(xue)裂紋(wen)。

　　(4)電(dian)(dian)火(huo)花(hua)加(jia)(jia)(jia)工(gong) 電(dian)(dian)火(huo)花(hua)加(jia)(jia)(jia)工(gong)是(shi)現代模(mo)(mo)具制造(zao)過程(cheng)中不可(ke)缺少的(de)(de)精(jing)加(jia)(jia)(jia)工(gong)手段(duan)。火(huo)花(hua)放(fang)電(dian)(dian)時(shi)，局部的(de)(de)瞬時(shi)溫度(du)高(gao)達1000℃以上，使放(fang)電(dian)(dian)處(chu)的(de)(de)金屬熔(rong)化(hua)(hua)(hua)和(he)(he)氣化(hua)(hua)(hua)，在電(dian)(dian)火(huo)花(hua)加(jia)(jia)(jia)工(gong)表面有一薄(bo)層(ceng)被熔(rong)化(hua)(hua)(hua)而又(you)重(zhong)新凝(ning)固(gu)的(de)(de)金屬，其中有許多(duo)顯(xian)微(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)。在顯(xian)微(wei)鏡下這一薄(bo)層(ceng)金屬呈白(bai)(bai)亮色，即白(bai)(bai)亮層(ceng)。研(yan)究表明，對于高(gao)合(he)金化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)H13鋼(gang)，電(dian)(dian)火(huo)花(hua)加(jia)(jia)(jia)工(gong)形成的(de)(de)表面白(bai)(bai)亮層(ceng)的(de)(de)顯(xian)微(wei)組織為初生馬氏(shi)體(ti)(ti)、殘余奧氏(shi)體(ti)(ti)和(he)(he)共(gong)晶碳化(hua)(hua)(hua)物，未回火(huo)的(de)(de)初生馬氏(shi)體(ti)(ti)存(cun)在大量顯(xian)微(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)。H13鋼(gang)模(mo)(mo)具在工(gong)作中承受載荷時(shi)，這些顯(xian)微(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)很容易發(fa)展為宏觀裂(lie)紋(wen)(wen)，導致(zhi)模(mo)(mo)具易出(chu)現早(zao)期斷裂(lie)和(he)(he)早(zao)期磨損。H13鋼(gang)模(mo)(mo)具經電(dian)(dian)火(huo)花(hua)加(jia)(jia)(jia)工(gong)后應重(zhong)新回火(huo)，以消除內應力，但回火(huo)溫度(du)不要超過電(dian)(dian)火(huo)花(hua)加(jia)(jia)(jia)工(gong)前的(de)(de)最高(gao)回火(huo)溫度(du)。

　　(5)熱處(chu)(chu)理(li)工藝 合理(li)的(de)熱處(chu)(chu)理(li)工藝可(ke)以使模(mo)具(ju)獲得所需要(yao)的(de)力(li)(li)學性能，提高(gao)模(mo)具(ju)的(de)使用壽(shou)命(ming)。但是如果(guo)因熱處(chu)(chu)理(li)工藝設(she)計(ji)不(bu)當或操作不(bu)當而產生熱處(chu)(chu)理(li)缺陷(xian)，將嚴重(zhong)危害模(mo)具(ju)的(de)承載能力(li)(li)，引(yin)起早期失效，縮短工作壽(shou)命(ming)。熱處(chu)(chu)理(li)缺陷(xian)有過(guo)熱、過(guo)燒、脫碳、開(kai)裂(lie)、淬硬層不(bu)均勻和硬度(du)不(bu)足等。H13鋼模(mo)具(ju)在服役(yi)一(yi)定時(shi)間(jian)后，當積(ji)累的(de)內應(ying)力(li)(li)達到(dao)危險的(de)限度(du)時(shi)，應(ying)對模(mo)具(ju)進行去應(ying)力(li)(li)回火，否(fou)則(ze)模(mo)具(ju)在繼續服役(yi)時(shi)將會由于內應(ying)力(li)(li)引(yin)起開(kai)裂(lie)。

