S-136不锈钢失效分析

殷志明 赵忠华

（壹胜百模具（青岛）有限公司，山东 青岛 266200）

1 S-136不锈钢特性简介

S-136 属于塑胶模具不锈钢，为适应塑料产品表面质量要求高，抛光性好而研发。塑料模具常见问题包括5 个方面。1）模具冷却水路的锈蚀，需要重新钻削冷却水道。2）水路的开裂、焊补。3）模具表面定期下机的反复抛光。4）模具钢材所包括的非金属夹杂物及材质偏析影响着钢材的抛光性能。5）碳元素的含量较高，须通过热处理改善材料的性能，电渣重熔精炼钢。由于采用电渣重熔（ESR）工艺，S-136 钢种可以获得很好的抛光表面 质量，具体有3 个优点。1）具备优秀的耐腐蚀性、抛光性、良好的机加工性能以及热处理尺寸稳定性。2）保养成本较低，模具经过连续的生产作业，型腔表面仍然保持高光亮的表面状态。3） 较低的生产成本，由于模具冷却水水道受氧化膜的影响而受腐蚀较少，钢材的热传导系数、冷却效率在模具整个服役周期中均保持稳定， 确保了模具始终如一的循环时间，提供低维护成本和高寿命的模具，达到最佳的经济效益[1]。

2 S-136的化学成分

用直读光谱仪对材料进行化学成分，见表1。

表1 模具材料成分检测结果（%）

3 合金元素对不锈钢性能的影响

钢的性能取决于碳在钢中的含量、分布的形式，碳是稳定奥氏体的元素，并且作用的程度很大，与Cr、Mo、V 元素形成碳化物，在淬火时固溶于基体中，硬化马氏体的作用[2]。铬是含量最多的合金元素，形成的表面氧化物对耐蚀性起至关重要的作用。铬固溶于基体内，改善钢的淬透性，提高钢的韧性和高温强度，并抑制回火软化。不锈钢中的铬、硅能提高钢的电极电位，当硅含量超过4-5%时，钢的脆性很大，不能锻造和轧制。锰在钢液电渣重熔时起到脱氧和脱硫作用，对淬透性影响最大的元素[2]。

4 S-136热处理的热处理金相组织检测分析

S-136 经由真空处理：1 025 ℃～1 050 ℃，525+500 ℃交付客户使用。淬火加热温度的选择以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小马氏体组织[3]。模具在量产30 d 左右出现漏水问题，经检测发现模具的基体硬度为48.7HRC、49.8HRC、49.3HRC， 组织为细小均匀的回火马氏体+弥散分布碳化物（如图 1～ 图 3 所示），金相组织正常。

图1 基体金相组织照片×100

图2 基体金相组织×500

图3 基体金相×1000

5 讨论

观察送检模具，如图 4 所示。打开裂纹，可见裂纹沿水道内壁向外扩展。还观察到整个水道口锈蚀严重，可见冷却水流动不畅或者冷却水道内有积水的区域，又或者是冷却水的质量不良，造成冷却水道锈蚀严重。

观察模具水道内壁和裂纹源处金相组织，如图5～图6所示。水道内壁有明显的腐蚀坑，裂纹源在腐蚀坑位置，在腐蚀坑及裂纹源处，裂纹沿晶界开裂。水道内壁表面还观察到疑似脱碳层的白亮组织，白亮组织的硬度为468.4HV、470.4HV、475.4HV，由此可以确认，水道表面的白亮组织为脱碳层组织，脱碳层组织应是在淬火热处理时产生的。脱碳层处于拉应力状态，这样，表面脱碳层的拉应力与水道腐蚀共同作用产生的应力腐蚀使水道开裂。

不锈钢耐蚀主要是铬与氧元素在其表面形成的一层致密的Cr2O3钝化膜，有效地防止或减轻钢的继续腐蚀。钢种的Si 和Al 也在表面形成致密的氧化物，提高钢的耐腐蚀性能[4]。不锈钢表面钝化膜的局部被溶解或者破坏，往往发生在机加工或裸露的表面有缺陷、以及不锈钢存在夹杂的地方，而且需要有活性阴离子的存在，例如氯离子是常见的发生点腐蚀的阴离子。氯离子容易被吸附，挤走氧原子，和钝化膜中的阳离子反应生成可溶性的氯化物，破坏钝化膜，形成小坑，即点腐蚀诱导阶段，形成一个闭塞电路，再加上有氯离子接近，形成很强的腐蚀性溶液，加速腐蚀反应的速度。含氯离子的水溶液是产生点腐蚀的主要原因[5]。模具热处理时采用高温回火，使碳化物大量析出，主要是高温条件下铬的扩散能力强，且铬向低/贫铬区的扩散速度较快。在增加微电池数目的同时减少基体组织中的含铬量，导致电极电位降低，加剧不锈钢的腐蚀。综上所述，模具开裂的主要原因是水道表面脱碳层的拉应力与水道腐蚀共同作用产生的应力腐蚀。应力腐蚀形貌特征为模具表面腐蚀程度较轻，但个别裂纹较深，裂纹的走向基本与主应力方向垂直。

脱碳层与淬火有关，水道腐蚀与冷却水流动不畅或者冷却水道内有积水的区域、又或者是冷却水中氯的含量有关。

图4 模具裂纹源位置

图5 水道内壁金相组织（×100）

图6 内壁和断裂面金相（×500）

6 结论

综上所述 ，笔者总结了5 个结论。1）样品硬度为：48.9HRC、50.0HRC、49.2HRC。2）基体组织为回火马氏体+碳化物。3）冷却水道内壁有脱碳层组织，脱碳层与淬火有关。4）冷却水道发生严重的锈蚀，水道腐蚀与冷却水流动不畅或者冷却水道内有积水的区域、又或者是冷却水的质量不良有关。5）开裂主要原因是水道表面脱碳层的拉应力与水道腐蚀共同作用产生的应力腐蚀所致。