SLD钢模具失效原因分析

谢俊堂，郭联金，金林奎, 陈金生

(1. 广东保绿泰华生物能源有限公司, 广东 揭阳 515557；2. 东莞职业技术学院 机电工程学院，广东 东莞 523808；3. 国家模具产品质量监督检验中心，广东 东莞 523808)

SLD钢属于高碳高铬型冷作模具钢，具有较高的硬度和适宜的韧性，并有回火硬化效果，是耐磨性较好的合金模具钢。材料中添加钼、钒等合金元素，因而具有耐磨、不变形、耐冲击等特性。强化元素钼、钒的加入，使模具材料的耐磨性、强韧性显著提升。钢料经过二次精炼，材料纯净度高，晶粒细微。模具热处理后具有很高的硬度及耐磨性，并具有淬透性强、尺寸稳定性好的特点[1]。

SLD钢的热加工规范温度1050～950 ℃。退火规范加热温度800～850 ℃，在此温度停留1～3 h，随炉冷却。淬火、回火规范预热温度700～750 ℃，奥氏体化温度1000～1050 ℃，在静止空气中冷却。如模具零件的厚度≥150 mm，加热至温度980～1030 ℃，在油中淬硬更佳。回火温度150～200 ℃，在静止空气中冷却，回火2次，硬度≥61 HRC。本文对模具失效件的化学成分、表面硬度及显微组织进行理化检测，分析和推断模具加工后放置伸长失效的原因，以及显微组织中沿晶裂纹的形成机理。

1 宏观检查

模具失效件的原材料采用SLD冷作模具钢，加工流程为：机加工→钻孔→热处理淬回火→内孔磨削→平面磨削→精密测量→成品入库。模具外形尺寸为360 mm(长)×200 mm(宽)×23 mm(厚)。该模具加工处理后，经高精度三坐标测量合格后存放备用。在放置6个月后重新测量，模具的长度比原来伸长0.20 mm。模具尺寸超过规范要求，该模具只能作报废处理(见图1)。

图1 模具伸长失效件Fig.1 Mold extension failure part

2 结果与讨论

2.1 化学成分测试

从该模具失效件上截取样块，采用ARL8860火花放电直读光谱仪进行化学成分检测。依据客户提供的SLD钢化学成分要求进行评定，化学成分符合规范要求。检测结果见表1。

表1 失效件样品化学成分测试结果(质量分数，%)

2.2 表面硬度检测

从失效模具上截取试样，采用Qness Q150数显洛氏硬度计进行表面硬度检测。检测结果表明，实测硬度值符合规范要求，见表2。

表2 失效件样品表面硬度测试结果(HRC)

2.3 金相组织检测

采用Axio Observer 7m光学显微镜对模具失效件试样进行金相检测，显微组织中存在较严重的网状共晶碳化物，依据国家标准GB/T 14979—1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法》第四评级图进行评定，共晶碳化物评定为6级。采用国家标准GB/T 1299—2014《工模具钢》第6.6.3条例进行判定，钢材直径或边长≤50 mm，共晶碳化物不均匀度级别要求≤4级，显微组织中的共晶碳化物不均匀度属于不合格级别，见图2。

图2 网状共晶碳化物(100×)Fig.2 Reticulated eutectic carbide (100×)

用高倍金相显微镜观测，网状共晶碳化物密集区域呈粗大条块状。这种密集分布的共晶碳化物，大幅度降低材料的强韧性[2]，见图3(a)。基体组织为隐针回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体，见图3(b)。

(a) 共晶碳化物；(b) 显微组织图3 低倍基体组织形貌 500×(a) eutectic carbides；(b) microstructureFig.3 Low-power morphology of matrix structure 500×

进一步提高金相显微镜倍率，基体组织显示较多的残余奥氏体。共晶碳化物密集区域，亮灰色的残余奥氏体含量更多。试样经深腐蚀处理，基体组织仍然呈灰白色，显示材料回火不充分[3]。基体组织及共晶碳化物条之间，都存在多处显微裂纹，这是组织应力导致的内裂纹[4]，见图4。

图4 显微裂纹Fig.4 Microcrack

2.4 扫描电镜检测

采用SIGMA 300扫描电子显微镜检测基体组织的显微裂纹。基体组织中沿原始粗大网周围，存在大面积的条状碳化物。在粗大网状碳化物围成的区域内，布满细小颗粒状碳化物。基体组织中沿二次奥氏体晶粒的晶界，产生大量沿晶开裂的显微裂纹[5]，见图5(a)、5(b)。基体显微组织为细针状回火马氏体+粗条状共晶碳化物+颗粒状二次碳化物，较多量颗粒碳化物沿晶分布，同时晶界处产生大量沿晶裂纹。进一步提高扫描电镜倍率，粗大条状碳化物周围存在明显的裂缝，沿晶产生的裂纹更为明显，见图5(c)、5(d)。

