某藥模底座失效分析

秦會(huì)常，賈波，王傳政，趙興儉，李宗江，張叢博，楊志傳

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)山東特種集團(tuán)有限公司，山東 淄博 255201)

1 工作原理及失效形式

某藥模底座用于某藥塊的生產(chǎn)，其所用材料Cr12是一種高鉻萊氏體鋼，沖子淬火溫度為1000℃。淬火采用260℃鹽浴分級(jí)淬火，然后260～300℃ 2次回火處理，工作原理如圖1所示。

2號(hào)工件在壓制45塊藥塊后發(fā)生斷裂，并導(dǎo)致整個(gè)藥模底座和模體爆炸損壞。文中結(jié)合模具材料技術(shù)要求、熱處理工藝、材料加工等進(jìn)行了深入調(diào)查與試驗(yàn)分析，對(duì)藥模底座損壞的原因進(jìn)行了分析，并提出了模具生產(chǎn)和使用改進(jìn)建議。

圖1 藥模底座工作原理Fig.1 Schemaitic diagram of work precedure of the punch for pressing powder block

2 理化檢測(cè)

2.1 化學(xué)成分分析

按照取樣標(biāo)準(zhǔn)要求，分別從2號(hào)斷裂藥模底座和已壓制19578塊藥塊的3號(hào)試樣上取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Table1 Chemicai composition analysis result %

從表1的結(jié)果可看出，2號(hào)、3號(hào)材料化學(xué)成分均符合Cr12成分的要求，但2號(hào)藥模底座的含碳量已經(jīng)處于標(biāo)準(zhǔn)要求的上限。

2.2 硬度檢測(cè)

從2號(hào)、3號(hào)斷裂藥模底座上進(jìn)行取樣，按要求進(jìn)行力學(xué)硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 硬度試驗(yàn)(HRC)Table2 Hardness test

硬度結(jié)果符合工藝驗(yàn)收要求。

2.3 金相檢測(cè)與分析

2.3.1 宏觀觀察

2號(hào)藥模底座斷裂形貌如圖2所示，藥模底座斷裂成3段。斷裂后由于受炸藥爆炸燃燒影響斷口表面呈現(xiàn)黑灰色，經(jīng)清洗后，斷口為明顯的細(xì)瓷狀灰色脆性斷口。藥模底座最前部斷口呈“斜坡”形，斷面可見(jiàn)明顯的放射狀撕裂棱線，臺(tái)階高度差大，由棱線收斂的方向可判斷裂紋起始于藥模底座底部轉(zhuǎn)角處，源區(qū)較平坦，與藥模底座軸線垂直，擴(kuò)展區(qū)粗糙，瞬斷區(qū)所占面積大，整個(gè)斷口高低不平，如圖4所示。源區(qū)側(cè)面可見(jiàn)較粗大的加工刀痕，如圖5所示。擴(kuò)展區(qū)粗糙，與藥模底座軸線基本呈30°角。

圖2 藥模底座斷裂后的形貌Fig.2 Fracture surface of the punch

圖3 前部側(cè)視圖Fig.3 Front side-view of the cracked punch

圖4 斷口源區(qū)低倍形貌Fig.4 Macroscopic view of the fracture origin

2.3.2 顯微組織檢測(cè)

圖5 斷口源區(qū)的粗大加工刀痕Fig.5 Rough machining tool marks on the fracture origin

圖6 后部俯視圖Fig.6 Rear top-view of the cracked punch

從2號(hào)、3號(hào)斷裂藥模底座上取樣，進(jìn)行金相顯微組織檢測(cè)，2號(hào)藥模底座斷裂處組織形貌分別如圖7、圖8、圖9所示?？梢钥闯?，2號(hào)藥模底座底部的金相顯微組織:基體組織為回火馬氏體+紡錘狀二次淬火馬氏體+較多塊狀、粒狀碳化物+極少量殘留奧氏體。基體中大部分碳化物呈網(wǎng)狀分布，部分趨網(wǎng)狀、帶狀分布，網(wǎng)角處有較多的碳化物堆積，碳化物組織呈較嚴(yán)重偏析分布。對(duì)照GB/T 1299—2000標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定:2號(hào)沖子的碳化物不均勻性級(jí)別約為4級(jí)。3號(hào)藥模底座的組織形貌如圖10所示:基體組織為回火馬氏體+少量的塊狀+粒狀碳化物+極少量殘留奧氏體?；w中碳化物分布較為均勻，碳化物不均勻性級(jí)別約為1級(jí)，材質(zhì)較為優(yōu)良。

