1、模具失效的案例分析,班級(jí)： 材料11302班 組號(hào)： 第 07 組 組員：陳帥揮 徐文涵 張棟,H13鋼汽車熱鍛模具失效機(jī)理分析 1）模具及材料基本概況 2）模具失效的分析手段 3）模具失效的分析及結(jié)論 4）解決措施,H13鋼汽車熱鍛模具失效機(jī)理分析,1）模具及材料基本概況： 模具材料及模具加工方式： 目前，國(guó)內(nèi)汽車熱鍛模具鋼大都采用 H 系列鋼，具有較高的高溫強(qiáng)度和抗回火能力，紅硬性好，且有良好的抗高溫疲勞腐蝕性能。此次分析的熱鍛模材料均為 H13 模具鋼 , 鋼號(hào) 4Cr5MoSiV1 , 其標(biāo)準(zhǔn)材料的化學(xué)成分如表 1 所示 。熱鍛模具材料的熱處理工藝流程為 : 去應(yīng)力退火 淬火 3 次回

2、火,模具表面還進(jìn)行了氮化處理 , 最終洛氏硬度 (HRC) 在 49 50.,模具的工作環(huán)境及壽命,此次分析的汽車熱鍛模具應(yīng)用于軸類毛坯件的粗鍛階段，胚料初始溫度 12001300，由于熱作模具的工作面往往與高溫坯料直接觸，模具型腔的瞬時(shí)溫度可達(dá) 600700 。另外，模具工作 中需采用噴水冷卻，持續(xù)時(shí)間大約在 0204S，這樣使得模具在工作中產(chǎn)生周期性的溫度變化，冷熱交替循環(huán)易引起熱疲勞。模具使用壽命調(diào)查發(fā)現(xiàn)，使用壽命較短的熱鍛模 具在 16001800件，使用壽命較長(zhǎng)的在 55007000 件，模具平均壽命在 40005000件，壽命很不穩(wěn)定， 而國(guó)外同類模具使用壽命一般在 1萬(wàn)件以上。,

3、2）模具失效的分析手段,表面宏觀分析 對(duì)失效熱鍛模工作面宏觀形貌觀察，大部分失效熱鍛模都是在表面出現(xiàn)了不同程度的損傷，表面的磨痕清晰可見：溝痕、劃傷、粘著磨損現(xiàn)象。除磨損外，還有大量的冷熱疲勞裂紋，呈網(wǎng)狀 (龜裂狀)或放射狀分布。,裂紋處的顯微形貌 為進(jìn)一步觀察裂紋部位的細(xì)節(jié)，選取了具有典型裂紋的上模下端面的失效部位，用線切割機(jī)切割裂紋部位，進(jìn)行取樣分析，樣件尺寸 10mmX 10mmX 6mm。通Philpsquant-200型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，得到了不同倍數(shù)的掃描電鏡圖片，可以看到，在失效模具表面邊緣處出現(xiàn)大量的蝕點(diǎn) ，邊緣磨損嚴(yán)重，失去形狀 。模具表面分布裂紋 ，裂紋深淺程度不一，

4、主裂紋周圍伴有大量細(xì)小裂紋 ，靠 近模具端部的細(xì)小裂紋已經(jīng)縱橫溝通，由邊緣向內(nèi)部延伸 。裂紋內(nèi)有氧化物夾雜 ，并且模具端部裂紋表面有部分脫落 ，脫落部分面積大約有 200 mm x 80 mm大小。模具材料的表層組織發(fā)生變化 ，有表面氧化現(xiàn)象 。,能譜分析 為了更深入地研究模具失效的原因，鑒定裂紋內(nèi)外元素含量的變化及合金元素?cái)U(kuò)散的情況，進(jìn)行了裂紋區(qū)域的能譜分析(EDS)。為便于比較，在試樣上選取了位于裂紋處及基體上的A,B兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行掃描，利用GENESIS型能譜分析儀，從而得到了裂紋內(nèi)及基體處的 EDS圖譜。,裂紋A與裂紋B處的元素情況,3）模具失效的分析及結(jié)論,裂紋處的掃描圖譜中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)合金

