摘 要:Cr１２鋼水脹型模具底座在使用過程中發(fā)生批量斷裂,采用宏觀檢驗、化學成分分析、金相檢 驗、斷口分析、硬度測試等方法對該批模具底座斷裂的原因進行了分析.結(jié)果表明:該批模具底座斷裂為 沿晶脆性斷裂;斷裂的主要原因為模具材料碳含量超標,且鍛造不充分導(dǎo)致共晶碳化物粗大且呈嚴重網(wǎng) 狀聚集分布,造成應(yīng)力集中,在內(nèi)應(yīng)力和外力的共同作用下模具底座產(chǎn)生裂紋并迅速擴展而斷裂. 

關(guān)鍵詞:Cr１２鋼;水脹模具;脆性斷裂;碳化物;應(yīng)力集中;失效分析 

中圖分類號:TG１７２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７７５Ｇ０３

Cr１２鋼是一種應(yīng)用廣泛的冷作模具鋼,具有較 高的強度、淬透性、耐磨性以及淬火變形小等特點. Cr１２鋼碳含量最高可達２．３０％(質(zhì)量分數(shù)),因此沖擊 韌性較差,易脆裂,易形成不均勻的共晶碳化物,導(dǎo)熱 性與高溫塑性較差,常用于制造受沖擊載荷小和要求 耐磨性高的冷沖模、沖頭、凹模、鉆套、偏心輪等[１].

某不銹鋼保溫容器廠一批剛啟用的水脹型模 具,在正常條件下工作不到一天,連續(xù)３個底座發(fā)生 了斷裂失效,造成整個零件報廢,生產(chǎn)線停工檢查. 該水 脹 模 具 底 座 直 徑 為 ３００ mm,內(nèi) 孔 直 徑 為 ８５mm,厚度為６０ mm.水脹型模具生產(chǎn)工序為: 下料→鍛造→球化退火→機加工→熱處理→精磨; 熱處理工藝為:多用爐加熱到９５０ ℃,保溫１．５h后 油淬,再在２００ ℃回火１０h.為查明該模具底座斷 裂失效原因,筆者對其進行了一系列檢驗和分析.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀檢驗 

斷裂模具底座宏觀形貌如圖１所示,可見整個 工件沿垂直于鍛造方向的中間部位斷裂成兩半;斷 口較直似刀切,斷面平齊且粗糙,見圖２.

１．２ 化學成分分析

在模 具 底 座 斷 裂 部 位 附 近 取 樣,使 用 OBLF GS１０００型直讀光譜儀對其化學成分進行分析,結(jié) 果見表１.可見斷裂模具底座的碳含量(２．４５％)超 過了 GB/T１２９９－２０１４«工模具鋼»對 Cr１２鋼規(guī)定 的碳含量上限值(２．３０％).

１．３ 金相檢驗 

１．３．１ 低倍檢驗 

在模具底座斷口附近取樣,磨制成低倍試樣,用 ５０％(體積分數(shù))鹽酸水溶液腐蝕１５min后觀察整 個表面的缺陷情況.如圖３所示,在整個低倍試樣 上未發(fā)現(xiàn)大的夾渣、疏松、折疊、偏析等缺陷,只存在 極少量的縮孔.

１．３．２ 非金屬夾雜物檢驗 

在模具底座斷口處取樣,將試樣側(cè)面拋光后使 用 AXIOVERT４０MAT 型金相顯微鏡放大１００倍 觀察,如圖４所示.可見非金屬夾雜物較少,多為球 狀氧化物,依據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾 雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法»可評 為 D１．５e級(e表示為粗系夾雜物). 

１．３．３ 顯微組織檢驗 

將金相試樣使用４％(體積分數(shù))硝酸酒精溶液 侵蝕后再在金相顯微鏡下觀察其顯微組織,如圖５ 所示.可見顯微組織為馬氏體＋殘余奧氏體＋聚集 并呈網(wǎng)狀分布的塊狀及條狀碳化物,斷裂面沿碳化 物邊界發(fā)展.在放大１００ 倍下,按 GB/T１４９７９－ １９９４«鋼的共晶碳化物不均勻度評定法»中的第４評級圖評定,共晶碳化物不均勻度為７級,且多呈大塊 和長條狀,按JB/T７７１３－１９９５«高碳高合金鋼制冷 作模具顯微組織檢驗»測定最大尺寸為０．０４３mm, 而通常該類模具的碳化物級別不超過３級(即最大 尺寸小于０．０１７mm). 

