52CrNiMoVSi 熱作模具開(kāi)裂原因分析

熊路蘭 ， 陳衛(wèi)華 ， 何 文 ， 林星豪 ， 呂 晨 ， 劉聰仁 ， 艾云龍 ,*

（1. 南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌 330063；2. 江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 制造工程部，南昌 330024）

0 引言

熱作模具是應(yīng)用于熱變形加工及壓力鑄造的模具。由于工作環(huán)境的復(fù)雜性，熱作模具要具備較高的高溫強(qiáng)度、良好的韌性、良好的耐磨性、高的熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的耐熱疲勞性、高淬透性、良好的導(dǎo)熱性[1-2]。熱作模具的失效形式有變形失效、熱疲勞失效、斷裂失效、熱磨損失效[3]。而模具的使用壽命與原材料質(zhì)量、毛坯預(yù)處理、機(jī)加工、淬火回火和使用環(huán)節(jié)等息息相關(guān)[4]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5-6]介紹，80%～90%的斷裂事故是由疲勞引起的，通過(guò)無(wú)數(shù)的失效分析例子可知，非金屬夾雜物、孔隙、劃痕、腐蝕坑等是元件失效的根本原因，且不合理的形狀（設(shè)計(jì)）、材料缺陷或技術(shù)錯(cuò)誤（生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷）都會(huì)降低元器件的疲勞強(qiáng)度[7]。

本研究以開(kāi)裂的52CrNiMoVSi 熱作模具作為研究對(duì)象，對(duì)斷口進(jìn)行宏觀形貌觀察、化學(xué)成分鑒定、金相組織觀察、SEM 微觀組織觀察及硬度檢測(cè)，以確定其開(kāi)裂的原因，并提出改進(jìn)措施。

1 開(kāi)裂件概況

52CrNiMoVSi 熱作模具在進(jìn)行溫度為200～300 ℃熱模鍛過(guò)程時(shí)，正常工作一段時(shí)間后停止工作0.5 h，然后繼續(xù)模鍛時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂。該開(kāi)裂件使用壽命僅達(dá)到正常件的50%。模具的異常開(kāi)裂嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)運(yùn)作的進(jìn)行，對(duì)其開(kāi)裂原因進(jìn)行分析尤為重要和迫切。

2 檢驗(yàn)與分析

2.1 化學(xué)成分分析

對(duì)熱作模具鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明：該熱作模具的化學(xué)成分均在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 外觀觀察

52CrNiMoVSi 模具取樣位置如圖1 所示，開(kāi)裂位置如圖1b 所示。熱作模具整體無(wú)明顯變形，開(kāi)裂件裂紋從型腔圓角根部處向內(nèi)擴(kuò)展，且在擴(kuò)展過(guò)程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，裂紋開(kāi)始時(shí)較為平整，偏轉(zhuǎn)后更為曲折，呈現(xiàn)出人字形，而型腔圓角半徑較小，在工作過(guò)程中易引起過(guò)大的應(yīng)力集中而萌生裂紋，故型腔圓角處為裂紋源處[8]。

表 1 52CrNiMoVSi 熱作模具的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of 52CrNiMoVSi hot work die (mass fraction /%)

圖 1 熱作模具宏觀照片F(xiàn)ig.1 Macro photos of the failed hot work die

2.3 斷口分析

宏觀觀察裂紋斷口可見(jiàn)斷口無(wú)金屬光澤。使用丙酮-醋酸纖維素進(jìn)行斷口處理，在裂紋擴(kuò)展區(qū)有肉眼可見(jiàn)的疲勞弧帶，即疲勞區(qū)，斷口心部為裂紋擴(kuò)展偏轉(zhuǎn)區(qū)。斷面呈現(xiàn)出人字形，整體表現(xiàn)為疲勞斷裂特征，因此該開(kāi)裂方式主要為疲勞斷裂[9]（圖2）。

圖 2 斷口宏觀形貌圖Fig.2 Macro appearances of the fracture surface

圖 3 試樣斷口SEM 圖Fig.3 SEM image of sample fracture

表 2 斷口表面成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 2 Chemical composition of fracture surface (mass fraction /%)

圖3 為斷口的微觀形貌。從圖3a 的裂紋擴(kuò)展區(qū)可以觀察到許多疲勞弧帶，這進(jìn)一步證實(shí)了該件開(kāi)裂方式主要為疲勞斷裂。表2 為斷口成分的能譜分析，結(jié)果表明，裂紋源（圖3b）雜質(zhì)元素較多，為含Si、S、Ca、Al 等元素的氧化物[10]。由成分分析還可以看出，裂紋源處除了存在氧化物，并且其合金元素含量與非裂紋源處相差較大，說(shuō)明該失效件裂紋源處存在成分偏聚現(xiàn)象。