5、元素 M n ，M o ，V ，Si，裂紋附近的合金元素也發(fā)生了變化 合金元素含量改變。,由此可知，在高溫腐蝕的環(huán)境作用下，失效模具鋼表面的合金元素進(jìn)行了重新分布 ，裂紋處的合金元素 M n，M o，V ，Cr 的含量大幅降低 ，導(dǎo)致模具材料的局部強(qiáng)度下降 ，形成可能的裂紋萌生源 。這種初始裂紋在外載荷，尤其是強(qiáng)烈的沖擊載荷和冷熱交替循環(huán)產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力作用下，極易增長(zhǎng)。擴(kuò)展的裂紋逐漸溝通融合 ，即可產(chǎn)生宏觀裂紋 ，產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象 。此外 ，在高溫腐蝕下模具表面產(chǎn)生氧化物，脆性氧化物的脫落降低了模具表的耐磨性和抗氧化性 ，加速了表層磨損 ，最終導(dǎo)致模具失效。,對(duì)裂紋深處的進(jìn)一步研究表明，穿過(guò)表層

6、的裂紋內(nèi)未見有脫碳 ，裂紋內(nèi)部也未見氧化現(xiàn)象 ，所以，可以認(rèn)為裂紋不是由熱處理產(chǎn)生的。,裂紋內(nèi)及裂紋附近均出現(xiàn)了氧元素，裂紋處的含量更高 ，模具鋼表面發(fā)生了氧化腐蝕，且裂紋處氧化嚴(yán)重。,顯微硬度分析利用 FM-300維氏顯微硬度計(jì)測(cè)定了裂附近的顯微硬度。從測(cè)量結(jié)果看 ，可以觀察到失效模表面有一退化層 ，其深度在300800m之間，退化層上分布有裂紋 ；越靠近材料表面硬度值越低 ，硬度值的變化范圍在 195455HV 之間，而H13 模具鋼原始硬度應(yīng)在 500 HV左右 。而且模具鋼表面經(jīng)過(guò)高溫氧化腐蝕后 ，材料內(nèi)化學(xué)元素含量的比例發(fā)生改變 ，合金元重新分布 ，且越靠近表面的部位合金元素降低越嚴(yán)

7、重 ，硬度也隨之下降的越快，由此可以推斷，硬度的改變是由材料內(nèi)元素成分的變化引起的， 圖中給出了顯微硬度分布結(jié)果 。由上述試驗(yàn)分析可知 ，在高溫高壓的工作環(huán)境中，材料表面成分改變 ，局部表面合金元素的降低，直接導(dǎo)致了模具材料性能的下降 ，在強(qiáng)烈的沖擊及熱疲勞載荷作用下 ，在該部位首先出現(xiàn)破損 ，顯然 ，引起熱鍛模具失效的初始破壞是從材料的表面開始的。初始破損在沖擊載荷和熱疲勞載荷交替作用下 ，不斷擴(kuò)展延伸 ，相互貫通 ，形成宏觀裂紋 ，加上表面的高溫氧化作用 ，形成脆性氧化物 ，脆性氧化物的抗疲勞性能較差 ，容易引起脫落 ，這樣在有些失效模具上就出現(xiàn)了邊緣部位表面的大面積脫落 。,某失效模具鋼

