常州精密钢管博客网

Cr12MoV钢陶瓷模具异常开裂分析

推荐阅读 →

【摘要】 Cr12MoV钢制陶瓷模具正常失效方式为磨损。一批上模早期开裂失效的主要原因是回火不足,导致残存的淬火组织应力与热应力在后续磨削和线切割加工中产生机械应力叠加后超过材料强度所致。改锻和球化退火不充分,使Cr12MoV钢共晶碳化物呈带状、网状分布且颗粒粗大而带尖角并促进了裂纹的发展。模具结构中尖角及其间的棱边因应力集中而成为众多宏观裂纹的起点和纵深发展地带。经补充回火的模块在后续磨削和线切割成形中未发现微裂纹,从而在生产应用中以磨损方式正常失效。
关键词:陶瓷模具 热处理 失效分析

Failure Analysis of Abnormal Cracking on Ceramic Die of Cr12MoV Steel
Lu Guohui(Department of Mechanical Engineering,Guangdong Industrial University,Guangzhou 510643)

【Abstract】 The wear is taken as normal failure in the ceramic die of Cr12MoV steel.Early cracking of the top die is due to lacking in tempering,which causes the residual structure stress and thermal stress and additional mechanical stress during grinding and linear cutting beyond the materials strength.When the forging and spheroidizing annealing are insufficient,the eutectic carbides of the steel bring about network and banded distribution and accelerate development  of the cracks.The wedge angle and edge stress concentration in the die become starting point and zone developed in depth for the macrocracks.After additional tempering ,any microcracks on the dies are not found during grinding and linear cutting.
Key words:ceramic die,heat treatment,failure analysis

1 问题的由来
  某陶瓷制品厂以Cr12MoV钢为材料批量生产陶瓷制品模具。其中一种模具的上模采用如下工艺制造:①外购已改锻和球化退火的模块毛坯,其尺寸为225mm×225mm×50mm,②机加工模块至210mm×210mm×45mm,③外协淬火回火热处理,硬度为62~58HRC,④平面磨削模块的基准平面和4个侧面,⑤电火花线切割加工出模具的双圆弧状工作面,如图1所示,⑥钳工精整。
  Cr12MoV钢的热处理强化由外协厂采用常规的低淬低回工艺即980~1000℃加热油冷,180~230℃回火两次,第二次回火温度比第一次低10~20℃,硬度要求为58~62HRC,根据淬火后硬度,确定回火温度、时间以达到所需硬度。
  生产时下模内腔填满陶瓷原料后,上模自上而下加压而制成陶瓷制品,随后卸料托板从下模底平面向上顶出使陶瓷制品稍高出下模具顶面而被取走,见图2。工作时模具承受陶瓷粒料的挤压和摩擦作用而造成模具型面和侧面的逐渐磨损,制品光洁度逐渐下降并产生飞边,最终导致模具失效,因此磨损是这种模具的正常失效形式。

图1 上模外形示意图

 

图2 生产过程示意图
  1.上模 2.下模 3.陶瓷原料 4.卸料托板 5.工作基底


  然而有一批模具投入工作不久,其上模便发生开裂如图1示,模块两主端面与线切割加工成型的双圆弧面交接处存在多条宏观裂纹,它们多源于交接的尖角部位A或B,裂纹向图示AB方向扩展。后来又发现经平面磨削加工的模块已有裂纹,这些裂纹要用10倍的放大镜仔细观察才可看到。该厂要求我们进行失效分析以找出裂纹产生的原因,以便改进模具的加工工艺和生产管理,提高模具工作寿命以增加经济效益。

