分享：Cr12钢水胀模具底座断裂原因分析

摘 要:Cr１２钢水胀型模具底座在使用过程中发生批量断裂,采用宏观检验、化学成分分析、金相检 验、断口分析、硬度测试等方法对该批模具底座断裂的原因进行了分析.结果表明:该批模具底座断裂为 沿晶脆性断裂;断裂的主要原因为模具材料碳含量超标,且锻造不充分导致共晶碳化物粗大且呈严重网 状聚集分布,造成应力集中,在内应力和外力的共同作用下模具底座产生裂纹并迅速扩展而断裂. 

关键词:Cr１２钢;水胀模具;脆性断裂;碳化物;应力集中;失效分析 

中图分类号:TG１７２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７７５Ｇ０３

Cr１２钢是一种应用广泛的冷作模具钢,具有较 高的强度、淬透性、耐磨性以及淬火变形小等特点. Cr１２钢碳含量最高可达２．３０％(质量分数),因此冲击 韧性较差,易脆裂,易形成不均匀的共晶碳化物,导热 性与高温塑性较差,常用于制造受冲击载荷小和要求 耐磨性高的冷冲模、冲头、凹模、钻套、偏心轮等[１].

某不锈钢保温容器厂一批刚启用的水胀型模 具,在正常条件下工作不到一天,连续３个底座发生 了断裂失效,造成整个零件报废,生产线停工检查. 该水 胀 模 具 底 座 直 径 为 ３００ mm,内 孔 直 径 为 ８５mm,厚度为６０ mm.水胀型模具生产工序为: 下料→锻造→球化退火→机加工→热处理→精磨; 热处理工艺为:多用炉加热到９５０ ℃,保温１．５h后 油淬,再在２００ ℃回火１０h.为查明该模具底座断 裂失效原因,笔者对其进行了一系列检验和分析.

１ 理化检验 

１．１ 宏观检验 

断裂模具底座宏观形貌如图１所示,可见整个 工件沿垂直于锻造方向的中间部位断裂成两半;断 口较直似刀切,断面平齐且粗糙,见图２.

１．２ 化学成分分析

在模 具 底 座 断 裂 部 位 附 近 取 样,使 用 OBLF GS１０００型直读光谱仪对其化学成分进行分析,结 果见表１.可见断裂模具底座的碳含量(２．４５％)超 过了 GB/T１２９９－２０１４«工模具钢»对 Cr１２钢规定 的碳含量上限值(２．３０％).

１．３ 金相检验 

１．３．１ 低倍检验 

在模具底座断口附近取样,磨制成低倍试样,用 ５０％(体积分数)盐酸水溶液腐蚀１５min后观察整 个表面的缺陷情况.如图３所示,在整个低倍试样 上未发现大的夹渣、疏松、折叠、偏析等缺陷,只存在 极少量的缩孔.

１．３．２ 非金属夹杂物检验 

在模具底座断口处取样,将试样侧面抛光后使 用 AXIOVERT４０MAT 型金相显微镜放大１００倍 观察,如图４所示.可见非金属夹杂物较少,多为球 状氧化物,依据 GB/T１０５６１－２００５«钢中非金属夹 杂物含量的测定———标准评级图显微检验法»可评 为 D１．５e级(e表示为粗系夹杂物). 

１．３．３ 显微组织检验 

将金相试样使用４％(体积分数)硝酸酒精溶液 侵蚀后再在金相显微镜下观察其显微组织,如图５ 所示.可见显微组织为马氏体＋残余奥氏体＋聚集 并呈网状分布的块状及条状碳化物,断裂面沿碳化 物边界发展.在放大１００ 倍下,按 GB/T１４９７９－ １９９４«钢的共晶碳化物不均匀度评定法»中的第４评级图评定,共晶碳化物不均匀度为７级,且多呈大块 和长条状,按JB/T７７１３－１９９５«高碳高合金钢制冷 作模具显微组织检验»测定最大尺寸为０．０４３mm, 而通常该类模具的碳化物级别不超过３级(即最大 尺寸小于０．０１７mm). 

