金林奎１ ２,黃持偉１ ２,阮育煌３,歐海龍１ ２,鄒文奇１ ２
(１．廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心,東莞 ５２３８０８;２．國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,東莞 ５２３８４６;
３．東莞市奕東電子有限公司,東莞 ５２３１２７)
摘 要:采用宏觀分析、硬度檢測、化學成分分析、斷口分析以及金相檢驗等方法,對某２５１０鋼塑料模具滑塊座端面開裂剝落失效原因進行了分析.結(jié)果表明:滑塊座螺紋孔螺牙部位經(jīng)過電加工產(chǎn)生了白亮色的變質(zhì)層,該變質(zhì)層脆性較大,易于產(chǎn)生微裂紋及剝落成為疲勞裂紋源,在螺栓彈簧推動的交變應(yīng)力作用下裂紋沿螺紋孔四周呈同心圓弧線向外推進和延伸,從而導致滑塊座端面開裂剝落失效;同時滑塊座基體組織中帶狀及網(wǎng)狀碳化物分布嚴重,降低了材料強度,加快了滑塊
座疲勞開裂剝落失效的進程.
關(guān)鍵詞:模具;滑塊座;開裂剝落;電加工變質(zhì)層;帶狀碳化物;網(wǎng)狀碳化物;疲勞開裂
中圖分類號:TG１４７ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０８Ｇ０５９０Ｇ０５
ReasonAnalysisonEndCrackingandSpallingofa２５１０Steel
PlasticMoldSliderBlock
JINLinkui１,２,HUANGChiwei１,２,RUANYuhuang
３,OUHailong
１,２,ZOU Wenqi１,２
(１．GuangdongDongguanQualitySupervisionTestingCenter,Dongguan５２３８０８,China;
２．NationalMoldProductQualitySupervisionandInspectionCenter,Dongguan５２３８４６,China;
３．DongguanYidongElectronicsCo．,Ltd．,Dongguan５２３１２７,China)
Abstract:Thereasonsofendcrackingandspallingofa２５１steelplasticmouldsliderblockwereanalyzedby
meansofmacroanalysis,hardnesstesting,chemicalcompositionanalysis,fractureanalysis,metallographicexaminationandsoon．Theresultsshowthatwhiteandbrightdeteriorationlayerproducedatthethreadsurfaceduringelectricprocessingthreadholeofthesliderblock．Becausethedeteriorationlayerwasverybrittle,microcracksandspallingeasilyformedhereandbecamethefatiguecracksource．Undertheactionofalternatingstresscausedbytheboltspring,thecracks
propagatedoutwardsandextendedalongtheconcentricarclinearoundthethreadhole,andfinallyresultedintheendcrackingandspallingfailureofthesliderblock．Atthesametime,theseriousbandedandnetworkcarbidesreducedthematerialstrength,whichacceleratedthefatiguecrackingandspallingfailureprocessoftheslideblock．
Keywords:mold;silderblock;crackingandspalling;electricprocessingaffectedlayer;bandedcarbide;
networkcarbide;fatiguecracking
某家電公司塑料模具用滑塊座發(fā)生開裂失效,其材料為２５１０鋼,相當于國產(chǎn)材料９CrWMn冷作模具鋼.零件經(jīng)過熱加工鍛造、球化退火處理,然后進 行 淬、回 火 熱 處 理,硬 度 技 術(shù) 要 求 為 ５４~６０HRC,硬度實測值在５７~５８HRC.滑塊座在服役時發(fā)生 早 期 開 裂 剝 落 失 效,其 設(shè) 計 服 役 壽 命 為６個月,實際服役時間只有１５d(天),目測失效件開裂位于螺紋孔的端面,如圖１所示.筆者對該失效滑塊座進行了檢驗和分析,以查明其開裂原因,并據(jù)此提出了改進建議.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
滑塊座開裂處斷口以螺紋孔為中心,形成同心圓的疲勞擴展貝紋線向前推進.疲勞擴展的區(qū)域約占整個斷口面積的７０％,然后向四周快速擴展至最終斷裂,如圖２所示.圖２中上側(cè)及左側(cè)可見快速擴展的放射狀條紋,下側(cè)邊緣可見細條狀終斷剪切唇.由于滑塊座端面表層布滿蝕刻的花紋,在上側(cè)及左側(cè)的終斷區(qū)只能看到缺口狀的斷面,這種形貌特征容易與應(yīng)力集中的多臺階條紋相混淆,因此必須加以區(qū)分.
沿滑塊座斷口中心的螺紋孔部位垂直截取樣塊,由于該螺紋孔較深,未能截取到螺紋孔的底部,只保留從端面向里５個螺牙.圖３中右側(cè)為螺紋孔的外端面,其端面的斷口擴展部位已經(jīng)被線切割加工去除.由圖３可見,外層４個螺牙的齒頂已經(jīng)斷裂,而里層第５個螺牙的齒頂完好無損.
