P20钢塑料模具的断裂失效分析

　　P20钢作为常用的预硬塑料模具钢，使用状态为调质后预硬到285～330HB[1-3]。但是，作为大型模具使用时，常为锻造退火态供货，机械加工后再淬火处理。由于大型模具的加工成本较高，一旦发生开裂等失效将对企业造成极大的经济损失。根据以往模具使用和失效情况统计，模具质量很大程度是由模具材质不合格和工艺制定不合理造成的[1，4-6]。本文将对某企业调质后的P20钢大型塑料模具断裂进行失效分析。据委托方对模具开裂情况的描述为: 模具原材料经过锻造成型后，进行了调质处理，放置约两个月后，进行了线切割等模具成型加工，在加工过程中出现了模块开裂。

　　1 理化检验

　　用线切割取样，取样部位分别为断裂试样的上部，都沿着裂纹纵向取样。①处和②处为金相取样处;②处为直读光谱成分分析区; ③处为扫描电镜断口分析区。检验引用标准: GB/T1299—2000《合金工具钢》; GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定—标准评级图显微检验法》; GB/T11880—2008《模锻锤和大型机械锻压机用模块技术条件》; GB/T 13320—2007《钢质模锻件—金相组织评级图及评定方法》。试验仪器为OBLF直读光谱仪，蔡司金相显微镜，岛津显微硬度计等。

　　2 结果与讨论

　　2.1 成分检测结果分析

　　在图1中②处选择4个点采用直读光谱仪进行成分分析，结果如表1所示。从表1可以看出与国标GB/T1299—2000中3Cr2Mo钢成分要求相比，成分检验平均值除C含量接近下限外，其他元素符合国标要求。但是各点的成分分布不是很均匀，其中1点的元素含量与其他3个点相比普遍偏高，其中C含量偏高最多，偏差为0.015wt%。

　　2.2 低倍组织检测

　　由于模块的截面积较大，做断面宏观低倍检验比较困难。因此，主要进行了低倍的金相检验观察枝晶偏析情况。金相取样部位分别为图1中①、②处。腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液，照片为数码相机拍摄。低倍组织如图2所示。

　　由图2可见，在裂纹处和非裂纹处都可看到超大的树枝晶。枝晶主干长度达10mm，为严重的枝晶偏析。而且，树枝晶的取向比较混乱，保留着铸造后的原始结晶形貌。白亮色枝干处碳含量及合金元素偏低，枝晶间的碳含量、低熔点的合金元素、疏松及夹杂物相对较多。这种淬火前组织成分的分布不均匀及晶粒粗大，是造成淬火后组织不均，应力过大的主要原因，容易导致模具开裂。如此严重的枝晶偏析，铸造后必须进行高温均匀化退火来消除。对于此工件，从组织上看，宏观酸蚀显现出的粗大的树枝晶，可见此模具铸造后并没有进行均匀化退火，或者说均匀化退火没有效果。如图2所示，大的树枝晶以及树枝晶的取向比较混乱，说明锻造比不足，锻造并没有打碎大的树枝晶。大的锻造比虽然不能完全消除严重的枝晶偏析，但可以使树枝晶破碎，并在再结晶后形成小的奥氏体晶粒，并存在一定的树枝晶轴方向取向一致。如果经过合理的锻造，那么锻后冷却不可能存在这么长而且取向混乱的树枝晶。