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SKD11模具钢开裂原因分析
李树华，张庆波，廖文忠
(深圳出入境检验检疫局，深圳518045)
摘 要：对SKD11模具钢热处理后磨削时开裂原因进行了分析。结果表明，裂纹起源于圆孔与沟槽之间最薄处，属淬火开裂。不合理的模具结构设计和不恰当的机加工，是导致钢板淬火开型的根本原因。
关键词：淬火开裂；模具设计；失效分析；热处理；模具钢
1 概述
某厂进口一牌号为SKD11的高碳高合金冷作模具钢，规格为30mm×555mm×625mm。钢板经机加工钻孔(外观形貌见图1)后，在真空热处理炉内进行淬火处理。热处理工艺：在500℃和850℃各预热1h，1020℃保温1h油淬，480℃保温2.5h空冷，500℃保温2.5h空冷。随后进行表面磨削加工，在磨削过程中发现钢板开裂。对其开裂原因进行分析和研究。
2 检验与分析
2.1 化学成分分析
经检验，该模具钢的化学成分(质量分数)符合SKD11的技术要求，见表1。
2.2 硬度测试
经测定，淬回火后的平均硬度为59HRCHLC。
2.3 宏观分析
宏观下可见两处独立的裂纹，见图1。一处裂纹位于图1右下圆孔处，沿孔壁最薄处(即钢板横向)完全裂开，并沿与横向约45°角向钢板内扩展，裂纹长约210mm，裂纹附近未见二次裂纹。另一裂纹位于图1左下圆孔处，亦沿孔壁最薄处开裂。由图1可见，钢板存在四条钻头机加工形成的沟槽，沟槽内存在大量尖锐的棱角和直角过渡。沟槽与圆孔靠的太近，导致圆孔内壁最薄处不足1mm；圆孔太靠边，孔外壁厚仅8mm(孔径为19mm)。该模具钢的棱边、角及加工孔口等处均存在粗糙的机加工痕迹。
图1 钢板整体形貌
2.4 显微组织分析
显微组织为回火马氏体+块状、粒状碳化物+少量残余奥氏体，见图2。鱼骨状铸态组织基本上已破碎，仅在钢板厚度方向的中心部位残留有鱼骨状铸态组织的痕迹；局部存在带状碳化物(图3)，参照GB/T14979-1994标准第四级别图评级，共晶碳化物不均匀度为3级。未发现异常的夹杂物、疏松等冶金缺陷。
图2 显微组织(横截面)
500×
图3 带状碳化物(纵截面)
100×
2.5 裂纹分析
2.5.1 断面宏观分析
在低倍下观察，断面无明显塑性变形。图1右下圆孔附近的断口形貌见图4。由图可见，按断面颜色可分三区，沟槽右边呈银灰色，是热处理后裂开的区域；圆孔左边呈暗灰色，是回火处理前裂开的区域；沟槽与圆孔之间呈黑色，是最早开裂的区域。裂纹源区见箭头所示。
图4 图1右下圆孔处裂纹的宏观断口形貌
图5 裂纹尖端形貌 100×
2.5.2 微观裂纹分析
光学显微镜下观察，裂纹基本上呈直线扩展，裂纹扩展前沿细小且无钝化，裂纹附近未发现明显的氧化、脱碳组织，典型的裂纹形貌见图5。
图6 断口形貌
图7 图4“源区”的断口形貌
断口扫描电镜分析表明，钢板呈准解理穿晶脆性开裂(图6)，未发现夹杂物、成分偏析等冶金缺陷。与图4“源区”对应的断口形貌见图7，在图中左边拐角处，可看到明显的放射状线痕，拐角以右放射状线痕不明显，是快速断裂区。由此推断，裂纹起源于孔口(图4箭头指处)，沿孔壁最薄处向钢板厚度方向扩展。
3 分析与讨论
上述检验结果表明，该钢化学成分符合SKD11的技术要求，显微组织也未见异常。说明开裂不是原材料质量问题所致。从裂纹分析知，该裂纹尖端细小且无钝化现象，源区裂纹两侧未发现氧化、脱碳组织。说明裂纹不是在淬火前形成的，系淬火开裂。
扫描电镜分析表明，裂纹起源于加工孔口(图4箭头指处)边壁厚不足1mm的位置，显然开裂与钢板的结构设计有关。
不合理的结构设计和不恰当的机加工，使钢板加工后的几何形状不对称，且存在棱角、沟槽、直角过渡以及粗糙的机加工痕迹。所有这些不合理的几何结构，在热处理过程中导致不均匀加热、冷却、胀缩，因而产生巨大的内应力集中。在壁厚不足1mm孔口处，内应力集中很容易超过其断裂强度，因而产生裂纹。
4 结语
(1)不合理的结构设计和不恰当的机加工是导致钢板淬火开裂的根本原因。
(2)模具钢的结构设计至关重要。应尽可能避免出现断面尺寸急剧变化以及棱角、尖角、沟槽等。对存在不合理的结构设计的模具钢，应在热处理时采取必要的保护措施。
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