圖7 2號(hào)藥模底座R角處的顯微組織Fig.7 Metallographic structure of the No.2 punch on rounding

2.3.3 電鏡掃描分析

圖8 2號(hào)藥模底座R角附近的顯微組織Fig.8 Metallographic structure near rounding of the No.2 punch

圖9 2號(hào)藥模底座遠(yuǎn)離裂紋處的顯微組織Fig.9 Metallographic structure far away from rounding of the No.2 punch

圖10 3號(hào)藥模底座的顯微組織Fig.10 Metallographic structure of the No.3 punch

2號(hào)藥模底型斷口源區(qū)高倍形貌如圖11所示，源區(qū)局部主要呈解理特征和少量的韌窩斷裂特征。擴(kuò)展區(qū)主要呈韌窩斷裂，另有少量解理斷裂，未見(jiàn)疲勞條帶特征，如圖12所示。瞬斷區(qū)也呈韌窩斷裂特征，如圖13所示。

圖11 源區(qū)高倍形貌Fig.11 Microscopic view of the fracture origin

圖12 擴(kuò)展區(qū)的韌窩斷裂形貌Fig.12 Dimple fracture features of the extending zone of the fracture

圖13 瞬斷區(qū)的韌窩斷裂形貌Fig.13 Dimple fracture features of the short rupture region of the fracture

3 藥模底座與壓藥沖子間隙配合

工藝設(shè)計(jì)圖紙要求的藥模底座與模體內(nèi)腔間隙為0.3～0.4 mm，通過(guò)檢查原始記錄，2號(hào)藥模底座與模體內(nèi)腔的間隙為0.3 mm;3號(hào)藥模底座與模體內(nèi)腔的間隙為0.4 mm。實(shí)際使用中還發(fā)現(xiàn):其它斷裂的藥模底座與模體接觸面也存在磨啃的痕跡，這說(shuō)明藥模底座與模體的配合間隙尺寸過(guò)小，間隙尺寸過(guò)小會(huì)導(dǎo)致藥模底座與模體的內(nèi)腔產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用，對(duì)模體與藥模底座的疲勞壽命均會(huì)造成不利的影響。

4 分析與討論

2號(hào)藥模底座斷口起始于藥模底座底部R角的尖銳、粗糙交接處，此處加工極為粗糙，存在粗大的加工刀痕。斷口形貌呈線源特征，源區(qū)較平坦，主要呈解理斷裂特征，另有少量的韌窩特征，擴(kuò)展區(qū)粗糙，呈韌窩斷裂特征。粗大的加工刀痕，使得藥模底座R角交接處產(chǎn)生了顯著的應(yīng)力集中;R角區(qū)域過(guò)渡不圓滑，也進(jìn)一步加劇了熱處理、機(jī)械加工過(guò)程中R角區(qū)域的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在R角交接區(qū)域形成裂紋源，因此，在受到壓藥較大的沖擊力作用時(shí)，發(fā)生了瞬間斷裂。

2號(hào)藥模底座底部R角附近的基體組織為回火馬氏體+少量殘余奧氏體+塊狀、粒狀、趨網(wǎng)狀、趨帶狀分布的碳化物，碳化物沒(méi)有鋒利的棱角，較為圓滑，藥模底座底部R角區(qū)域存在較多的白色紡錘形二次淬火區(qū)，產(chǎn)生了二次淬火馬氏體。這說(shuō)明:精加工時(shí)，磨削加工的工藝控制不當(dāng)，進(jìn)刀量太大，使得工件表面受磨削熱的作用，局部區(qū)域瞬間溫度達(dá)到了淬火溫度，在冷卻液及自身基體急冷下形成二次淬火，產(chǎn)生了二次淬火馬氏體。由于此種二次馬氏體硬度大、脆性高，因此導(dǎo)致藥模底座底部的脆性增加、應(yīng)力增強(qiáng)。

