歐海龍１ ２,金林奎１ ２,鄒文奇１ ２,廖森梁１ ２,黃持偉１ ２

(１．廣東省東莞市質量監(jiān)督檢測中心,東莞 ５２３８０８;

２．國家模具產品質量監(jiān)督檢驗中心,東莞 ５２３８０８)

? ? 摘 要:采用宏觀檢驗、化學成分分析、硬度檢測、金相檢驗等方法對某 H１３鋼注塑熱流道噴嘴在裝配過程中發(fā)生斷裂的原因進行了分析.結果表明:該熱流道噴嘴斷裂主要是由于零件在氮碳共滲處理時,滲氮層內的氮勢過高使其內孔螺牙表層開裂和剝落,造成零件在裝配時發(fā)生脆性斷裂;同時內孔螺紋底槽圓角半徑極小,應力集中程度顯著增大,增加了零件開裂的傾向;熱流道噴嘴外表面的加熱帶在焊接加工后,未進行去應力退火處理,使材料的強韌性大幅度降低,進一步增加了零件脆性開裂的傾向;熱流道噴嘴的設計硬度偏高,雖然材料的強度提高了,但其韌性也會有所降低.最后針對上述斷裂原因提出了改進措施。

? ? ?H１３鋼系美國 AISI/SAE 標準鋼材牌號,具有高的淬透性和抗熱裂性能,屬于熱作模具鋼.該鋼具有較高含量的合金元素,在高溫下仍然能夠保持較高的強度和硬度、高的耐磨性和韌性、優(yōu)良的綜合力學性能以及較高的抗回火穩(wěn)定性.熱流道噴嘴包括開放式和針閥式兩種類型,然而無論是開放式噴嘴還是針閥式噴嘴,都需要具有耐高溫和高壓的性能,一般熱流道噴嘴材料選擇 H１３鋼,并進行規(guī)范的熱處理和加工。某由 H１３模具鋼制造的注塑熱流道噴嘴,在裝配過程中發(fā)生斷裂.為了查找事故發(fā)生的原因,避免類似失效的再發(fā)生,筆者對該熱流道噴嘴失效件進行了檢驗和分析。

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀檢驗

? ? ?斷裂熱流道噴嘴采用 H１３鋼圓棒機加工而成,機加工后進行熱處理.裝配過程中采用標準扭力扳手擰緊螺栓,在未達到規(guī)定扭矩力的狀態(tài)下,熱流道噴嘴的螺紋孔端即發(fā)生斷裂.斷裂位于螺紋孔的凹槽底部,沿凹槽底部呈螺旋狀開裂,斷裂起始于加熱帶安裝槽的焊接部位,見圖１.熱流道噴嘴斷口齊平,沿內孔壁呈現多源臺階的開裂特征,表明裂紋由內壁向外表面擴展,見圖２.由此可見,該熱流道噴嘴內孔螺牙底槽部位為其強度薄弱區(qū)[１]。

１．２ 化學成分分析

? ? 從斷裂熱流道噴嘴上截取樣塊進行化學成分分析,結 果 見 表 １,可 見 各 元 素 含 量 均 符 合 ASTMA６８１－０８(R１５)?工具鋼合金的標準規(guī)范?的技術要求。

１．３ 硬度檢測

? ? ?從斷裂熱流道噴嘴上截取樣塊,對該模具表面依據 GB/T２３０．１－２００９?金屬材料 洛氏硬度試驗

第１部分:試驗方法?進行硬度檢測,結果見表２,可見實測硬度符合相關規(guī)范要求。

１．４ 金相檢驗

? ? 垂直于斷裂熱流道噴嘴內孔螺牙齒頂截取金相試樣,磨拋后進行顯微組織觀察.由圖３可見,內孔螺牙齒部表面顯示較厚的黑色組織,并均勻覆蓋整個齒廓;螺牙底槽的圓角極小,經測量圓角半徑只有０．０６５mm,因而該處應力集中非常大.采用顯微硬度計對黑色層組織進行硬度測試,結果顯示距表層０．０５mm 處的維氏硬度為６４８HV０．２(換算成洛氏硬度為５７．５HRC);由表層向里硬度呈梯度降低,至距 表 層 ０．４０ mm 處 硬 度 趨 于 平 緩,穩(wěn) 定 在 ５５０HV０．２(換算成洛氏硬度為５２．０HRC)左右,見 圖４.由此可見,斷裂熱流道噴嘴內孔螺紋部位進 行了表面強化熱處理[２]. 螺牙底槽處斷口呈快速擴展的穿晶開裂特征,表 明該部位存在較大的應力集中.由圖５可見,表層黑 色組織的最外表面還有一層明顯的白亮層,疑似氮碳 共滲處理的化合物層.由圖６可見:斷裂終斷區(qū)顯示 出平滑的剪切唇特征,表明斷裂后期的裂紋擴展速度極快;終斷區(qū)零件外表層同樣覆蓋著較厚的黑色組織層,黑色組織層最表面的白亮層尤為明顯,黑色組織區(qū)域存在大量的波紋狀脈狀氮化物.由此可以推斷,螺牙齒廓的黑色組織層屬于氮碳共滲組織層[３].經測量,螺牙表面ε(Fe２N)＋γ′相白亮層深度達２０μm.當白亮層深度超過１０μm 時,ε相逐漸增多,白亮層的脆性就會顯著增大。

