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(yàn)、化學(xué)成分分析、金相檢 驗(yàn)、斷口分析、硬度測試等方法對(duì)該批模具底座斷裂的原因進(jìn)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?yàn)槟＞卟牧咸己砍瑯?biāo),且鍛造不充分導(dǎo)致共晶碳化物粗大且呈嚴(yán)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(kuò)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(hào):TG１７２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(qiáng)度、淬透性、耐磨性以及淬火變形小等特點(diǎn). Cr１２鋼碳含量最高可達(dá)２．３０％(質(zhì)量分?jǐn)?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(gè)底座發(fā)生 了斷裂失效,造成整個(gè)零件報(bào)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?yàn)? 下料→鍛造→球化退火→機(jī)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(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀檢驗(yàn)

斷裂模具底座宏觀形貌如圖１所示,可見整個(gè) 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(xué)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(duì)其化學(xué)成分進(jìn)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(duì) Cr１２鋼規(guī)定 的碳含量上限值(２．３０％).

１．３ 金相檢驗(yàn)

１．３．１ 低倍檢驗(yàn)

在模具底座斷口附近取樣,磨制成低倍試樣,用 ５０％(體積分?jǐn)?shù))鹽酸水溶液腐蝕１５min后觀察整 個(gè)表面的缺陷情況.如圖３所示,在整個(gè)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(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法»可評(píng) 為 D１．５e級(jí)(e表示為粗系夾雜物).

１．３．３ 顯微組織檢驗(yàn)

將金相試樣使用４％(體積分?jǐn)?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(píng)定法»中的第４評(píng)級(jí)圖評(píng)定,共晶碳化物不均勻度為７級(jí),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(yàn)»測定最大尺寸為０．０４３mm, 而通常該類模具的碳化物級(jí)別不超過３級(jí)(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(duì)模具底 座斷口微觀形貌進(jìn)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(duì)該物質(zhì)進(jìn)行分析,由圖７可 見,該物質(zhì)為碳化物,與金相檢驗(yàn)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(jì) 進(jìn) 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(dá) 不到 GB/T１２９９－２０１４對(duì) 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(yàn)結(jié)果可知,斷裂模具底座化學(xué) 成分中的碳含量超過 GB/T１２９９－２０１４對(duì) 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(huì)越高, 但韌性會(huì)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(fēng)險(xiǎn)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(diǎn).金相檢驗(yàn)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(jí)別 達(dá)到７級(jí),且最大尺寸為０．０４３ mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn) 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(yán)重網(wǎng)狀分布,很好地解釋了沿晶斷裂的失效特 點(diǎn).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(duì)基體組織較硬且脆,呈網(wǎng)狀聚集 會(huì)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(biāo),且鍛造不充分導(dǎo)致共晶 碳化物多而粗大且呈嚴(yán)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(kuò)展而斷裂.

針對(duì)導(dǎo)致該批模具底座斷裂失效的原因,建議 如 下:①嚴(yán)格控制原材料,確保原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能及顯微組織符合要求;②改進(jìn)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(jìn)行檢驗(yàn),確保無組織缺 陷及微裂紋,硬度均勻且達(dá)到使用要求,對(duì)不符合要 求的模具應(yīng)作報(bào)廢或返工處理. 3

參考文獻(xiàn):

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

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[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(yàn)(物理分冊(cè)),２０１６,５２(５):３５５Ｇ３５９．

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文章來源——材料與測試網(wǎng)