HM3模具热处理失效分析

中铁宝桥股份有限公司　(宝鸡　721006)　张建国　尉小明　何文超

摘　要　对HM3模具热处理失效进行了分析。结果表明,原材料毛坯的轴心晶间裂纹是造成模具热处理过程中开裂的主要原因,而热处理过程中产生的碳化物在晶界上呈连续链状分布是造成模具服役寿命不足的主要原因。

关键词　HM3　轴心晶间裂纹　碳化物　连续链状分布　失效分析

0　引言

某厂采用HM3(25Cr3Mo3VNb)制作钢轨热挤压模具,在热处理过程中即有一件通长纵向开裂,未开裂者在其后服役过程中普遍存在使用寿命不足,在热挤压工作面开裂报废的问题。HM3供货状态为锻件,退火态,外型尺寸160mm×160mm×1350mm。该批模具的热处理工艺见图1。

1　原材料检验

对库存HM3原材料坯料进行超声波探伤,发现个别坯料心部可能存在纵向通长裂纹缺陷。在其横断面中心部位取1#试件进行检验(见图2)。试件的化学成分见表1,符合技术要求。端面硬度为140～148HB,无异常。进行热酸蚀试验时发现沿晶界分布的轴心晶间裂纹(见图3),轴心晶间裂纹形貌见图4、图5。裂纹附近(毛坯中心部位)伴有显微偏析。原材料的显微组织为粒状珠光体+少量碳化物(见图6),组织基本正常。

2　热处理失效模具检验

在淬火开裂件上取横切片为2#试件,宏观形貌见图7,在截面最大拐角附近开裂。比照HM3毛坯端面尺寸,可知该处正处于原材料毛坯中心部位(见图2)。2#试件端面硬度为41～49HRC。显微组织为回火马氏体+残余奥氏体+少量碳化物(见图8),在高倍下可见碳化物在晶界上呈连续链状分布(见图9)。

3　分析讨论

从上述检验结果分析可见,HM3原材料毛坯存在轴心晶间裂纹。轴心晶间裂纹是钢锭凝固时产生的,在锻压时未能焊合,沿晶界分布,是不允许的低倍组织缺陷[1],其位置恰好在成型模具截面的最大拐角处,而此处应力集中效应最大。只有在最大拉应力存在或作用的部位,才有致裂的可能性和危险性[2]。在淬火冷却后期,由于组织应力居主导地位,模具心部受压应力,表面受拉应力[2],该拉应力在模具截面最大转析处由于应力集中效应而更大。另一方面,由于轴心晶间裂纹的存在,使此处材料的强度大为降低。因此导致了HM3模具在热处理过程中的开裂失效。

HM3作为高强韧热作模具钢,属过共析钢,加之含铌的大截面HM3在缓慢冷却下有形成链状碳化物的倾向[3],所以HM3大截面工件在热处理中极易形成成链状碳化物,造成组织恶化,大大降低了模具的热疲劳抗力,从而导致其在服役过程中寿命不足,在热挤压工作面开裂报废。

4　结论

HM3毛坯轴心晶间裂纹是造成模具热处理过程中开裂的主要原因。热处理过程中形成的碳化物沿晶界链状分布不是模具热处理过程中开裂的主要原因,而是模具使用寿命不足,在服役过程中开裂报废的主要原因。