李勇 丁文强 高祥 陈昊

摘  要：针对HD钢锻压模具异常断裂失效问题，通过对模具进行成分分析、硬度检测、冲击韧性检测及金相检验，确定模具为韧性过低导致的脆性断裂失效，模具的热处理工艺没有按照标准规范执行，其热处理组织异常是模具失效的主要原因。

关键词：HD钢;锻压模具;断裂失效;冲击韧性;金相组织

中图分类号：TG142.45                         文献标志码：A               文章编号：1672-0105（2021）04-0050-04

Analysis on the Causes of Abnormal Fracture and Failure of the Forging Die for a Wire Terminal

LI Yong， DING Wenqiang， GAO Xiang， CHEN Hao

（Zhejiang Industry & Trade Vocational College， Wenzhou 325003， China）

Abstract：  The chemical composition， hardness， impact toughness and microstructure of the die were tested to analyze the abnormal fracture and failure of HD steel forging die. The results show that the die is brittle fracture failure caused by low toughness. The main cause of mold failure is abnormal microstructure， and the heat treatment process is not implemented in accordance with the standard specification.

Key Words：  HD steel; forging die; fracture failure; impact toughness; microstructure

0  前言

HD钢（4Cr3Mo2VNiNb钢）是在4Cr3Mo3V钢基础上，通过降低Mo、V的含量，并加入一定质量分数的Ni、Nb等元素，来提高其使用性能的一种热作模具钢。HD钢在锻压模具领域应用广泛，在企业的冷、热锻压成型生产方面均有良好表现，如文献显示HD钢作为气门热精锻模具其使用寿命是3Cr2W8V钢的2.2倍;作为曲柄热镦锻模其寿命为3Cr2W8V钢的2～3倍[1-4]。

某企业采用国产HD钢作为锻压模具生产某型号的铜端子锻件，该型号模具的正常寿命一般都在一万件左右，本模具在生产中仅生产几十件就出现了裂纹，并导致模具失效。该模具的热处理加工为上游热处理厂采用真空淬火处理，淬火温度为       1 100℃;回火两次，空冷，第一次回火温度为560℃、第二次回火温度为590℃。模具失效的原因很多，研究与实践显示：模具使用不当、热处理问题、材料成分问题等因素都能导致模具出现异常失效[5-8]。为分析模具异常断裂的具体原因，本文从材料成分、硬度、冲击韧性、金相组织等多方面着手对失效模具进行检测和分析，以方便企业查找原因，为解决生产问题提供一定的技术依据，并为其它同类生产企业提供相关参考。

1  检测设备与方法

1.1  检测与分析设备

成分分析设备采用德国BRUKER公司S4 PIONEER X射线荧光光谱仪和南京正源分析仪器制造有限公司ZY- HWC9A型高频红外碳硫分析仪。

硬度检测设备采用莱州华银试验仪器有限公司HRS-150型数显洛氏硬度计;冲击韧性检测设备采用济南天华检测设备有限公司JB-W300型微机屏显半自动冲击试验机;金相分析设备采用德国LEICA公司DM 2500M型正置金相显微镜。

1.2  取样部位与检测方法

因模具尺寸较大，为全面分析和评估模具的热处理工艺及金相组织情况，需要对模具檢测部位进行典型取样。图1为失效模具照片;图2为失效模具三维模型，为典型试样的取样示意图，展示冲击韧性、硬度、金相分析等检测试样的取样位置与方向性。

典型试样取样位置如下：①号试样从模具的高度方向沿模具边缘附近纵向取样;②号试样从模具的长度方向沿模具边缘附近横向取样;③号试样从模具的中心部位附近横向取样。每个代表位置均取三个试样，其冲击韧性检测取平均值作为该部位的冲击韧度数值。冲击韧性检测试样按国家标准制备V型样。

④号试样取样位置与方向与③号基本相同，制备硬度检测标准长条试样，从模具的断裂断面开始贯穿模具一直到模具的右端面，沿试样长度方向每间隔一段距离检测该位置的硬度值，该检测方法能反映模具由表及里的硬度梯度变化情况。

金相分析试样经不同型号砂纸磨制、抛光后，采用4%硝酸酒精腐蚀。

2  结果与分析

2.1  成分检测

模具化学成分的检测结果与HD钢标准成分对照表如表1所示[9]，根据检测结果可以看出该模具主要化学成分符合标准，因此模具材料成分是合格的。

2.2  硬度检测

对试样不同位置的硬度进行硬度梯度检测，结果显示模具最高硬度为53.1HRC、最低硬度为51.4HRC，硬度偏差约1.7HRC，该硬度略高于参考文献1 130℃淬火及590℃回火处理后的硬度，鉴于异常断裂模具的第一次回火温度比参考文献的回火温度低，而淬火温度也略低，考虑到检测误差的存在，说明该HD钢模具的硬度在正常的硬度范围之内。另外，通过模具试样的贯穿硬度检测，其硬度值变化范围不大，说明该模具已经淬透，没有出现模具未淬透现象，即模具的异常断裂可排除模具未淬透因素。