Cr12鋼屬高鉻微變形模具鋼，因含鉻量高使鋼的淬透性很好，組織中含有大量共晶碳化物，故又稱(chēng)萊氏體鋼。大量碳化物的存在不僅使鋼的硬度很高，而且能阻止晶粒長(zhǎng)大，可通過(guò)淬火加熱溫度來(lái)控制合金元素向奧氏體的溶解量，使得淬火后的奧氏體含量多，以抵消馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的體積膨脹，從而使模具能夠微變形或不變形[1－2]。由于2號(hào)藥模底座材料的碳化物級(jí)別為4級(jí)，碳化物大部分呈網(wǎng)狀和趨網(wǎng)狀分布，網(wǎng)角處有較多的碳化物堆積，且碳化物含量偏多。碳化物這種分布狀態(tài)使得材料基體的連續(xù)性被割裂，并在網(wǎng)角處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，致使藥模底座的綜合力學(xué)性能尤其是延展性下降，脆性增大，抗疲勞性能下降，所以在使用過(guò)程中極易發(fā)生脆性斷裂事故。由于3號(hào)藥模底座材料的金相顯微組織較佳，碳化物分布較為均勻，因此綜合力學(xué)性能要比2號(hào)藥模底座好。由此可見(jiàn)，鍛造質(zhì)量和原材料不佳也是2號(hào)藥模底座斷裂的重要原因。

由于模體內(nèi)腔與藥模底座的配合間隙尺寸過(guò)小，壓藥時(shí)，因較大的沖擊力作用，使模體內(nèi)腔與藥模底座易產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用，顯著降低二者的使用壽命。

綜合以上分析，得出2號(hào)藥模底座在使用過(guò)程中的斷裂屬脆性斷裂，產(chǎn)生斷裂的原因主要有以下幾點(diǎn)。

1)藥模底座R角交接處加工刀痕粗大、R角過(guò)渡不圓滑是藥模底座斷裂的主要原因。

2)磨削不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)生了二次淬火馬氏體，使得藥模底座底部的組織脆性增加、應(yīng)力增強(qiáng)，是藥模底座斷裂的重要原因。

3)2號(hào)藥模底座的材質(zhì)不良，含碳量偏高，尤其是其基體碳化物級(jí)別不合格、偏析較嚴(yán)重。

4)模體內(nèi)腔與藥模底座之間的間隙過(guò)小，導(dǎo)致模體內(nèi)腔與藥模底座間接觸、嗑啃。實(shí)際生產(chǎn)操作時(shí)裝藥過(guò)多，藥量分布不均等會(huì)造成壓藥時(shí)模體與藥模底座軸心的不同，使藥模底座與模體內(nèi)腔產(chǎn)生較大的應(yīng)力作用。

5 結(jié)語(yǔ)

為改進(jìn)藥模底座的質(zhì)量，延長(zhǎng)其壽命，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

1)改進(jìn)機(jī)加工藝。藥模底座各部位應(yīng)自然、圓滑過(guò)渡，要杜絕較粗大的加工刀痕出現(xiàn)。

2)進(jìn)行充分的熱壓力加工，尤其是熱鍛過(guò)程中要反復(fù)地鐓粗、拔長(zhǎng)，以打碎網(wǎng)狀共晶碳化物，消除或改善碳化物的不均勻性。

3)改進(jìn)熱處理工藝。由于藥模底座是承受沖擊載荷特別大的模具，硬度太大時(shí)，其柔韌性會(huì)較差，因此在保證工藝要求的前提下，熱處理后的硬度應(yīng)盡量取工藝要求的下限。藥模底座宜采用1000℃加熱，260℃左右分級(jí)淬火，然后采取2～3次260～290℃充分回火處理，并應(yīng)避開(kāi)300～375℃的回火脆性溫度區(qū)間。

4)改善藥模底座與模體內(nèi)腔間隙配合設(shè)計(jì)。藥模底座與模體內(nèi)腔的配合間隙不能過(guò)小，應(yīng)放大到0.6～1.2 mm。藥模底座與模體內(nèi)腔的粗糙度要低，直線度要好。

5)加強(qiáng)材質(zhì)控制與檢測(cè)，防止不合格材質(zhì)進(jìn)入生產(chǎn)過(guò)程，并嚴(yán)格按工藝進(jìn)行壓藥生產(chǎn)操作，防止模體與藥模底座不同軸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004:141－142.

[2]李炯輝，林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:663.