2.5 微区能谱测试

对试样浸蚀面的条状碳化物及基体组织进行微区能谱测试，测试区如图6(a)所示，测试1区为条状碳化物，测试2区为颗粒状碳化物，测试3区为基体组织。能谱测试结果表明，测试1区含有C、Cr、Fe、V等合金元素(见表3)，能谱测试结果显示高碳高铬高铁成分，属于富含铬、铁元素的合金碳化物，见图6(b)。测试2区含有C、Cr、Fe、V、S等合金元素(见表3)，能谱测试结果显示碳化物颗粒含有硫化物夹杂，见图6(c)。测试3区含有C、Cr、Fe、Si等合金元素(见表3)，能谱测试结果显示基体组织的化学成分与SLD钢材质相符，见图6(d)。

表3 微区能谱测试结果

(a)条状碳化物+显微裂纹(2000×)；(b)球状碳化物+显微裂纹(2000×)；(c)条状碳化物+显微裂纹(5000×)；(d) 球状碳化物+显微裂纹(5000×)图5 基体组织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)能谱测试区域(2000×)；(b)、(c) 、(d)能谱测试结果图6 微区能谱测试(a) test area of spectrum(2000×)；(b)，(c) ，(d) test results of spectrumFig.6 Energy spectrum test in micro-area

2.6 残余奥氏体测试

对试样检测面进行打磨及抛光处理，采用D8 ADVANCE X射线衍射仪,对钢中残余奥氏体含量进行测试，见图7(a)，依据标准YB/T 5338—2006《钢中残余奥氏体定量测定X射线衍射仪法》测定，试样基体组织的残余奥氏体含量达16.8%，见图7(b)。基体组织中残余奥氏体过多，严重影响模具材料的使用性能及尺寸稳定性[6]。

(a) 衍射线谱图；(b) 测试数据统计图7 残余奥氏体测试(a) diffraction pattern；(b) statistics of test dataFig.7 Retained austenite test

综上所述，模具材料显微组织中，存在较严重的网状共晶碳化物，且碳化物呈粗片状分布，这种粗片状共晶碳化物的存在，大幅度降低材料的强韧性[7]。基体组织显示较多的残余奥氏体，共晶碳化物聚集的区域，残余奥氏体含量更多。模具在放置过程中，基体中不稳定的残余奥氏体继续向马氏体转变，体积发生膨胀，因而造成模具材料放置伸长。试样经深腐蚀，基体组织仍然呈灰白色，显示材料回火不充分，组织应力未能消除，模具放置过程中将会继续释放，进一步促使模具的变形和伸长[8]。同时基体组织及共晶碳化物条之间，都存在多处显微裂纹，这是组织应力导致的内裂纹[9]。

基体组织中块状碳化物分布众多且体型大，显著降低材料强度，增加材料脆性。在热应力及组织应力作用下，块状碳化物与基体组织之间形成显微裂纹[10]。检查结果显示，不仅碳化物条边缘与基体组织之间形成显微裂纹，而且沿基体组织之间产生大量的显微裂纹。采用X射线衍射仪对钢中残余奥氏体含量进行测试，该模具材料基体组织中的残余奥氏体含量达16.8%。由于基体组织中的残余奥氏体过多，严重影响模具材料的使用性能及尺寸稳定性[11]。

3 结论及改进建议

模具失效件的化学成分及表面硬度符合规范要求。材料组织中共晶碳化物超标，沿网状共晶碳化物变形方向，材料的伸长量将会增大。同时共晶碳化物围成的网状极粗大，加大模具材料的变形及伸长。显微组织中残留奥氏体含量过多，且材料回火不充分，组织应力未能消除。模具在放置过程中，残余奥氏体向马氏体转变，体积发生膨胀。同时组织应力进一步释放，促使模具沿共晶碳化物变形方向即模具的长度方向伸长，并产生应力开裂的显微裂纹。

模具在轧制及锻造过程中，应严格执行加工工艺，将网状共晶碳化物打碎。模具在热处理过程中，应降低基体组织中的残留奥氏体含量，并对模具材料充分回火，进一步消除材料的组织应力，提高模具的使用性能及尺寸稳定性，减少模具后期的变形量。尺寸稳定性要求高的工件应当采用深冷处理，或者人工时效处理，以确保工件在使用过程中尺寸稳定。这类处理主要应用于量规量具和某些结构零件上。深冷处理：淬火后立即将工件冷却到-70～-80 ℃之间，保持3～4 h，然后再回火或时效处理。深冷处理可使工件硬度提高到1～3 HRC，避免形状复杂模具的破裂风险。时效处理：淬火后的回火由110～140 ℃之间的时效处理代替，保温时间25～100 h。模坯或工件在低温回火状态磨削时，容易产生磨削开裂。为防止裂纹发生，应采取小的磨削进给量，并多次磨削，同时辅加良好的水冷条件。形状复杂或尺寸较大的模具，最终成型采用线切割加工时，需要防止开裂，建议采用气淬及高温回火处理，以降低热处理应力，或对模坯进行型腔预加工处理。