2 理化检验
  由于外购模块已改锻和球化退火,而且同批模块均已外协淬火回火热处理,故此不能对原材料及各工艺过程的模具试样进行逐一的金相组织分析。要发现裂纹起源及发展历程,我们能够做的检验工作只可能是:①材料化学成分分析,②已失效模具的硬度测试和显微组织分析,③经外协淬火回火热处理但尚未进行后续加工的模块,后简称为待用模块,对其进行硬度测试和显微分析[2,5]
2.1 材料化学成分定量分析
  从失效模具和待用模具取样进行化学成分定量分析,其综合结果是1.55%C,11.75%Cr,0.41%Mo,0.23%V,0.34%Si,0.22%Mn,0.02%P,0.019%S,成分符合Cr12MoV钢的国家标准要求[3]
2.2 硬度检测
  用HR-150A型洛氏硬度计对失效模具进行硬度检测,模具各面各处硬度值大体一致,略高于61HRC,符合62~58HRC的技术要求,对待用模块测试亦有相似的结果。
2.3 失效模具的显微分析
  (1) 共晶碳化物分布、形貌、大小分析 共晶碳化物分布不均匀,图3反映铸造的残余树枝状偏析[1],图4则是网带状共晶碳化物分布,对照GB1299-85合金技术条件,其不均匀度为4~5级[3]。图5表明共晶碳化物大部分呈长条状、块状等形状,且常带有易产生应力集中的尖角,碳化物最长方向与带状分布方向一致,仅少量共晶碳化物近似球状且尺寸也较小,但比回火时析出的二次碳化物颗粒仍大几倍,粗大的共晶碳化物尺寸为0.04~0.66mm。而JB/T 7713-95高碳高合金钢制冷作模具显微组织检验标准规定模块碳化物≯3级,即碳化物最大尺寸≯0.017mm,故本例共晶碳化物尺寸过大,不符合要求。

图3 失效模具试样残留铸态树枝状偏析 ×40

 

图4 失效模具试样网带状共晶碳化物 ×100

 

图5 失效模具试样共晶碳化物呈长条状 ×400


  由上述分析可得到如下结论:原材料中共晶碳化物呈带状、网状不均匀分布,相当多粗大且带尖角的不规则碳化物在改锻和球化退火中未有明显改善,而且外购的原225mm×225mm×50mm模块很可能是外协厂家用长度为225mm的φ180mm圆棒锻成截面积与225mm×50mm相当的毛坯,模块几何尺寸虽符合要求,但原棒料呈带、网状分布的碳化物仍较完整地保留在模块中。
  (2) 奥氏体晶粒大小 图6的金相组织为回火马氏体+残留奥氏体+共晶碳化物+二次碳化物,基体不容易侵蚀,这是未回火或回火不足的马氏体通常出现的情况,而原奥氏体晶界十分明显。从图6可见原奥氏体晶粒不粗大,也没发现黑色组织,说明锻造、球化退火、淬火操作中没有过烧、过热、欠热和淬火冷却不足的情况。
2.4 待用模块的显微分析
  图6中失效模具金相试样基体不易侵蚀可能是淬火马氏体回火不足所致,回火不足使工件保留高的组织应力和热应力,与随后的平面磨削机加工的机械应力叠加使总内应力增大而超过材料强度时,会在先前工艺隐患的薄弱部位产生微裂纹,为了排除回火不足因素对分析造成的干扰,对测试的待用模块进行补充回火处理。
  用电火花线切割将一待用模块分成几大块,编号后进行不同工艺的补充回火处理,再取样作显微分析。第20号试样无补充回火,21号试样补充195℃×3h回火1次,22号试样进行195℃×3h+185℃×3h补充回火,其金相组织依次见图6和图7a、7b。基体侵蚀从难到易,马氏体细针也从难以辨认到清晰可见,残留奥氏体量也越来越少。平面磨削加工后,未补充回火试样表面用放大镜可看到微裂纹,而经补充回火的两试样经400倍金相观察,没有发现微裂纹。由此看来造成模具开裂失效的微裂纹可能是回火不足引起的。

图6 失效模具试样大裂纹边缘的
二次裂纹沿晶扩展 ×400

图7 试样补充回火后的金相组织 ×40
  (a)细针回火马氏体 (b)回火马氏体

2.5 裂纹金相分析
  (1) 磨削表面微裂纹 图8为模块磨削表面存在大量显微裂纹,它是模具回火不足而产生的组织应力和热应力使模具表面处于高应力状态,磨削加工的机械应力叠加使总应力增大,超过材料强度而产生的。

