压铸模早期开裂失效分析

苏以人，陈冬利

1.概况

铝合金压铸模材料为4Cr5MoSiV1(H13)钢，硬度要求42～48HRC。其制造工艺路线是：锻造→退火→粗加工→热处理→精加工。模具在真空炉中加热，温度（1030±10）℃，保温90min，氩气淬火，560～580℃回火保温6h在空气中冷却。处理后的硬度为51～52.5HRC。

2.失效模具检查

模具使用时间不长便发生开裂，化学成分分析符合4Cr5MoSiV1钢的国家标准。断口观察有明显贝纹线，裂纹源区和扩展区由于高温氧化呈现出深浅不同的氧化色，使疲劳裂纹更加清晰。裂纹源位于模具型面拐角处。另外一副模具在使用前已有裂纹，在使用中成为裂纹源，断口上裂纹处有黑色氧化物，其扩展区无明显贝纹线，但有较长的快速撕裂条纹。

金相组织检验为回火马氏体+回火托氏体（呈黑色网络）。对黑色网络进行SEM能谱分析，该处有铬、钒碳化物，还有杂质元素硫的偏聚。金相组织检查还发现由于钢的化学成分不均匀所造成的带状分布组织，碳化物偏析带（碳及合金元素富集区）有块状和堆集状碳化物，还有十分细小、密集的点状碳化物。两侧贫碳贫合金元素区域，虽然已经过高温回火，组织已发生变化，但原淬火时形成的贝氏体形态（黑针状）仍然可见。

3.失效分析及预防措施

大型模块的成分偏析是难免的，锻造使成分和组织不均匀难以消除，大块堆集状和链网共晶碳化物不易被破碎均匀化。因此，大模块可先进行1100～1150℃固溶-高温回火预处理，以改善组织不均匀性，消除原材料中二次碳化物网，增加模具的韧度。采用680℃左右高温回火，保温透热后空冷。

淬火温度选用1000～1050℃，可得到细小晶粒和性能较好的细针状马氏体组织，亚稳定共晶碳化物。如果数量不多且分布均匀，形态圆整，有利于钢性能的提高。4Cr5MoSiV1钢在空冷条件下可能获得马氏体组织，但在800～860℃温度区间内缓冷，有二次碳化物沿晶界析出，如果采用油冷淬火（油温55～150℃）或分级淬火，可抑制二次碳化物沿晶界析出，避免产生脆性。

4Cr5MoSiV1钢有回火脆性，尺寸较大的模具高温回火后应采用油冷，以避免回火脆性，提高韧度，延长模具使用寿命。

4.结语

（1）该钢原材料化学成分偏析严重，造成组织不均匀，产生附加应力，是导致早期开裂的重要原因。

（2）氩气淬火压力不够，冷却速度较慢，致使淬火组织中出现黑色托氏体，也可能有网状碳化物析出，降低了材料的强度和冲击韧度，也是导致早期开裂的原因之一。

（3）因模具尺寸较大，高温回火后空冷冷速不足，引起回火脆性的发生。

（4）模具截面改变处的R角太小，引起热处理应力集中而产生微裂纹，工作时微裂纹扩展，导致模具早期失效。