１．２ 硬度檢測
采用奧地利 QnessＧQ１５０型全自動數(shù)顯洛氏硬度計對失效滑塊座表面進行硬度檢測,結(jié)果如下:５７．０,５７．０,５７．５,５８．０,５７．０ HRC,符合技術(shù)要求的５４~６０HRC.
１．３ 化學成分分析
從失效滑塊座上取樣進行化學成分分析,試樣尺寸 為 ２５ mm×２５ mm×１５ mm,檢 測 設(shè) 備 FOUNDRYMASTERPRO 全譜直讀光譜儀,檢測依據(jù)為 GB/T１２９９－２０１４«工模具鋼».由表１可見,滑塊座材料的各元素含量均符合 GB/T１２９９－２０１４對９CrWMn冷作模具鋼成分的技術(shù)要求.
１．４ 掃描電鏡斷口分析
使用蔡司 EVO LS１５掃描電子顯微鏡對滑塊座斷口微觀形貌進行觀察.由圖４可見:疲勞推進線呈波浪形向前推進,并與螺紋孔邊緣平行;由于材料脆性開裂較為嚴重,因而疲勞開裂的形貌特征不明顯.疲勞擴展至應(yīng)力峰值處快速擴展的放射狀條紋更為顯著,放射狀棱線呈斷續(xù)分布,見圖５.
１．５ 能譜分析
對斷口試樣進行微區(qū)成分能譜分析,結(jié)果表明晶界處無磷、砷、銻、錫等低熔點夾雜物析出,表明夾雜第二相組織不是由回火脆造成的,可以排除回火脆的影響;沿晶亦無硫、錳等元素存在,因而也可以排除鍛
造過熱緩冷造成 MnS沿晶析出的可能,見圖６.
１．６ 金相檢驗
１．６．１ 非金屬夾雜物檢驗
非金屬夾雜物級別的高低對鋼材強度及韌性有較大影響,級別越低表明材料具有越高的純凈度,即具有更高的強度和韌性.依據(jù) GB/T１０５６１－２００５«鋼中非金屬夾雜物含量的測定———標準評級圖顯微檢驗法»對滑塊座非金屬夾雜物含量進行檢驗,同時依據(jù) GB/T１２９９－２０１４進行判定.由表２可見,滑塊座材料的非金屬夾雜物級別均滿足標準技術(shù)要求.
１．６．２ 顯微組織檢驗
失效滑塊座螺紋孔外面４個螺牙均沿齒頂中法線的垂直部位斷裂,且斷裂均沿帶狀碳化物條帶方向擴展,斷口附近存在嚴重的帶狀碳化物[１Ｇ２],圖７所示為距螺紋孔里層第４個螺牙齒頂沿帶狀碳化物的斷裂形貌;而第５個螺牙齒頂完整保留,如圖８所示.由圖７和圖８還可見,螺牙周邊均包裹明顯的白亮層.經(jīng)調(diào)查核實,該白亮層為螺紋內(nèi)孔經(jīng)過電加工造成的變質(zhì)層.螺紋孔端口處,圖９所示左側(cè)為斷口擴展的起始部位,在斷口與螺牙底槽連接處呈圓弧狀,齒槽下方的帶狀碳化物也呈圓弧狀分布,可以推斷螺牙齒槽經(jīng)過擠壓成型.齒槽表層凹凸不平,由于帶狀碳化物以及電加工變質(zhì)層的脆性影響,該處已經(jīng)產(chǎn)生表面剝落.螺紋孔內(nèi)螺牙表面經(jīng)過了電加工,經(jīng)測量電加工變質(zhì)層深達０．０５mm,見圖１０.該變質(zhì)層屬于高溫加熱甚至熔化后的快速冷卻淬火層,其硬度高且脆性大,極易造成缺陷表面拉向開裂[３].
螺栓與螺紋孔配合后,經(jīng)過外層螺母的擰緊,在螺栓的最外側(cè)幾扣螺牙處將產(chǎn)生極大的拉向應(yīng)力,螺紋孔的端口處螺牙將承受占整體拉向應(yīng)力６５％以上的拉應(yīng)力.由外向里螺栓與螺紋孔螺牙所承受的拉向應(yīng)力逐漸減小,第５個螺牙向里所承受的拉應(yīng)力可能只有不到整體拉向應(yīng)力的１０％.此為外層４個螺牙斷裂,而里層螺牙完好無損的原因[４].在螺紋孔螺牙的底槽部位,存在兩處表層拉向應(yīng)力的顯微裂紋,并由表面電加工變質(zhì)層向基體內(nèi)部擴展,裂 紋 呈 直 線 狀 穿 晶 開 裂,裂 紋 深 度 約 為０．１０mm,見圖１１和圖１２.