8、表層材料的硬度變化曲線,結(jié)論導(dǎo)致汽車熱鍛模失效 的主要原 因是 ：模具型腔表面的熱磨損 、高溫氧化及熱疲勞裂紋。,4）解決的措施,模具工作面表層材料的性能對(duì)模具的最終服役 壽命起到至關(guān)重要的作用，要提高模具的工作性能， 延長(zhǎng)其使用壽命，也應(yīng)從材料 的表面著手。隨著材料表面工程處理技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)表面工程的技術(shù)手段，可以很好地改善材料 的表面性能，如提高材料的抗高溫腐蝕性能，耐磨損性能，提高疲勞強(qiáng)度等。常用的表面處理手段如表面噴涂，表面溶覆等工藝可顯著地提高材料的硬度及耐磨性，可大大地提高熱鍛模的使用壽命，而且具有 良好的經(jīng)濟(jì)性。,參考文獻(xiàn),【1】樊東黎，王廣生，熱處理手冊(cè)【M】.北京:機(jī)械工業(yè)

9、出版社，2001. 【2】徐進(jìn).陳冉技.模具鋼【.M】.北京:冶金工業(yè)出版社，1989. 【3】曾珊琪，丁毅，模具壽命與失效M】.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005. 【4】寶志堅(jiān) .汽車熱鍛校具的失效機(jī)理及延壽技術(shù)【D】.北京:華北電力大學(xué)，2006. 【5】徐濱士.神奇的表面工程【M】.北京:淸華大學(xué)出版社，2000. 【6】劉宗徳 .安江英，楊昆等.電爆炸高速噴涂新技術(shù)研究【j】。爆炸與沖擊,2001（1）：17-20,D型石墨合金灰鑄鐵玻璃模具的裂紋失效分析,目錄 1、模具與模具材料 2、模具腔內(nèi)裂紋分析 3、結(jié)論 4、改進(jìn)措施,1、模具與模具材料 玻璃模具的常見損傷原因及性能要求 在玻璃

10、制品生產(chǎn)過(guò)程中，熔融的玻璃料由滴料機(jī)送入玻璃模具中，熱量由模具內(nèi)擴(kuò)散到外部，快速冷卻使玻璃料成型，然后開模，得到玻璃制品。由于模具內(nèi)腔頻繁與高溫粘滯玻璃接觸，必定要承受玻璃料的磨損及腐蝕；同時(shí)制品在模具內(nèi)成型，則要經(jīng)受 1100左右的熔融玻璃到出模的 600左右成型制品的快速溫度循環(huán)；因此要求玻璃模具在高溫下具有良好的耐磨損、耐腐蝕、抗氧化性、導(dǎo)熱性以及抗熱疲勞性等性能，另外，玻璃模具還應(yīng)具有一定的機(jī)加工性，材質(zhì)致密，熱膨脹系數(shù)小，成本低廉等特點(diǎn)。,D型石墨合金灰鑄鐵的性能 D 型石墨是灰鑄鐵鐵液在較高過(guò)冷度的條件下形成的奧氏體枝晶間點(diǎn)狀石墨。 在基體組織相同的情況下，D 型石墨鑄鐵的強(qiáng)度高于

11、普通 A 型石墨鑄鐵。加之D 型石墨分布更為細(xì)小均勻，端部較鈍，不會(huì)引起較大的應(yīng)力集中，而且在共晶團(tuán)之間不會(huì)相互接觸，在組織致密性、抗氧化性、耐熱疲勞性等方面也表現(xiàn)良好。 D型石墨合金灰鑄鐵以其良好的抗氧化性能被廣泛應(yīng)用于玻璃模具。在 D 型石墨合金鑄鐵模具的生產(chǎn)過(guò)程，通常采用合金化和內(nèi)腔激冷工藝，以獲得良好的 D 型石墨形態(tài)，提高模具的抗氧化性、耐磨性和抗熱疲勞性能。但是,如果工藝控制不嚴(yán)，會(huì)在模具組織中形成晶間碳化物，退火時(shí)難以完全消除，導(dǎo)致模具在使用過(guò)程出現(xiàn)裂紋，影響模具的使用壽命。,模具的生產(chǎn)工藝 鐵水在容重 500kg 的中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐熔煉，加料順序?yàn)閺U鋼、鐵合金、回爐料、生鐵，鐵

