某端子零件鍛壓模具異常斷裂失效原因分析

李勇 丁文強(qiáng) 高祥 陳昊

摘? 要：針對(duì)HD鋼鍛壓模具異常斷裂失效問題，通過對(duì)模具進(jìn)行成分分析、硬度檢測(cè)、沖擊韌性檢測(cè)及金相檢驗(yàn)，確定模具為韌性過低導(dǎo)致的脆性斷裂失效，模具的熱處理工藝沒有按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行，其熱處理組織異常是模具失效的主要原因。

關(guān)鍵詞：HD鋼;鍛壓模具;斷裂失效;沖擊韌性;金相組織

中圖分類號(hào)：TG142.45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-0105（2021）04-0050-04

Analysis on the Causes of Abnormal Fracture and Failure of the Forging Die for a Wire Terminal

LI Yong， DING Wenqiang， GAO Xiang， CHEN Hao

（Zhejiang Industry & Trade Vocational College， Wenzhou 325003， China）

Abstract：? The chemical composition， hardness， impact toughness and microstructure of the die were tested to analyze the abnormal fracture and failure of HD steel forging die. The results show that the die is brittle fracture failure caused by low toughness. The main cause of mold failure is abnormal microstructure， and the heat treatment process is not implemented in accordance with the standard specification.

Key Words：? HD steel; forging die; fracture failure; impact toughness; microstructure

0? 前言

HD鋼（4Cr3Mo2VNiNb鋼）是在4Cr3Mo3V鋼基礎(chǔ)上，通過降低Mo、V的含量，并加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ni、Nb等元素，來提高其使用性能的一種熱作模具鋼。HD鋼在鍛壓模具領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在企業(yè)的冷、熱鍛壓成型生產(chǎn)方面均有良好表現(xiàn)，如文獻(xiàn)顯示HD鋼作為氣門熱精鍛模具其使用壽命是3Cr2W8V鋼的2.2倍;作為曲柄熱鐓鍛模其壽命為3Cr2W8V鋼的2～3倍[1-4]。

某企業(yè)采用國產(chǎn)HD鋼作為鍛壓模具生產(chǎn)某型號(hào)的銅端子鍛件，該型號(hào)模具的正常壽命一般都在一萬件左右，本模具在生產(chǎn)中僅生產(chǎn)幾十件就出現(xiàn)了裂紋，并導(dǎo)致模具失效。該模具的熱處理加工為上游熱處理廠采用真空淬火處理，淬火溫度為? ? ? ?1 100℃;回火兩次，空冷，第一次回火溫度為560℃、第二次回火溫度為590℃。模具失效的原因很多，研究與實(shí)踐顯示：模具使用不當(dāng)、熱處理問題、材料成分問題等因素都能導(dǎo)致模具出現(xiàn)異常失效[5-8]。為分析模具異常斷裂的具體原因，本文從材料成分、硬度、沖擊韌性、金相組織等多方面著手對(duì)失效模具進(jìn)行檢測(cè)和分析，以方便企業(yè)查找原因，為解決生產(chǎn)問題提供一定的技術(shù)依據(jù)，并為其它同類生產(chǎn)企業(yè)提供相關(guān)參考。

1? 檢測(cè)設(shè)備與方法

1.1? 檢測(cè)與分析設(shè)備

成分分析設(shè)備采用德國BRUKER公司S4 PIONEER X射線熒光光譜儀和南京正源分析儀器制造有限公司ZY- HWC9A型高頻紅外碳硫分析儀。

硬度檢測(cè)設(shè)備采用萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì);沖擊韌性檢測(cè)設(shè)備采用濟(jì)南天華檢測(cè)設(shè)備有限公司JB-W300型微機(jī)屏顯半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī);金相分析設(shè)備采用德國LEICA公司DM 2500M型正置金相顯微鏡。

1.2? 取樣部位與檢測(cè)方法

因模具尺寸較大，為全面分析和評(píng)估模具的熱處理工藝及金相組織情況，需要對(duì)模具檢測(cè)部位進(jìn)行典型取樣。圖1為失效模具照片;圖2為失效模具三維模型，為典型試樣的取樣示意圖，展示沖擊韌性、硬度、金相分析等檢測(cè)試樣的取樣位置與方向性。

典型試樣取樣位置如下：①號(hào)試樣從模具的高度方向沿模具邊緣附近縱向取樣;②號(hào)試樣從模具的長度方向沿模具邊緣附近橫向取樣;③號(hào)試樣從模具的中心部位附近橫向取樣。每個(gè)代表位置均取三個(gè)試樣，其沖擊韌性檢測(cè)取平均值作為該部位的沖擊韌度數(shù)值。沖擊韌性檢測(cè)試樣按國家標(biāo)準(zhǔn)制備V型樣。

④號(hào)試樣取樣位置與方向與③號(hào)基本相同，制備硬度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)長條試樣，從模具的斷裂斷面開始貫穿模具一直到模具的右端面，沿試樣長度方向每間隔一段距離檢測(cè)該位置的硬度值，該檢測(cè)方法能反映模具由表及里的硬度梯度變化情況。

