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(zhì)量監(jiān)督檢測中心,東莞 ５２３８０８;
２．國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,東莞 ５２３８０８)
摘 要:采用宏觀檢驗、化學(xué)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(jìn)行了分析.結(jié)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(nèi)的氮勢過高使其內(nèi)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(nèi)孔螺紋底槽圓角半徑極小,應(yīng)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(jìn)行去應(yīng)力退火處理,使材料的強(qiáng)韌性大幅度降低,進(jìn)一步增加了零件脆性開裂的傾向;熱流道噴嘴的設(shè)計硬度偏高,雖然材料的強(qiáng)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(jìn)措施。
H１３鋼系美國 AISI/SAE 標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和硬度、高的耐磨性和韌性、優(yōu)良的綜合力學(xué)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(jìn)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(jìn)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(jī)加工而成,機(jī)加工后進(jìn)行熱處理.裝配過程中采用標(biāo)準(zhǔn)扭力扳手?jǐn)Q緊螺栓,在未達(dá)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(nèi)孔壁呈現(xiàn)多源臺階的開裂特征,表明裂紋由內(nèi)壁向外表面擴(kuò)展,見圖２.由此可見,該熱流道噴嘴內(nèi)孔螺牙底槽部位為其強(qiáng)度薄弱區(qū)[１]。
１．２ 化學(xué)成分分析
從斷裂熱流道噴嘴上截取樣塊進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié) 果 見 表 １,可 見 各 元 素 含 量 均 符 合 ASTMA６８１－０８(R１５)«工具鋼合金的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范»的技術(shù)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(jù) GB/T２３０．１－２００９«金屬材料 洛氏硬度試驗
第１部分:試驗方法»進(jìn)行硬度檢測,結(jié)果見表２,可見實測硬度符合相關(guān)規(guī)范要求。
１．４ 金相檢驗
垂直于斷裂熱流道噴嘴內(nèi)孔螺牙齒頂截取金相試樣,磨拋后進(jìn)行顯微組織觀察.由圖３可見,內(nèi)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(jīng)測量圓角半徑只有０．０６５mm,因而該處應(yīng)力集中非常大.采用顯微硬度計對黑色層組織進(jìn)行硬度測試,結(jié)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(nèi)孔螺紋部位進(jìn) 行了表面強(qiáng)化熱處理[２]. 螺牙底槽處斷口呈快速擴(kuò)展的穿晶開裂特征,表 明該部位存在較大的應(yīng)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(kuò)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(jīng)測量,螺牙表面ε(Fe２N)＋γ′相白亮層深度達(dá)２０μm.當(dāng)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(jīng)產(chǎn)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(jù) GB/T１１３５４－２００５«鋼鐵零件 滲氮層深度測定和金相組織檢驗»進(jìn)行脈狀氮化物級別評定,結(jié)果為４級,熱流道噴嘴屬于重要零件,技術(shù)要求其脈狀氮化物級別應(yīng)在１~２級.由此可見,斷裂熱流道噴嘴脈狀氮化物級別遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,不合格。
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?zé)酆笠呀?jīng)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(jìn)行顯微維氏硬度測試,結(jié)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(jìn)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(jīng)發(fā)生脆性斷裂,見圖１０.對斷口附近及基體顯微組織進(jìn)行檢測,結(jié)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(jīng)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(jié)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(wǎng)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(jìn)行退火處理,強(qiáng)度低且脆性大,因而裂紋在該處形成.同時熱流道噴嘴的設(shè)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(nèi)孔螺紋底槽圓角半徑偏小,使該處應(yīng)力集中程度增大,進(jìn)一步增加了螺紋底槽開裂的傾向.
３ 結(jié)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(nèi)孔螺紋底槽圓角半徑偏小,加熱帶焊接后未進(jìn)行退火處理以及零件設(shè)計硬度偏高等,增大了零件的脆性及應(yīng)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(jìn)建議
(１)熱流道噴嘴在進(jìn)行氮碳共滲處理時,應(yīng)控制好滲層內(nèi)的氮勢,避免產(chǎn)生脈狀及網(wǎng)狀氮化物[６],必要時對內(nèi)孔的螺牙部位處進(jìn)行防滲保護(hù)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(yīng)力集中,降低螺紋底槽開裂的風(fēng)險[７]。
(３)熱流道噴嘴外表面的加熱帶焊接加工后,應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火處理,提高焊縫部位材料的強(qiáng)韌性,降低焊縫的脆性及拘束應(yīng)力。
(４)熱流道噴嘴的表面硬度應(yīng)設(shè)計在４８HRC左右[８],進(jìn)一步提高材料的強(qiáng)韌性。