12、水熔煉溫度 15001520。為了縮短出爐到澆注的時(shí)間，防止孕育衰退，添加回爐料降低鐵水出爐溫度，出爐時(shí)隨鐵水流孕育加入 0.4-0.6wt%的 SH 孕育劑。采用冷鐵在上的單箱無(wú)冒口樹脂砂成形工藝鑄造成形，澆注速度約 25s/模，500kg 鐵水在 3-5min 內(nèi)澆完。合金鑄鐵的化學(xué)成分如下表 所示。模具落砂清理后進(jìn)行退火處理。采用功率為 120k W 的臺(tái)車式電阻退火爐，以約110/h 的升溫速率由室溫加熱到 910，保溫 6-8h，然后隨爐冷到至400以下后出爐空冷。,鐵液化學(xué)成分,圖 為合金鑄鐵模具退火的組織。退火后的組織為鐵素體基體，但組織中仍殘存少量的珠光體和碳化物。,2、模具腔

13、內(nèi)裂紋分析裂紋的宏觀形貌 在服役過(guò)程中，出現(xiàn)早期內(nèi)腔裂紋失效的模具如右圖所示。圖中，模具內(nèi)腔表面存在三條肉眼可見的裂紋。一旦出現(xiàn)這種裂紋，就會(huì)在玻璃制品表面留下印跡，影響制品表面質(zhì)量；如果繼續(xù)使用，模具還會(huì)出現(xiàn)斷裂的危險(xiǎn)。,模具內(nèi)腔裂紋宏觀形貌,裂紋的微觀形貌為了分析上述目標(biāo)裂紋的形成原因，在模具內(nèi)腔表面截取裂紋試樣進(jìn)行了微觀分析。用線切割在模具內(nèi)腔表面截取包含裂紋的矩形試樣若干，試樣尺寸為30mm30mm30mm。經(jīng)研磨、拋光，在金相顯微鏡下觀察裂紋走向及微觀石墨形態(tài)和分布；再經(jīng)5%硝酸酒精溶液浸蝕后，在金相顯微鏡及SEM下觀察裂紋形貌及基體組織形態(tài)，同時(shí)采用 EDS 分析未知相的成分。,由

14、于目標(biāo)裂紋較長(zhǎng)，將裂紋分為了三個(gè)部分。,圖示為裂紋的起始擴(kuò)展示意圖，裂紋是沿奧氏體枝晶交界處傳播的，這是因?yàn)閵W氏體枝晶間存在元素和夾雜的偏析，結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較低。,圖示為裂紋的末端，從圖中可以看出，裂紋較細(xì)、無(wú)分枝，裂紋周邊的組織無(wú)明顯的相變。,圖示為裂紋的中段，裂紋周邊的組織未發(fā)生明顯的組織變化，但裂紋在傳播的過(guò)程中發(fā)生分枝。,圖 示為裂紋周邊與遠(yuǎn)離裂紋處的組織對(duì)比， a為裂紋周邊 ,b為遠(yuǎn)離裂紋處。由此可見，裂紋周邊因熱疲勞而發(fā)生了組織變化，這種相變會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力得不到釋放時(shí)，就會(huì)在模具表面產(chǎn)生裂紋。由上述金相組織分析，可以得出：在裂紋前段，裂紋附近組織在熱循環(huán)作用下已發(fā)生較嚴(yán)重的