　　4.模具的使(shi)用與維護

　　(1)模(mo)(mo)具(ju)的預(yu)熱(re)(re) HI3鋼合金元素含量較高，導熱(re)(re)性(xing)能較差(cha)，因此模(mo)(mo)具(ju)在工作前應充分預(yu)熱(re)(re)。預(yu)熱(re)(re)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)過(guo)高，模(mo)(mo)具(ju)在使(shi)用過(guo)程(cheng)中溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)偏高，強(qiang)度(du)(du)(du)下降，易(yi)產生塑(su)性(xing)變形，造成模(mo)(mo)具(ju)表面塌陷;預(yu)熱(re)(re)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)過(guo)低(di)，模(mo)(mo)具(ju)開始使(shi)用時，瞬間表面溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)變化大(da)，熱(re)(re)應力大(da)，易(yi)萌生裂(lie)紋(wen)。綜合考(kao)慮后H13鋼模(mo)(mo)具(ju)的預(yu)熱(re)(re)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)確定為250～300℃，既(ji)可降低(di)模(mo)(mo)具(ju)與(yu)鍛件(jian)的溫(wen)(wen)差(cha)以避(bi)免模(mo)(mo)具(ju)表面出(chu)現過(guo)大(da)的熱(re)(re)應力，又(you)有(you)效地(di)減少(shao)了(le)模(mo)(mo)具(ju)表面的塑(su)性(xing)變形。

　　(2)模(mo)具(ju)的冷卻(que)與潤(run)滑 為(wei)減輕模(mo)具(ju)的熱(re)(re)(re)負(fu)荷(he)，避免(mian)模(mo)具(ju)溫(wen)(wen)度過高(gao)，通常在模(mo)具(ju)工(gong)(gong)作(zuo)的間歇對其(qi)進行(xing)強制性冷卻(que)，由此(ci)造(zao)成模(mo)具(ju)周期(qi)性的激(ji)熱(re)(re)(re)、激(ji)冷作(zuo)用將(jiang)(jiang)會(hui)產(chan)生熱(re)(re)(re)疲(pi)勞(lao)裂紋。因此(ci)，模(mo)具(ju)使用結束后應緩慢冷卻(que)，否則將(jiang)(jiang)會(hui)出(chu)現熱(re)(re)(re)應力(li)(li)，從(cong)而引起模(mo)具(ju)的開裂失效。H13鋼(gang)模(mo)具(ju)工(gong)(gong)作(zuo)時可(ke)采(cai)用石(shi)墨含量為(wei)12%的水基石(shi)墨進行(xing)潤(run)滑，降(jiang)低成形力(li)(li)，保證(zheng)金屬(shu)在型(xing)腔中正常流動和鍛件順利脫模(mo);此(ci)外，石(shi)墨潤(run)滑劑還具(ju)有散熱(re)(re)(re)作(zuo)用，可(ke)以降(jiang)低H13鋼(gang)模(mo)具(ju)的工(gong)(gong)作(zuo)溫(wen)(wen)度。

　　失效分析(xi)方案(an)

　　H13鋼(gang)模具(ju)的(de)制造(zao)要(yao)經歷設計、選材、鍛(duan)造(zao)、退(tui)火(huo)、機加工(gong)(gong)和(he)熱(re)(re)處(chu)理(li)等(deng)到一(yi)系(xi)列(lie)工(gong)(gong)藝環節(jie)，每(mei)一(yi)工(gong)(gong)藝環節(jie)的(de)工(gong)(gong)藝設計不當或工(gong)(gong)藝操作不當都(dou)會造(zao)成模具(ju)過早(zao)失效，降低模具(ju)使用(yong)壽命。熱(re)(re)作模具(ju)鋼(gang)常常出現崩裂、塌陷、磨損和(he)龜(gui)裂等(deng)失效形式(shi)，熱(re)(re)作模具(ju)鋼(gang)的(de)失效形式(shi)、程度和(he)位置記錄了設計、選材、鍛(duan)造(zao)、退(tui)火(huo)、機加工(gong)(gong)和(he)熱(re)(re)處(chu)理(li)等(deng)到一(yi)系(xi)列(lie)工(gong)(gong)藝環節(jie)中的(de)重要(yao)信息。