2.3  冲击韧性检测

①号、②号、③号试样冲击韧性试验所得结果如表2所示。可以看出，失效模具的平均冲击韧度值在[（3.7～4.5） J/cm2]之间。此冲击韧度值远低于参考文献显示的HD钢正常热处理时，即1 130℃淬火及590℃回火处理后的冲击韧度值，因此可以判定模具有极大可能为冲击韧性过低导致的脆性断裂失效。

2.4  金相检测

模具各位置试样的金相组织图分别如图3、图4、图5所示，其中图（a）为低倍金相照片，图（b）为高倍金相照片。可以看出试样的微观组织基本都由疑似混合马氏体（疑似针状马氏体或裂纹、板条状马氏体）、少量残余奥氏体加球粒装与短棒状碳化物组成，且碳化物颗粒尺寸略大[10]。

一般认为：尺寸较大的碳化物主要是淬火过程中碳化物没有完全固溶于奥氏体中所遗留下来的，而尺寸较小的碳化物则可能是前期热处理未溶碳化物或后期回火过程中所析出来的碳化物。此外，金相组织中所出现的疑似针状马氏体组织其亚结构类似针状马氏体也类似于微裂纹，无论是哪一种结构，它们都会对HD钢的基体组织产生一定的割裂作用从而导致模具塑性及韧性偏低，这应该是HD钢模具韧性较低进而产生异常断裂的主要原因，至于该结构特征的深层次分析及最终性质确定，有待于采用扫描电镜或透射电镜进行进一步的分析。

可以确定，热处理工艺异常应该是模具失效的主要原因，虽然尚不清楚热处理企业其具体热处理工艺是如何执行的，但模具淬火及回火后的组织非常不正常，如果可疑组织亚结构是针状马氏体，那么它不应该出现在590℃回火组织中;如果可疑组织为微裂纹，那么淬火温度或淬火工艺一定存在问题。

3  结论及改进建议

模具异常失效的原因是其韧性过低导致的脆性断裂失效，热处理企业的淬火及回火工艺执行存在较大问题，导致回火组织中碳化物颗粒尺寸偏大，且出现的疑似针状马氏体或淬火微裂纹是模具韧性异常低下的主要原因。造成这种结果的原因有可能是热处理企业热处理过程中与其它模具材料或不同尺寸工件混炉装件、或淬火及回火工艺没按标准执行所致。

针对模具异常失效问题，对企业用户建议制订HD钢模具性能检测规范，增加性能检验约束，例如除检测硬度外，可适当增加韧性检验等内容，以减少热处理企业非规范操作，降低用户损失。对模具热处理企业建议模具在淬火之前，应加强锻造工艺执行，将碳化物进一步锻打破碎、令尺寸变得更加细小;模具淬火及回火热处理时应严格执行HD钢的淬火及回火工艺规范，不要将不同材质或不同尺寸大小的模具（工件）混炉装料。

参考文献：

[1] 罗学心，何向山，崔崑.新型热作模具钢4Cr3Mo2NiVNb（HD钢）的室温和高温力学性能[J].机械工程材料，1990（01）：44-48.

[2] 王贤敏.4Cr3Mo2NiVNb钢在热挤冲头上的应用[J].金属热处理，1990（02）：44-45.

[3] 何向山.热作模具钢4Cr3Mo2NiVNb的组织性能和应用[J].兵器材料科学与工程，1989（02）：1-9.

[4] 刘亚平.高温热作模具钢的研究[D].华中工学院硕士学位论文，1985.

[5] 朱繁康，张伟文，张海源，等.Cr12MoV钢制印花模具开裂失效分析[J].热加工工艺，2013，42（16）：205-207.

[6] 石钟良，陈德生，莫东强，等.气门热精锻模具的正常与异常失效[J].锻压技术，2001（05）：58-60.

[7] 宋卫华，林永锦.H13自行车零件冲压模断裂失效分析[J].模具制造，2004（07）：67-69.

[8] 丁庆明，何朝辉，丁杰.3Cr2W8V热锻模具断裂失效分析[J].热加工工艺，2013，42（07）：229-230.

[9] 王贤敏.HD热作模具钢性能及其应用[J].铸锻热，1996（03）：11-16.

[10] 鲍国华，蔡红，朱祖昌.4Cr3Mo2MnVNbB手術器械钢温锻模具早期开裂分析[J].金属热处理，2011，36（06）：131-133.

（责任编辑：谭小红）

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