DC53冷作模具鋼材料中有較高的含碳量及合金元素，因而具有較高的強(qiáng)度及耐磨性。該模具鋼一般用于耐磨性較高的沖裁及雕刻模具?？蛻舴答佋摰窨棠＞咴诜圻^程中發(fā)生刀口崩裂，并送檢兩件同一款型的模具開裂失效件，委托本檢測中心進(jìn)行檢測，查找模具失效的原因，并提供改善措施和方案。

樣品1#

樣品2#

該雕刻模具加工工藝流程為：鋸床下料→鍛造熱加工→球化退火→平面整形→刀口粗加工→刀口精加工→熱處理淬、回火→超聲波清洗→防銹處理→包裝出庫。其中熱處理淬、回火工藝流程為：高溫加熱過程采用真空爐，加熱溫度1040℃保溫2h，隨后進(jìn)氣冷室用氮?dú)鉀_冷淬火，氮?dú)獾募儍舳葹?9.99％。然后在帶有保護(hù)氣氛的多用爐內(nèi)進(jìn)行三次回火（560℃/2h一次，550℃/2h兩次）。為了保證模具尺寸的穩(wěn)定性，又增加一次400℃/2h的穩(wěn)定回火處理。在兩件雕刻模具刀口失效部位分別線切割取樣。

1.理化檢驗(yàn)

（1）掃描電鏡檢測

模具失效件斷口處宏觀檢查，斷裂部位位于刀口根部。如圖所示裂紋源由刀口根部左側(cè)萌生，呈若干條平行的細(xì)條狀條紋向右側(cè)擴(kuò)展，這是典型的應(yīng)力集中多源臺階開裂，表明模具刀口根部存在較強(qiáng)的應(yīng)力集中，造成拉向應(yīng)力開裂。斷裂面幾乎與刀口背面垂直，沿切應(yīng)力方向產(chǎn)生橫向斷裂，表明材料組織脆性較大。

模具失效件斷口處宏觀檢查，斷口存在于模具刀口的中部，斷裂位置大約為刀口總高度的1/2處，整個斷口呈月牙狀。斷面呈現(xiàn)粗晶狀斷口特征形貌，表明材料組織存在晶粒粗大的過熱特征傾向。

（2）硬度檢測

樣件的模具失效件進(jìn)行硬度檢測，檢測設(shè)備采用奧地利Qness-Q150型全自動數(shù)顯洛氏硬度計，檢測結(jié)果表明，實(shí)測表面硬度值符合規(guī)定要求(見表1)。

表1 硬度值實(shí)測結(jié)果統(tǒng)計表    （HRC）

（3）化學(xué)成分分析

從兩件模具失效件上分別截取樣塊，尺寸為長25mm×寬25mm×厚15mm，進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測設(shè)備為SFECTRO MAXX火花直讀發(fā)射光譜儀。檢查結(jié)果表明，化學(xué)成分符合DC53鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求（見表2）。

表2  化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）檢測結(jié)果（％）

（4）金相檢測

兩件模具失效樣件鑲嵌在一起，上半部位為1#樣件；下半部位為2#樣件。試樣經(jīng)預(yù)磨及拋光，然后用4％的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕。目測兩塊試樣的浸蝕面色澤不同，特別是2#樣件浸蝕面的色澤較為明亮，推測2#樣件存在回火不充分的傾向。

樣件金相檢測，斷口起始處位于圖示左側(cè)刀口根部，開裂部位向右側(cè)擴(kuò)展至整個刀口斷裂。斷裂的起始部位位于帶狀分布的碳化物處，受刀口根部彎曲應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂紋源，并繼續(xù)擴(kuò)展致使刀口根部整體斷裂。帶狀碳化物條帶與刀口根部底槽平行，使刀口根部的橫向抗拉強(qiáng)度降到最低值，極易造成橫向裂紋。同時刀口的根部R角半徑極小，經(jīng)測量R角半徑為0.15mm，該處的應(yīng)力集中非常大，造成模具刀口根部造成脆性斷裂。基體組織為隱針狀馬氏體＋帶狀分布的塊狀碳化物，組織中的二次碳化物已經(jīng)形成連續(xù)網(wǎng)，并存在大塊狀共晶碳化物。因而降低材料的強(qiáng)韌性，加大模具開裂傾向，加速裂紋的擴(kuò)展速率。