图8 模块磨削表面微裂纹 ×400


  (2) 电火花线切割加工表面微裂纹 电火花线切割时产生极高温度使加工表面薄层重新加热急冷淬火而生成白亮层,如图9所示。白亮层组织为淬火马氏体+大量残留奥氏体,厚度为0.01mm[2],不算太严重,而且放电加工是不可避免的,图9中有一裂纹从白亮层开始往内沿晶发展。因重新加热且急冷淬火使白亮层及附近区域产生很高的组织应力和热应力,并与基体原有应力叠加,而类似磨削表面也产生了微裂纹。
  白亮层裂纹处及附近区域、磨削表面裂纹产生处及附近区域,没有发生氧化脱碳现象,排除了改锻、球化退火、淬火加热不当造成过热、过烧、脱碳等引起微裂纹的因素。
  (3) 失效模具心部裂纹 图10中清晰可见裂纹平行于共晶碳化物带状分布的方向沿长条状粗大碳化物长度方向扩展。而从图6中的大裂纹边缘可看到二次裂纹沿晶界扩展。

图9 电火花线切割产生的白亮层 ×400

图10 裂纹沿条状碳化物方向扩展 ×400

3 模具补充回火后的生产试验
  将库存的经外协淬火回火热处理的模块在电热鼓风干燥箱中进行补充回火,工艺为195℃×3h+185℃×3h,回火后硬度由原稍高于61HRC降低至60~60.5HRC。之后进行后续的平面磨削,电火花线切割加工成型,模具精整后投入生产应用。结果表明,经补充回火的上模以磨损失效而不是开裂异常失效,事实进一步说明原上模开裂失效的原因是回火不足。

4 结论及建议
  (1) Cr12MoV钢制陶瓷模具的正常失效形式为磨损。
  (2) 陶瓷模具上模异常开裂失效是回火不足所致,改锻和球化退火不充分留下的冶金组织缺陷加速了裂纹的发展。模具结构中的尖角和曲面交线造成应力集中成为众多宏观裂纹的起点和发展地带。
  (3) 对外协热处理厂家除要求严格执行淬火回火工艺制度外,将模具硬度要求的62~58HRC的上限降低1~1.5HRC,可达到强制外协厂保证较充分的回火时间的目的。
  (4) 对外购模块,除要求厂家保证模块外形尺寸合格外,还应使冶金组织缺陷在改锻和球化退火中得到充分的改善,可寻求模块两方面质量均保证的新的供应商。

图片加载中...

图片加载中...

精密钢管,无缝钢管,电机壳钢管,汽车用钢管,汽车管件生产厂家

发表评论:

◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法、交流您的观点。

«   2019年11月   »
123
45678910
11121314151617
18192021222324
252627282930
360站内搜索本站
★↓在此搜索查找钢铁材料知识↓★↘


★↓在此搜索钢材厂家及产品信息↓★↘


钢管钢材热门词
钢管钢铁知识问答
钢管产品推荐
钢材厂商推荐

常州精密钢管博客网主办单位: 常州仁成金属制品有限公司

百度移动端直接搜索:steeltuber 百度电脑端直接搜索:精密钢管博客网 都能找到本站.

友情链接:

Copyright: 常州精密钢管博客网(常州仁成金属制品有限公司官方博客) www.josen.net© Rights Reserved.★2006-2019★苏ICP备08003692号-1

文章下载--关于本站--APP--文章列表

精密钢管博客网分站导航
微信站  
  钢铁材料计算器       
      
      
      
      
      
      
      

本站会员尊享信息推送下载及留言特权,现在就加入我们吧!登录注册
登录
用户名
密码
注册
用户名
密码
确认密码
昵称
邮箱
获取邀请码
邀请码
找回密码
用户名
邮箱
※ 重置链接将发送到邮箱