　　觀察和(he)分析(xi)H13鋼(gang)模(mo)具的(de)失(shi)效(xiao)位置處的(de)宏觀形(xing)貌特征(zheng)、顯(xian)微組(zu)織(zhi)及(ji)失(shi)效(xiao)形(xing)式，運用金屬(shu)學(xue)(xue)、材(cai)(cai)料(liao)物理及(ji)斷(duan)裂力學(xue)(xue)的(de)理論和(he)方法(fa)提示H13鋼(gang)模(mo)具失(shi)效(xiao)位置處的(de)宏觀形(xing)貌特征(zheng)、材(cai)(cai)料(liao)顯(xian)微組(zu)織(zhi)及(ji)失(shi)效(xiao)形(xing)式與模(mo)具設計、選材(cai)(cai)、加工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝之(zhi)間的(de)關系，從而提出科學(xue)(xue)合理的(de)工(gong)(gong)藝改(gai)進措(cuo)施。

　　(1)原材(cai)料化學成分(fen)和(he)冶金質(zhi)量(liang)分(fen)析

　　提高(gao)H13鋼(gang)(gang)的潔凈度(du)，特(te)別降(jiang)低硫含(han)量是(shi)提高(gao)H13鋼(gang)(gang)模(mo)具(ju)壽命的有效(xiao)措施。優質(zhi)H13鋼(gang)(gang)的硫含(han)量在0.005～0.008%之間(jian)。H13鋼(gang)(gang)是(shi)合(he)金元素含(han)量較(jiao)高(gao)的過共析(xi)鋼(gang)(gang)，在冶煉(lian)、鑄造(zao)時會出現碳化(hua)物(wu)偏析(xi)，鋼(gang)(gang)錠經(jing)鍛(duan)軋(ya)后形成粗大的碳化(hua)物(wu)偏析(xi)帶。碳化(hua)物(wu)偏析(xi)帶和(he)鑄造(zao)殘留的樹枝晶、縮孔、疏松和(he)夾(jia)雜(za)直接影響(xiang)H13鋼(gang)(gang)模(mo)具(ju)的組(zu)織及性(xing)能，是(shi)模(mo)具(ju)早(zao)期失效(xiao)的重要原因之一。對(dui)原材料(liao)化(hua)學成分和(he)冶金質(zhi)量的分析(xi)可(ke)以評定原材料(liao)是(shi)否(fou)合(he)格(ge)，從而用來指導制定科學合(he)理的鍛(duan)造(zao)工(gong)藝(yi)和(he)熱處理工(gong)藝(yi)。

　　試驗方法：對H13鋼材原材料進行取(qu)樣，分析(xi)其化學成(cheng)分，評定其化學成(cheng)分是否符合要求;從鋼材中心部位切取(qu)試樣，打磨、拋(pao)光，采用4%硝(xiao)酸酒精溶液浸蝕，在(zai)光學顯微鏡上檢查顯微組織，按(an)國家相關技術標準(zhun)對碳化物偏析(xi)帶等級、夾雜物等級做出評定。

　　(2)模具顯微組織(zhi)分(fen)析

　　顯(xian)微組(zu)織分(fen)析(xi)可確定模具失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)位(wei)置(zhi)(zhi)是否存(cun)在碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)偏(pian)析(xi)帶(dai)，大塊非金屬夾雜、網(wang)狀碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)、共晶(jing)碳(tan)化(hua)(hua)物(wu)(wu)及(ji)(ji)回(hui)火馬氏體(ti);微區成分(fen)分(fen)析(xi)可確定模具失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)位(wei)置(zhi)(zhi)的(de)(de)化(hua)(hua)學(xue)(xue)成分(fen)分(fen)布特(te)點;顯(xian)微硬度(du)分(fen)析(xi)可確定模具失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)位(wei)置(zhi)(zhi)的(de)(de)力學(xue)(xue)性能。綜合(he)分(fen)析(xi)模具失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)位(wei)置(zhi)(zhi)處(chu)的(de)(de)顯(xian)微組(zu)織、顯(xian)微硬度(du)和微區成分(fen)，揭示模具失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)位(wei)置(zhi)(zhi)處(chu)的(de)(de)宏觀形貌特(te)征及(ji)(ji)失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)(xiao)形式的(de)(de)微觀機(ji)理，正確評價現(xian)行的(de)(de)鍛(duan)造、球化(hua)(hua)退火，淬火和回(hui)火工(gong)藝(yi)，從而提出科學(xue)(xue)合(he)理的(de)(de)工(gong)藝(yi)改(gai)進措施。