15、組織相變；有可能是裂紋產(chǎn)生的根源。在裂紋末端，組織正常，是初始裂紋在應(yīng)力的作用下 沿晶間弱結(jié)合面 擴(kuò)展的結(jié)果。,對(duì)裂紋試樣進(jìn)行SEM分析。圖為裂紋附近的組織。在裂紋兩側(cè)可以清楚地看到鐵素體枝晶以及明顯的氧化斑，而在晶界處存在大量細(xì)小的白色顆粒。,經(jīng)成分分析可知，塊狀和粒狀?yuàn)A雜均為碳化物顆粒，碳化物中含有少量的 Mo 和 Ti，即含 Mo 和 Ti 的合金滲碳體。塊狀碳化物和顆粒狀碳化物的形成過(guò)程不同，塊狀碳化物應(yīng)為鑄造過(guò)程產(chǎn)生的，而在退火過(guò)程中未完全溶入奧氏體，殘留在晶界。小的顆粒狀碳化物則是由于模具在使用過(guò)程中，受熱時(shí)，碳或碳化物向奧氏體中溶解；在模具激冷時(shí)，溶解在奧氏體中的碳以二次碳化物的

16、形式析出。,由圖可以看出，在晶界處存在塊狀和不同粒徑的顆粒狀?yuàn)A雜物。,觀察裂紋附近組織晶界處形貌，可以看出，組織中包含塊狀磷共晶、碳化物、析出碳化物、二次石墨等，其中塊狀磷共晶和碳化物為鑄態(tài)，退火處理中未完全消除；二次石墨可能是在退火過(guò)程中形成的，也有可能是在模具使用過(guò)程中形成的。,在700以上的高溫下，基體鐵和石墨都會(huì)發(fā)生劇烈的氧化，而且石墨越數(shù)量多，石墨片越粗大，氧化越嚴(yán)重。在模具服役過(guò)程中，模具材料會(huì)反復(fù)地經(jīng)過(guò)鐵素體和奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域，碳不斷地溶解與析出，勢(shì)必會(huì)造成體積膨脹與組織內(nèi)部應(yīng)力； 由于石墨對(duì)基體有非常強(qiáng)烈的割裂作用，且石墨片越粗大，端部越尖銳，這種割裂效果越明顯，從而降低材料的強(qiáng)

17、度，成為基體的裂紋源； 基體組織中若存在大塊狀碳化物，這種高溫下不穩(wěn)定的異質(zhì)相在模具工作過(guò)程中會(huì)部分發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致模具高溫生長(zhǎng)；同時(shí)在晶界析出的塊狀碳化物會(huì)引起脆性，在熱應(yīng)力的作用下加速裂紋源的萌生與擴(kuò)展； 常溫下晶界強(qiáng)度大于晶粒強(qiáng)度，因此晶粒越細(xì)小，晶界就越多，強(qiáng)度也相對(duì)越高；但在高溫下，隨著溫度的提高，材料晶界強(qiáng)度和晶粒強(qiáng)度同時(shí)下降，而且晶界強(qiáng)度下降的更為顯著。當(dāng)超過(guò)等強(qiáng)溫度時(shí)，晶界強(qiáng)度低于晶粒強(qiáng)度，位錯(cuò)容易在晶界滑動(dòng)，產(chǎn)生裂紋源，并最終導(dǎo)致材料的沿晶開裂。,結(jié)論 從上述分析可知，模具在使用過(guò)程產(chǎn)生裂紋的原因是：在反復(fù)的受熱、冷卻過(guò)程中碳化物的溶解和析出，造成較大的相變應(yīng)力。相變應(yīng)力與玻璃液的摩擦應(yīng)力疊加，在晶界萌生裂紋并沿晶界擴(kuò)展。組織中塊狀碳化物和磷共晶與基體組織熱膨脹系數(shù)相差較大，或是由于石墨片對(duì)基體的割裂作用，容易在端角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的形成與延伸。,改進(jìn)措施 由裂紋失效分析可知，產(chǎn)生裂紋的主要原因是模具組織中存在 E 型石墨、粗大的碳化物和磷共晶等，而這些組織的形成與鐵水熔煉、孕育處理及模具毛坯的退火工藝密切相關(guān)。因此，可以從鐵水熔煉、孕育處理以及退火工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到改善模具組織，提高模具的抗熱疲勞性能。 對(duì) D 型石墨合金灰鑄鐵，鐵水在 15101520熔煉、并靜置 5min