１．４ 斷口分析 

采用 EVO MA１０型掃描電鏡(SEM)對模具底 座斷口微觀形貌進行觀察分析.由圖６可見,斷口 微觀形貌呈沿晶斷裂特征[２Ｇ３],是材料脆性破壞的典 型特征之一,另外斷口上分布有大量長條及塊狀物 質(zhì).用能譜儀(EDS)對該物質(zhì)進行分析,由圖７可 見,該物質(zhì)為碳化物,與金相檢驗結(jié)果一致.

１．５ 硬度測試

在模具底座開裂部位附近取樣,如圖８所示,使用２５０DRMC 硬 度 計 進 行 洛 氏 硬 度 測 試,結(jié) 果 如 表２所示.可見該底座硬度不均勻,且有些部位達 不到 GB/T１２９９－２０１４對 Cr１２鋼淬火處理后硬度 的要求(≥６０HRC).這是由于材料中碳化物呈網(wǎng) 狀分布,局部聚積,因而局部區(qū)域硬度偏低.

２ 綜合分析 

由以上理化檢驗結(jié)果可知,斷裂模具底座化學 成分中的碳含量超過 GB/T１２９９－２０１４對 Cr１２鋼 規(guī)定的碳含量上限值,而碳含量越高,熱處理后組織 中的共晶碳化物就越多,材料硬度及耐磨性會越高, 但韌性會降低,變形抗力減小,導(dǎo)致模具在加工和使 用過程中開裂的風險增加.

由斷裂模具底座的斷口宏觀形貌、SEM 微觀形 貌所呈現(xiàn)的特征,結(jié)合其使用情況分析該模具底座 斷裂屬性為脆性斷裂,且有沿共晶碳化物晶界開裂 的特點.金相檢驗結(jié)果表明,該模具底座材料不存 在大的夾渣、疏松、折疊、偏析等缺陷,非金屬夾雜物 含量也符合技術(shù)要求,但共晶碳化物不均勻度級別 達到７級,且最大尺寸為０．０４３ mm,遠遠超過標準 要求的 該 類 模 具 材 料 組 織 中 碳 化 物 的 最 大 尺 寸 ０．０１７mm,這說明了該模具材料碳化物多而粗大且 呈嚴重網(wǎng)狀分布,很好地解釋了沿晶斷裂的失效特 點.這種情況主要是由于材料本身碳含量偏高,且 鍛造不充分,無法將大塊碳化物打碎,造成共晶碳化 物聚集,碳化物相對基體組織較硬且脆,呈網(wǎng)狀聚集 會降低甚至破壞金屬基體的連續(xù)性,造成應(yīng)力集中, 在外力作用下極易引發(fā)脆性斷裂失效[４Ｇ６].

３ 結(jié)論及建議 

該批 Cr１２鋼水脹型模具底座斷裂為沿晶脆性 斷裂;模具材料碳含量超標,且鍛造不充分導(dǎo)致共晶 碳化物多而粗大且呈嚴重網(wǎng)狀聚集分布,造成應(yīng)力 集中,在內(nèi)應(yīng)力和外力的共同作用下模具底座產(chǎn)生 裂紋并迅速擴展而斷裂. 

針對導(dǎo)致該批模具底座斷裂失效的原因,建議 如 下:①嚴格控制原材料,確保原材料化學成分、力學性能及顯微組織符合要求;②改進鍛造工藝,可采 用綜合鐓拔鍛造等方法使鍛造更加充分,提高鍛件 質(zhì)量;③模具加工完成后要進行檢驗,確保無組織缺 陷及微裂紋,硬度均勻且達到使用要求,對不符合要 求的模具應(yīng)作報廢或返工處理. 3

參考文獻: 

[１] 林慧國．袖珍世界鋼號手冊[M]．北京:機械工業(yè)出版 社,２００３． 

[２] 任頌贊．鋼鐵金相圖譜[M]．上海:上?？茖W技術(shù)文獻 出版社,２００３．

[３] 胡世炎．機械失效分析手冊[M]．成都:四川科學技術(shù) 出版社,１９９９． 

[４] 楊曉,陳政龍,潘恒沛,等．４０Cr鋼緊固螺栓斷裂原因 分析[J]．理 化 檢 驗(物 理 分 冊),２０１６,５２(１２):９０３Ｇ ９０５． 

[５] 金靜靜,李玲．某油田鉆桿旋塞閥斷裂原因分析[J]． 理化檢驗(物理分冊),２０１６,５２(５):３５５Ｇ３５９． 

[６] 徐娜,吳曉峰,時軍波,等．Cr１２鋼冷沖模具加工過程 中開裂原因分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２００９,４５ (１２):７６５Ｇ７６７．

文章來源——材料與測試網(wǎng)