王明 , 马党参 , 周健 , 迟宏宵 , 建清 ( 昆明理工大学材料科学与工程学院钢铁研究所特殊钢铁研究所 )
某厂采用H13 钢铝合金压铸模具合金压铸模具表面出现肉眼可见裂纹,导致模具早期失效。为了找出故障原因, 避免或减少了此类生产事故的重复发生,对模具进行了开裂故障分析。H13 钢具有较高的热强度和硬度, 在中温条件下具有良好的韧性、热疲劳和一定的耐磨性。该钢广泛应用于制造热挤压模具、模锻锤模具、锻造压力机模具、精密锻造机模具、铝、铜及其合金的压铸模具。当用于压铸模具时,材料不断承受高速、高压喷射、金属冲刷腐蚀和加热, 必须具有良好的耐热疲劳、红色硬度和耐高温液体金属的冲刷和腐蚀性能,但也应具有良好的工艺性能。一般来说,要求H13 材料在不同温度条件下具有高强度、韧性、硬度和热稳定性,这些力学性能主要由钢的化学成分、冶炼加工和热处理决定。本文从上述决定模具性能的因素对开裂模具进行了必要的检查和分析,以找出开裂的原因并提出改进措施。
1 试验材料及方法
本试验铝合金热压铸模具在试模阶段表面出现肉眼可见裂纹, 从模腔失效部位切割100mm×90mm 样品,如图1所示(a)所示,上端为台阶面,为成型接触面。台阶端面有两种形式的裂纹,见图1 (b):一是台阶过渡面裂纹,沿准65mm台阶表面过渡圆开裂,环绕圆圈;另一种是棱角向内扩展裂纹,从35岁开始mm 圆周边缘萌生,在台阶表面和倒锥表面扩展。为了分析模具开裂的原因, 采用电火花线切割取样,取样位置如图1所示(c)其中,1#、2# 样品分别用作心部金相样品的材料#、4# 样品为裂纹分析样品。为了研究故障模具的冲击韧性,利用电火花线切割设备从剩余样品中切割3 标准夏比V 型缺口冲击样(10mm×10mm×55mm)。4%硝酸酒精溶液腐蚀金相样品; LEICAMEF4M 光学显微镜及SISCIAS8.0 金相图像分析软件分别进行图像采集和分析; 用TIMETH用300洛氏硬度计测量硬度;FEIquanta650FEG 热场发射扫描电镜SEM 照片采集及EDS 分析。2 试验结果及分析.1 化学成分试样化学成分分析结果如表1 所示。从表中可以看出,该材料的化学成分符合要求NADCA#207-2003[2]优质H13成分标准。
表1 试验钢化学成分(质量分数,%)Tab.1 Chemical composition of testing steel (wt%)
2.2 硬度1#、2# 样品侧硬度(即模具心部)平均值分别为44.1 和44.3HRC, 推荐的硬度范围为44~46HRC。3#、4# 样品横向硬度(即模具表面)平均值分别为50.0 和50.1HRC。模具通常进行表面处理,以提高模具表面的性能。模具表面硬度大于心硬度。.3 夹杂物分析依据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量测定标准评级图显微检验法》对试验料夹杂物进行评级, 结果为D (环状氧化物夹杂物) 粗系0~1.0 级,细系0.5~1.0 级。结果表明,该零件材料纯度好,冶金质量高。.4 裂纹分析3# 两种典型裂纹SEM 形状如图2 所示。从图中可以看出, 台阶过渡面裂纹的扩展方向垂直于样品表面,裂纹几乎直线向内扩展;棱镜裂纹的扩展方向不确定,许多裂纹从表面出现,并在内部交叉。这两种不同的裂纹扩展形式, 与模具服务时的载荷方向和尺寸有关。如图3 所示,台阶表面是凹模具和凸模具的主要接触表面, 也是垂直载荷的承载表面。 模具试验时,凸模尖角与凹模具过渡表面接触,应力最大,裂纹开始。在向下载荷的作用下,裂纹扩展方向垂直向下。边缘向内扩展裂纹,凸凹模具接触表面为倒锥面,力方向垂直倒锥面,凸模具直径过大,准35mm 圆周边缘受到向外张力, 裂纹由第一个接触的地方产生, 向下突出, 裂纹也在圆锥面产生,如图2所示(b)交叉裂纹。
样品表面的可见厚度为0.15mm 淬硬层,见图2(a)、(b)。通过SEM 照片可知,淬硬层组织为细片状马氏体,马氏体片之间可见大量的微小、相互穿插的显微裂纹,裂纹长度约2.0~13μm,见图4(a),几乎分布在整个硬化层区域。模具使用前表面处理的主要目的是提高表面硬度和耐磨性。由于硬化层的存在,模具的表面应力非常大,在模具压铸过程中,外部载荷过大,很容易产生这种马氏体微裂纹。一般认为:马氏体微裂纹只产生在片状马氏体中,形成原因是片状马氏体相互碰撞, 片状马氏体难以相应应力, 因此在碰撞中形成高应力场,当应力足够大时形成显微裂纹[3]。显微裂纹的出现对模具的使用寿命有很大的影响。一旦增加应力载荷,模具表面的横向裂纹很容易串联在一起,尺寸可以变得非常大,达到数百微米,然后发展成为宏观裂纹,见图4(b),箭头所指的裂纹已经开始沿着微裂纹路径向模具内部扩展。因此,模具表面硬化层中微裂纹的出现增加了模具宏观裂纹的概率,微裂纹成为宏观裂纹的诱因。