端面 開 裂 的 螺 紋 孔 內(nèi) 螺 牙 齒 頂 高 度 約 為０．８０mm,與齒頂高度方向垂直分布的帶狀碳化物嚴重,見圖１３.斷口附近未開裂的螺紋孔內(nèi)螺牙齒頂高度只有０．４０mm 左右,且?guī)钐蓟锏臈l帶寬度也相對減小,見圖１４.螺牙齒頂高度的降低,會使其抗彎強度大幅度提高;帶狀碳化物條帶寬度的減小,則會使材料的抗拉強度得到提升,因而未發(fā)生螺牙齒頂斷裂現(xiàn)象[５].
經(jīng)測量,基體顯微組織中帶狀碳化物條帶寬度達０．１７mm,見圖１５,依據(jù) GB/T１４９７９－１９９４«鋼的共晶碳化物不均勻度評定法»中合金工具鋼的第四評級圖評定,帶狀碳化物的級別達４級以上,帶狀級別嚴重.基體顯微組織中連續(xù)網(wǎng)狀碳化物亦普遍存在,見圖１６,依據(jù) GB/T１２９９－２０１４«工模具鋼»中的網(wǎng)狀碳化物規(guī)定評定為３級以上,屬于不合格級別[６].帶狀和網(wǎng)狀碳化物的大量存在,使材料的強度降低,脆性增大.
２ 分析與討論
帶狀碳化物是由高碳鋼鋼液凝固時形成的枝晶偏析引起的,在各枝晶之間和晶體二次軸之間富集碳和合金元素,從而引起材料成分和組織的不均勻性.這種鋼錠或連鑄坯經(jīng)熱軋后,高碳、高合金元素區(qū)域沿軋制方向被拉長,在鋼材中形成了帶狀碳化物.帶狀碳化物是從奧氏體中析出的二次碳化物,超標的帶狀碳化物對鋼的組織和力學性能均有嚴重危害,淬火后材料組織和硬度不均勻,力學性能呈現(xiàn)出明顯的各向異性.在電加工的瞬時高溫和工作液的快速冷卻作用下,零件表面經(jīng)線切割后形成變質(zhì)層,增加了表面拉應(yīng)力,并產(chǎn)生顯微裂紋等缺陷,嚴重影響模具的制造質(zhì)量和使用壽命.
電加工是利用瞬間放電能量的熱效應(yīng),使工件材料熔化、蒸發(fā)達到尺寸要求的加工方法.由于電加工的工作液多采用具有介電作用的液體,因此在電加工過程中還伴有一定的電解作用.電加工時的熱效應(yīng)和電解作用,通常使加工表面產(chǎn)生一定厚度的變質(zhì)層,變質(zhì)層的厚度隨脈沖電流的增大而變厚,從而導致電加工的模具容易發(fā)生早期開裂失效,縮短模具的使用壽命.由于帶狀碳化物的影響,螺紋孔距端面的４個螺牙齒頂都已經(jīng)斷裂.在螺栓擰緊的拉向應(yīng)力以及服役過程中彈簧產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下,螺紋孔端口螺牙底槽處的電加工變質(zhì)層首先產(chǎn)生剝落,成為疲勞裂紋源.在彈簧推動的交變應(yīng)力作用下,疲勞裂紋沿螺紋孔的四周擴展延伸,形成同心圓疲勞貝殼紋推進線,當其擴展到應(yīng)力峰值時,裂紋便會快速擴展直至螺紋孔端面發(fā)生整體開裂[７].
３ 結(jié)論及建議
該２５１０鋼塑料模具滑塊座表面失效模式為疲勞開裂;開裂的原因是材料中的帶狀及網(wǎng)狀碳化物分布較嚴重,使材料強度顯著降低,脆性明顯增大,特別是螺紋孔螺牙部位經(jīng)過電加工,產(chǎn)生了白亮色的脆性變質(zhì)層,最終造成滑塊座于螺紋孔端面處發(fā)生開裂剝落失效.對模具 的 原 材 料 必 須 嚴 格 執(zhí) 行 進 貨 檢 驗 制度.對于高 碳 工 具 鋼 材 料,還 必 須 檢 驗 原 材 料 的共晶碳化物 不 均 勻 度,各 項 指 標 均 檢 驗 合 格 后 方可接受.
為了改善模具材料性能和產(chǎn)品質(zhì)量,還必須對材料進行充分揉鍛,盡可能打碎帶狀及塊狀碳化物;并控制好鍛后冷卻速率,避免產(chǎn)生沿晶脆性的網(wǎng)狀碳化物.對于采用電加工的零件,應(yīng)進行低溫回火,消除電加工變質(zhì)層的脆性及零件表面的拉向應(yīng)力,延長零件的疲勞壽命.