高玉光，王锦永，陈辉

新兴铸管股份有限公司 河北邯郸 056000

1 序言

H13钢经过合适的热加工后具有良好的热强性、较高的韧性和抗热疲劳能力，是一种强韧兼具的空冷硬化型热作模具钢，目前该钢种已成为国内外应用最广泛的热作模具钢种之一[1，2]。H13模具钢已被广泛用作压铸、热冲、热锻和热挤压芯棒等模具材料。由于模具的使用环境极其复杂，所以工作过程中不仅需与高温坯料甚至液态金属直接接触，被反复地加热和冷却，同时还要承受高压冲击的作用[3]。H13芯棒生产的工艺流程：电炉冶炼→精炼→真空脱气→铸锭→锻压→退火→粗加工→调质处理→精加工。某加工厂生产的一个批次H13芯棒外径是127.2mm，用于生产材质625、10276等镍基合金无缝管，正常芯棒能够挤压无缝管50～65支，而此批次芯棒使用寿命较短，其中一支芯棒只挤压了一支管就发生断裂，断裂实物如图1所示。从图中可以看出，裂纹呈放射状快速扩展，断口平整无塑性变形，是明显的脆性断裂[4]。本文通过对断裂芯棒化学成分、非金属夹杂物、硬度和显微组织进行分析和检测，找出断裂原因，提出了改进措施。

图1 H13芯棒断裂实物

2 检测方法

（1）化学成分分析 在断裂的H13芯棒上进行取样，依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》进行检测，检测设备型号：ARL4460。

（2）硬度检测 在断裂的H13芯棒上取样进行硬度检测。依据GB/T 230.2—2002《金属洛氏硬度试验 第2部分：硬度计（A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺）的检验与校准》对试样进行洛氏硬度检测，检测设备型号：TH320。

（3）显微组织检测 在断裂的H13芯棒上进行取样，进行显微组织检测。选用4%～6%的硝酸酒精溶液进行腐蚀。检测设备：蔡司Axio ImagerA2m金相显微镜。

3 断裂芯棒检测结果和分析

3.1 化学成分分析

材质的标准是GB/T 1299—2014《合金工具钢》，用火花直读光谱仪进行检测，化学成分见表1。从表1可看出，化学成分符合标准的要求，表明化学成分没有问题。

表1 断裂芯棒的化学成分（质量分数） （%）

3.2 硬度性能分析

现场挤压生产的镍基合金材质625，无缝管规格是φ161mm×18mm，挤压筒内径255mm，挤压速度125～200mm/s，挤压力2500～3500t（25～35MN）。由于承受较高的温度和压力作用，故热挤压用H13芯棒要求比一般的热轧用芯棒具有更高的硬度，硬度验收合格值为47～51HRC。对断裂的芯棒进行径向硬度检测，从外表面往芯棒中心位置每间隔约5mm检测一个硬度值，观察径向硬度变化，硬度检测数据见表2。

表2 断裂芯棒径向硬度

由表2可以看出，硬度在芯棒径向不同位置是不一样的，从外圆到径向15mm硬度满足47～51HRC的要求，从径向15mm往径向50mm延伸，硬度发生明显衰减，逐渐从49.6HRC减小到30.1HRC，平均5mm衰减3.3HRC，说明热处理淬火过程没有完全淬透。由于是实心棒料，受淬透性因素影响，不能完全淬透可以理解，但是可以通过合适的淬火工艺，来提高淬透层深度。该失效芯棒仅15mm的厚度性能均匀，淬透深度不够，导致芯棒整体强度性能偏低，降低了有效使用截面尺寸，在挤压力2500～3500t的作用下，容易产生应力集中，导致断裂。

3.3 非金属夹杂物分析

芯棒发生断裂，韧性是一个主要影响因素。为了提高韧性，非金属夹杂物是冶炼环节的一个关键控制指标。如果芯棒中存在较多的夹杂物，就会割裂金属基体的连贯性，严重降低韧性。从断裂的芯棒上取样，按照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》中A法对A、B、C、D进行评级，检测结果见表3。

表3 非金属夹杂物

对于每一类夹杂物，按细系和粗系分别记下与所检测面上最恶劣视场相符合的级别数，通过检测试样整个壁厚的夹杂物发现，芯棒的非金属夹杂物含量正常，纯净度属于正常水平，因此夹杂物含量不是造成芯棒材料脆性大的原因。

3.4 显微组织分析

H13钢具有含量较多的强碳化物形成元素Cr、Mo、V，通过调质处理对性能进行调控，以满足挤压工况对芯棒性能的要求。H13钢热处理一般采用退火+淬火+两次回火的工艺，目的是使残留奥氏体转变充分，以提高韧性，改善冲击性能，提高性能稳定性[5，6]。经过锻造+退火+调质处理后，H13钢芯棒正常组织中共晶碳化物充分破碎，变成细小颗粒均匀分布，回火后从马氏体中析出的细小碳化物弥散分布，组织细小致密[7]。对断裂的芯棒进行取样，经过腐蚀后的显微组织如图2所示。由图2可以看出，组织为回火索氏体、黑色颗粒状碳化物和白色共晶碳化物。晶粒直径达到180～250μm，晶粒度1～2级，晶粒粗大，同时，共晶碳化物在晶界聚集，连成网状，割裂了基体的连续性，是脆性较大的主要原因。

图2 H13断裂芯棒不同位置的显微组织（100×）

4 改进措施和效果

增加芯棒毛坯的锻造变形量，锻造后棒料φ146mm。锻造后及时进行860℃等温球化退火，改善碳化物形态和均匀化组织，为后续调质处理准备良好组织。退火后的棒料粗车至φ138mm，通过适宜温度（1030～1060℃）保温后淬火和快速冷却，避免和消除退火过程中形成的网状碳化物[8]，然后再通过550～590℃的两次回火，加工出φ127.2mm的成品芯棒。改进措施后成品芯棒的显微组织如图3所示。

图3 改进措施后芯棒不同位置的显微组织（200×）

由图3可以看出，H13钢芯棒组织为回火索氏体，共晶碳化物经过锻造后已经充分破碎，并均匀分布在基体中，经过两次回火后，黑色颗粒状碳化物从马氏体中弥散部分，残留奥氏体转变成分，晶粒直径25～35μm，平均晶粒度7级，组织细小致密，提高了韧性。经过试用，H13芯棒能够挤压无缝管50～65支，达到了正常的使用寿命。

5 结束语

断裂芯棒仅15mm的厚度性能达到标准要求，淬透深度不足，降低了有效使用截面尺寸，容易应力集中，导致断裂。断裂芯棒的晶粒直径达到180～250μm，晶粒度1～2级，组织粗大，共晶碳化物在晶界聚集，连成网状，割裂了基体的连续性，是脆性较大的主要原因。通过增加芯棒的锻造变形量，优化热处理工艺，改善了显微组织，使芯棒的使用寿命达到正常水平。