? ? 由圖７和圖８可見,滲氮層中的碳氮化合物粗大且呈脈狀分布,試樣沿表面白亮層及脈狀碳氮化合物(即脈狀氮化物)已經產生開裂和剝落.氮碳共滲處理過程中,工件表面吸收氮原子并在αＧFe相中形成飽和固溶體,隨著氮原子含量的增加而形成碳氮化合物.該碳氮化合物脆性較大,使得螺牙齒頂極易發(fā)生整體剝落.依據 GB/T１１３５４－２００５?鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗?進行脈狀氮化物級別評定,結果為４級,熱流道噴嘴屬于重要零件,技術要求其脈狀氮化物級別應在１~２級.由此可見,斷裂熱流道噴嘴脈狀氮化物級別遠高于標準技術要求,不合格。

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? ? ?由圖９可見,在熱流道噴嘴外表面的加熱帶凹槽焊接處,高溫燒熔后已經形成了白亮色淬火組織.采用顯微硬度計對該白亮色組織進行顯微維氏硬度測試,結果為６１５HV０．３(換算成洛氏硬度為５６．０HRC).

? ? 實測硬度與 H１３鋼淬火硬度相符合,由此可以推斷零件焊后未進行退火處理.由于加熱帶凹槽處焊接不良,殘留大量的氣孔和夾渣,使得焊縫部位存在大量黑色孔洞[４].在加熱帶凹槽的外邊緣,焊接高溫影響的白亮色區(qū)域已經發(fā)生脆性斷裂,見圖１０.對斷口附近及基體顯微組織進行檢測,結果均為回火馬氏體＋回火索氏體＋殘余奧氏體,分別見圖１１和圖１２.由于最終熱處理過程的加熱溫度較高,球化處理時析出的顆粒狀碳化物已經完全固溶到基體中.這雖然會使零件的硬度有所提高,但同時會降低材料的韌性[５].

２ 綜合分析

? ? 由以上理化檢驗結果可知,該熱流道噴嘴斷裂主要是因為氮碳共滲處理時氮勢過高,螺牙表面形成了脈狀及網狀氮化物,表層脆性極大,從而在裝配時發(fā)生斷裂.

? ? 熱流道噴嘴加熱帶焊接后未進行退火處理,強度低且脆性大,因而裂紋在該處形成.同時熱流道噴嘴的設計硬度偏高,零件的硬度雖然有所提高,但同時韌性則會有所降低,使零件發(fā)生脆性開裂的傾向增加.

? ? ?熱流道噴嘴內孔螺紋底槽圓角半徑偏小,使該處應力集中程度增大,進一步增加了螺紋底槽開裂的傾向.

３ 結論

? ?該熱流道噴嘴在安裝時斷裂主要是因為氮碳共滲處理時氮勢過高,內孔螺紋底槽圓角半徑偏小,加熱帶焊接后未進行退火處理以及零件設計硬度偏高等,增大了零件的脆性及應力集中程度,從而在安裝外力作用下發(fā)生脆性斷裂。

４ 改進建議

? ? (１)熱流道噴嘴在進行氮碳共滲處理時,應控制好滲層內的氮勢,避免產生脈狀及網狀氮化物[６],必要時對內孔的螺牙部位處進行防滲保護措施.

? ? (２)盡量加大螺紋底槽的圓角半徑,使其保持在０．１０mm 以上,減小該處的應力集中,降低螺紋底槽開裂的風險[７]。

? ? (３)熱流道噴嘴外表面的加熱帶焊接加工后,應進行去應力退火處理,提高焊縫部位材料的強韌性,降低焊縫的脆性及拘束應力。

? ? (４)熱流道噴嘴的表面硬度應設計在４８HRC左右[８],進一步提高材料的強韌性。

（文章來源：材料與測試網-理化檢驗－物理分冊?>?2018年?>?4期?> pp.276）