　　試驗(yan)方法：從模具失效(xiao)位置切取試樣，打磨、拋光，采用(yong)4%硝(xiao)酸酒精溶液浸蝕、在(zai)光學(xue)顯微(wei)鏡或掃描電子顯微(wei)鏡上檢查顯微(wei)組(zu)織，在(zai)顯微(wei)硬(ying)度儀上測(ce)量硬(ying)度，在(zai)俄歇能譜(pu)分(fen)析儀上確定微(wei)區成分(fen)。

　　工(gong)藝控制措施

　　從H13鋼的(de)化學(xue)成分和組織特點可以看出，熱加工(gong)工(gong)藝(yi)(yi)對(dui)H13鋼模(mo)具的(de)組織和性能有很大影(ying)響(xiang)，為防止H13鋼模(mo)具早期(qi)失效(xiao)、延長使用壽命和提高(gao)經濟效(xiao)益，必須制定科(ke)學(xue)合理的(de)熱加工(gong)工(gong)藝(yi)(yi)。

　　1.鍛造(zao)工藝

　　H13鋼合金元(yuan)素含量高，導熱(re)性差(cha)，共晶溫度(du)比較低，容(rong)易(yi)引起過燒(shao)。對于直徑(jing)大于Ø70mm的坯(pi)料，應先(xian)在(zai)800～900℃區(qu)間預熱(re)，然后在(zai)始(shi)鍛溫度(du)1065～1175℃加熱(re)，鍛造時進行多次拔長鐓粗，總鍛比大于4。

　　2.球化退(tui)火(huo)工藝

　　球(qiu)化退火(huo)(huo)工(gong)藝(yi)的(de)目的(de)是(shi)均(jun)勻組(zu)(zu)織，降低硬度(du)，改善切削加工(gong)性能，為淬火(huo)(huo)和回火(huo)(huo)做(zuo)組(zu)(zu)織準(zhun)備。球(qiu)化退火(huo)(huo)工(gong)藝(yi)是(shi)在845～900℃保(bao)溫(wen)(1h+1min)/mm，然后爐冷至(zhi)(zhi)720～740℃等(deng)溫(wen)(2h+1min)/mm，最后爐冷至(zhi)(zhi)500℃出爐空冷，球(qiu)化退火(huo)(huo)組(zu)(zu)織為粒狀珠光體，硬度(du)小于(yu)229HBS。球(qiu)化質量可按GB/T1299-2000標準(zhun)第一(yi)級別圖進行評定。

　　3. 淬火和回火工藝

　　H13鋼的(de)最(zui)佳熱(re)處理工藝是1020～1080℃加(jia)熱(re)后油(you)冷淬(cui)(cui)火或分級淬(cui)(cui)火，然后進行560～600℃兩次回火，顯(xian)微組織(zhi)為回火托氏體(ti)+回火索氏體(ti)+剩余碳化物，顯(xian)微硬(ying)度(du)為48～52HRC。對(dui)于(yu)要求(qiu)熱(re)硬(ying)性(xing)高的(de)模具(壓鑄模)可(ke)取(qu)上(shang)限加(jia)熱(re)溫(wen)度(du)淬(cui)(cui)火。對(dui)于(yu)要求(qiu)韌性(xing)為主的(de)模具(熱(re)鍛模)可(ke)取(qu)下限加(jia)熱(re)溫(wen)度(du)淬(cui)(cui)火。