裂纹扩展方向上的组织照片见图5(a),除裂纹边缘出现氧化组织外,其余位置并未发现异常组织,由于该模具工作在高温环境下,暴露在空气中,裂纹一旦出现,裂纹边缘在高温环境下极易发生氧化,而氧化层硬度较基体高,进一步促进裂纹的扩展。此外,由图5(b)可以看出,裂纹以晶体形式扩展,表明应力是模具裂纹的主要原因。2.5 组织分析试验材料组织均为针状马氏体 残留奥氏体 残留碳化物,组织分布均匀,无异常,但模具工作面附近的组织沿晶体边界沉淀,见图6,颗粒尺寸较大。此外,试验材料有一定程度的混合晶体,见图7。碳化物沿晶体沉淀和混合晶体H13 模具钢的冲击韧性影响[5]。碳化物(共晶碳化物)也可以在金相照片中看到。SEM 和能谱图显示,一次碳化物含有V、Ti 碳化物(图8)(b)、(c)),由于V、Ti 是一种强碳化物形成元素,钢液凝固时容易在枝晶中形成(V,Ti)(C,N)在随后的高温扩散和锻造过程中,这些碳化物不能完全消除,将继承到钢的回火状态,对钢的韧性产生一定的影响。
2.6 夏季力学性能分析试验V 型缺口室温冲击分别为5.0、5.0、4.0 J,平均值为4.7 J,显著低于标准规定的平均需求≥11J,单个最小值为8J。图9 是冲击样品断口的宏观形状。从图中可以看出,断口没有明显的放射区和剪切唇, 整体为瓷质解理断口,断面相对平整,脆性断裂。可以判断,冲击样品的断口是为了解理断裂。
根据裂纹的宏观分析, 裂纹集中在台阶过渡面和边缘,即主力成型面;无效样品外表面光滑光滑,无塑性变形;裂纹延伸到模具内部,不同于热疲劳产生的网状裂纹。根据裂纹金相和扫描照片,裂纹延伸不是沿晶体边界扩展,而是以晶体穿透的形式扩展。当模具材料机械性能差、表面缺陷、冲击载荷高时,容易产生晶体穿透断裂。可以判断模具的故障方法是脆性断裂故障,应力是模具表面形成裂纹并继续扩展的主要原因。在模具使用过程中, 表面硬化层与挤压材料直接接触,温度变化快,硬化层间接发生多次回火过程。因此,在硬化层中,片状马氏体在生长过程中相互冲击,产生高应力,而片状马氏体相对脆弱,不能产生塑性,因此形成显微裂纹后,由于表面硬化层具有很大的韧性,特别容易形成高的网状裂纹。如前所述,模具心1#、2# 试样的硬度均值在44HRC,处在推荐值44~46HRC 下限应提高模具的韧性,但模具材料纵向冲击值的平均值仅为4.67 J,单个最小值只有4 J,显著低于标准规定的值。可以看出,该模具没有足够的韧性来防止裂纹的扩展。因此,在模具试验阶段,肉眼可见裂纹较多。可以预见,如果使用次数继续增加,裂纹扩展深度增加,模具很快就会开裂,造成生产事故。混合晶体和碳化物沿晶体沉淀和一次碳化物H13 模具材料韧性低的主要原因, 淬火过热可能是试验材料产生混合晶体的原因。图6 扫描照片,样品中心区域组织, 晶体边界的小碳化物沿晶体边界呈连续网状,削弱晶体边界,降低韧性,使材料易脆化。文献[8]指出,网状碳化物水平越低,冲击值越高。在实际生产中,H13 钢液凝固时V 元素也容易与C结合,形成VC 一次碳化物也是国产的H13 钢中常见的组织缺陷。但模具钢成分符合标准要求,Mo、V 元素以碳化物的形式存在, 未能防止晶粒生长,抑制碳化物沿晶体边界沉淀,使淬火马氏体粗大,回火碳化物沿晶体边界呈网络分布,导致模具脆性增加,使用过程中出现早期开裂。4 结论(1) 故障模具材料H13 钢化学成分符合标准[2]规定的质量水平。D除 类夹杂物外,试验材料其他类型的夹杂物为0 级,模具材料纯度好,冶金质量高。(2) 混晶和碳化物沿晶体沉淀和一次碳化物H13 模具材料韧性低;钢韧性低是模具开裂的主要原因。模具表面硬化层中有大量的微裂纹。 微裂纹的出现增加了模具宏观裂纹的可能性,成为宏观裂纹的诱因。(3) 钢韧性不足使裂纹容易膨胀。如果工件继续使用,台阶表面将剥落,垂直于边缘的长裂纹将继续向内膨胀,最终演变为热模具钢中常见的整体大裂纹、模具报废甚至生产事故。
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