１．４ 断口分析 

采用 EVO MA１０型扫描电镜(SEM)对模具底 座断口微观形貌进行观察分析.由图６可见,断口 微观形貌呈沿晶断裂特征[２Ｇ３],是材料脆性破坏的典 型特征之一,另外断口上分布有大量长条及块状物 质.用能谱仪(EDS)对该物质进行分析,由图７可 见,该物质为碳化物,与金相检验结果一致.

１．５ 硬度测试

在模具底座开裂部位附近取样,如图８所示,使用２５０DRMC 硬 度 计 进 行 洛 氏 硬 度 测 试,结 果 如 表２所示.可见该底座硬度不均匀,且有些部位达 不到 GB/T１２９９－２０１４对 Cr１２钢淬火处理后硬度 的要求(≥６０HRC).这是由于材料中碳化物呈网 状分布,局部聚积,因而局部区域硬度偏低.

２ 综合分析 

由以上理化检验结果可知,断裂模具底座化学 成分中的碳含量超过 GB/T１２９９－２０１４对 Cr１２钢 规定的碳含量上限值,而碳含量越高,热处理后组织 中的共晶碳化物就越多,材料硬度及耐磨性会越高, 但韧性会降低,变形抗力减小,导致模具在加工和使 用过程中开裂的风险增加.

由断裂模具底座的断口宏观形貌、SEM 微观形 貌所呈现的特征,结合其使用情况分析该模具底座 断裂属性为脆性断裂,且有沿共晶碳化物晶界开裂 的特点.金相检验结果表明,该模具底座材料不存 在大的夹渣、疏松、折叠、偏析等缺陷,非金属夹杂物 含量也符合技术要求,但共晶碳化物不均匀度级别 达到７级,且最大尺寸为０．０４３ mm,远远超过标准 要求的 该 类 模 具 材 料 组 织 中 碳 化 物 的 最 大 尺 寸 ０．０１７mm,这说明了该模具材料碳化物多而粗大且 呈严重网状分布,很好地解释了沿晶断裂的失效特 点.这种情况主要是由于材料本身碳含量偏高,且 锻造不充分,无法将大块碳化物打碎,造成共晶碳化 物聚集,碳化物相对基体组织较硬且脆,呈网状聚集 会降低甚至破坏金属基体的连续性,造成应力集中, 在外力作用下极易引发脆性断裂失效[４Ｇ６].

３ 结论及建议 

该批 Cr１２钢水胀型模具底座断裂为沿晶脆性 断裂;模具材料碳含量超标,且锻造不充分导致共晶 碳化物多而粗大且呈严重网状聚集分布,造成应力 集中,在内应力和外力的共同作用下模具底座产生 裂纹并迅速扩展而断裂. 

针对导致该批模具底座断裂失效的原因,建议 如 下:①严格控制原材料,确保原材料化学成分、力学性能及显微组织符合要求;②改进锻造工艺,可采 用综合镦拔锻造等方法使锻造更加充分,提高锻件 质量;③模具加工完成后要进行检验,确保无组织缺 陷及微裂纹,硬度均匀且达到使用要求,对不符合要 求的模具应作报废或返工处理. 3

参考文献: 

[１] 林慧国．袖珍世界钢号手册[M]．北京:机械工业出版 社,２００３． 

[２] 任颂赞．钢铁金相图谱[M]．上海:上海科学技术文献 出版社,２００３．

[３] 胡世炎．机械失效分析手册[M]．成都:四川科学技术 出版社,１９９９． 

[４] 杨晓,陈政龙,潘恒沛,等．４０Cr钢紧固螺栓断裂原因 分析[J]．理 化 检 验(物 理 分 册),２０１６,５２(１２):９０３Ｇ ９０５． 

[５] 金静静,李玲．某油田钻杆旋塞阀断裂原因分析[J]． 理化检验(物理分册),２０１６,５２(５):３５５Ｇ３５９． 

[６] 徐娜,吴晓峰,时军波,等．Cr１２钢冷冲模具加工过程 中开裂原因分析[J]．理化检验(物理分册),２００９,４５ (１２):７６５Ｇ７６７．

文章来源——材料与测试网