金相分析試樣經(jīng)不同型號(hào)砂紙磨制、拋光后，采用4%硝酸酒精腐蝕。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 成分檢測(cè)

模具化學(xué)成分的檢測(cè)結(jié)果與HD鋼標(biāo)準(zhǔn)成分對(duì)照表如表1所示[9]，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出該模具主要化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)，因此模具材料成分是合格的。

2.2? 硬度檢測(cè)

對(duì)試樣不同位置的硬度進(jìn)行硬度梯度檢測(cè)，結(jié)果顯示模具最高硬度為53.1HRC、最低硬度為51.4HRC，硬度偏差約1.7HRC，該硬度略高于參考文獻(xiàn)1 130℃淬火及590℃回火處理后的硬度，鑒于異常斷裂模具的第一次回火溫度比參考文獻(xiàn)的回火溫度低，而淬火溫度也略低，考慮到檢測(cè)誤差的存在，說明該HD鋼模具的硬度在正常的硬度范圍之內(nèi)。另外，通過模具試樣的貫穿硬度檢測(cè)，其硬度值變化范圍不大，說明該模具已經(jīng)淬透，沒有出現(xiàn)模具未淬透現(xiàn)象，即模具的異常斷裂可排除模具未淬透因素。

2.3? 沖擊韌性檢測(cè)

①號(hào)、②號(hào)、③號(hào)試樣沖擊韌性試驗(yàn)所得結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，失效模具的平均沖擊韌度值在[（3.7～4.5） J/cm2]之間。此沖擊韌度值遠(yuǎn)低于參考文獻(xiàn)顯示的HD鋼正常熱處理時(shí)，即1 130℃淬火及590℃回火處理后的沖擊韌度值，因此可以判定模具有極大可能為沖擊韌性過低導(dǎo)致的脆性斷裂失效。

2.4? 金相檢測(cè)

模具各位置試樣的金相組織圖分別如圖3、圖4、圖5所示，其中圖（a）為低倍金相照片，圖（b）為高倍金相照片?？梢钥闯鲈嚇拥奈⒂^組織基本都由疑似混合馬氏體（疑似針狀馬氏體或裂紋、板條狀馬氏體）、少量殘余奧氏體加球粒裝與短棒狀碳化物組成，且碳化物顆粒尺寸略大[10]。

一般認(rèn)為：尺寸較大的碳化物主要是淬火過程中碳化物沒有完全固溶于奧氏體中所遺留下來的，而尺寸較小的碳化物則可能是前期熱處理未溶碳化物或后期回火過程中所析出來的碳化物。此外，金相組織中所出現(xiàn)的疑似針狀馬氏體組織其亞結(jié)構(gòu)類似針狀馬氏體也類似于微裂紋，無論是哪一種結(jié)構(gòu)，它們都會(huì)對(duì)HD鋼的基體組織產(chǎn)生一定的割裂作用從而導(dǎo)致模具塑性及韌性偏低，這應(yīng)該是HD鋼模具韌性較低進(jìn)而產(chǎn)生異常斷裂的主要原因，至于該結(jié)構(gòu)特征的深層次分析及最終性質(zhì)確定，有待于采用掃描電鏡或透射電鏡進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

可以確定，熱處理工藝異常應(yīng)該是模具失效的主要原因，雖然尚不清楚熱處理企業(yè)其具體熱處理工藝是如何執(zhí)行的，但模具淬火及回火后的組織非常不正常，如果可疑組織亞結(jié)構(gòu)是針狀馬氏體，那么它不應(yīng)該出現(xiàn)在590℃回火組織中;如果可疑組織為微裂紋，那么淬火溫度或淬火工藝一定存在問題。

3? 結(jié)論及改進(jìn)建議

模具異常失效的原因是其韌性過低導(dǎo)致的脆性斷裂失效，熱處理企業(yè)的淬火及回火工藝執(zhí)行存在較大問題，導(dǎo)致回火組織中碳化物顆粒尺寸偏大，且出現(xiàn)的疑似針狀馬氏體或淬火微裂紋是模具韌性異常低下的主要原因。造成這種結(jié)果的原因有可能是熱處理企業(yè)熱處理過程中與其它模具材料或不同尺寸工件混爐裝件、或淬火及回火工藝沒按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行所致。

針對(duì)模具異常失效問題，對(duì)企業(yè)用戶建議制訂HD鋼模具性能檢測(cè)規(guī)范，增加性能檢驗(yàn)約束，例如除檢測(cè)硬度外，可適當(dāng)增加韌性檢驗(yàn)等內(nèi)容，以減少熱處理企業(yè)非規(guī)范操作，降低用戶損失。對(duì)模具熱處理企業(yè)建議模具在淬火之前，應(yīng)加強(qiáng)鍛造工藝執(zhí)行，將碳化物進(jìn)一步鍛打破碎、令尺寸變得更加細(xì)小;模具淬火及回火熱處理時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行HD鋼的淬火及回火工藝規(guī)范，不要將不同材質(zhì)或不同尺寸大小的模具（工件）混爐裝料。

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（責(zé)任編輯：譚小紅）

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