樣件金相檢測，刀口根部的開裂起始于左側(cè)，首先形成一個45°角的切向應(yīng)力裂紋，隨后裂紋繼續(xù)向右側(cè)擴(kuò)展，直至刀口根部整體斷裂?；w組織中存在大量顆粒狀的黑色組織，這種黑色組織形成的原因，是因?yàn)殄懠訜釡囟冗^高，硫化物夾雜顆粒熔融為孔洞而形成晶間熔洞，這種缺陷組織顯著降低材料的強(qiáng)韌性。同時模具刀口的根部R角半徑非常小，經(jīng)測量R角半徑為0.20mm，應(yīng)力集中極大，導(dǎo)致模具刀口部位脆性斷裂。

2#樣件回火組織中的碳化物明顯少于1#樣件，這是由于模具鍛造加熱溫度過高，碳化物溶解過多造成的，同時也使基體組織中的碳及合金元素含量增加。這種高碳高合金的組織淬火后會殘留更多的奧氏體，正常的回火溫度難以讓過多殘留奧氏體充分分解，因而顯示為回火不充分的組織形態(tài)。

2.結(jié)果分析

模具刀口斷裂，是由于組織中存在帶狀碳化物，使刀口橫向抗拉強(qiáng)度急劇降低造成的。DC53鋼屬于高碳高合金鋼，材料中碳化物的形態(tài)、塊度和分布狀態(tài)，是通過合理的鍛造工藝進(jìn)行碎化和均勻化。從該文提供的案例可見，該模具采用的DC53鋼料一是冶金質(zhì)量低，二是模具成形前并未經(jīng)過有效的鍛造加工，因而使材料組織中殘留了較嚴(yán)重的帶狀碳化物。模具刀口的根部R角半徑非常小，應(yīng)力集中極大，進(jìn)一步增加材料的斷裂傾向。

模具刀口斷裂，是由于模具鍛造加熱溫度過高，基體組織中碳及合金元素含量偏高，淬火后的組織中大量殘余奧氏體。正常的回火工藝難以將過多的殘留奧氏體充分分解，因而增加了材料的組織應(yīng)力，使模具表面拉應(yīng)力增大，產(chǎn)生極大的開裂隱患。材料的過熱粗大組織，降低材料的強(qiáng)韌性。模具刀口的根部R角半徑非常小，應(yīng)力集中極大，進(jìn)一步增加材料的斷裂傾向。

3.改進(jìn)建議

DC53鋼模具材料在鍛造過程中，一定要控制好始鍛溫度和終鍛溫度。始鍛溫度控制在1000～1200℃，終鍛溫度控制在850～900℃。鍛后必須用石棉或干砂進(jìn)行保溫緩冷，或者立即進(jìn)入有氣氛控制的箱式爐進(jìn)行退火處理，退火溫度為830～850℃，按照模具的有效厚度確定保溫時間，然后爐冷至550℃以下才能出爐空冷。對于此類模具，其鍛造方法一般采用鐓粗—拔長且反復(fù)多次的三向鍛造變形工藝，鐓粗壓縮比最好大于50％，如此才能獲得塊度細(xì)小、形態(tài)相近、分布均勻的共晶碳化物。模具在設(shè)計和制造過程中，應(yīng)對尖角、凹槽、臺階等部位，使R角半徑保持在0.50mm以上，避免因應(yīng)力集中帶來模具熱處理及使用過程的開裂風(fēng)險。