2.4 組織觀察與分析

對(duì)斷裂件平整部位打磨拋光后進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖4 所示?；w為下貝氏體+回火索氏體+少量回火馬氏體+少量殘余奧氏體，且基體中存在較多夾雜物，夾雜物等級(jí)為i≥2.5 級(jí)（圖4a、圖4b）。由 EDS 分析結(jié)果可知，夾雜物主要為少量A 類（硫化物類）、B 類（氧化鋁類）兩種非金屬夾雜物（圖5）。非金屬夾雜物容易作為疲勞裂紋源[11]，主要在機(jī)械制造過(guò)程中如軋制、鍛造、鑄造時(shí)，通過(guò)顆粒變形和破碎產(chǎn)生[12-14]。

圖 4 52CrNiMoVSi 試樣微觀組織Fig.4 Microstructure of 52CrNiMoVSi sample

圖4 c 為異常組織分布圖，從圖中可見(jiàn)，基體中某些區(qū)域集中性地出現(xiàn)大量的下貝氏體，在下貝氏體偏析的周圍，以偏析的形式出現(xiàn)大量的回火馬氏體及少量的回火索氏體與殘余奧氏體，這種大量偏析的出現(xiàn)，在很大程度上影響材料的力學(xué)性能。圖4d 為金相組織的SEM 圖，下貝氏體組織清晰可見(jiàn)，與金相顯微組織一致。

2.5 硬度分析

選取52CrNiMoVSi 熱作模具1#、2#試樣（圖1c）上不同截面（圖6）進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果如表3 所示。由此可知，熱作模具硬度為HRC 36.1～41.6，硬度值波動(dòng)范圍較大，且低于熱模鍛熱作模具鋼的服役要求（HRC 42.0～44.0）[15]。結(jié)合組織觀察結(jié)果可知，由于組織不均勻，導(dǎo)致材料的整體硬度不均勻，存在較多的軟點(diǎn)，這是造成材料失效斷裂的一個(gè)重要因素。

3 分析與討論

圖 5 夾雜物能譜分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Fig.5 EDS analysis of inclusions (mass fraction /%)

圖 6 52CrNiMoVSi 試樣硬度測(cè)試選區(qū)圖Fig.6 Hardness test of the constituency 52CrNiMoVSi

表 3 52CrNiMoVSi 不同區(qū)域硬度值Table 3 Hardness of 52CrNiMoVSi in different regions

檢測(cè)結(jié)果表明，52CrNiMoVSi 熱作模具以疲勞斷裂方式失效。通過(guò)對(duì)外觀觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋源位于工作面底部，裂紋從型腔圓角處向內(nèi)擴(kuò)展，此處圓角半徑過(guò)小，易受到較大的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂紋的萌生及擴(kuò)展，應(yīng)力集中是熱作模具失效的次要原因。通過(guò)對(duì)失效件微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，該熱作模具鋼基體組織中含有較多的非金屬夾雜物，為A 類（硫化物類）和B 類（氧化鋁類）兩種非金屬夾雜物，夾雜物等級(jí)i≥2.5 級(jí)，材料的潔凈度較低，降低了材料的疲勞強(qiáng)度，夾雜是熱作模具失效的主要原因；基體為下貝氏+回火索氏體+少量回火馬氏體+少量殘余奧氏體，并且存在較多的下貝氏體偏聚區(qū)，且在偏聚區(qū)還存在大量的回火馬氏體+少量的回火索氏體+殘余奧氏體。而基體組織的偏聚使得基體組織嚴(yán)重不均勻，并且導(dǎo)致該件硬度不均勻，硬度值偏差較大，出現(xiàn)較多的軟點(diǎn)。通過(guò)斷口微觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)，斷口裂紋源處雜質(zhì)元素較多，含有較多的氧化物及碳化物雜質(zhì)，在擴(kuò)展區(qū)有大量的疲勞弧帶，且元素分布不一致，偏差較大，表明該熱作模具存在元素偏聚現(xiàn)象。

由于52CrNiMoVSi 熱作模具基體組織不均勻，出現(xiàn)偏聚的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致材料硬度不均勻、偏差大，不滿足性能要求，而組織元素偏聚，且材料含有較多的硫化物和氧化鋁兩種非金屬夾雜物，原材料潔凈度較低，使得該熱作模具的疲勞強(qiáng)度大大降低。當(dāng)該件在熱模鍛時(shí)，由于型腔圓角半徑過(guò)小受到較大的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋萌生并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致模具開(kāi)裂失效。

4 結(jié)論與建議

1）52CrNiMoVSi 熱作模具開(kāi)裂為疲勞斷裂，型腔圓角處為裂紋源處。

2）52CrNiMoVSi 熱作模具開(kāi)裂的主要原因是非金屬夾雜物較多、基體組織不均勻，從而降低材料的疲勞強(qiáng)度，且在持續(xù)工作中型腔圓角處受到較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致模具鋼開(kāi)裂。

3）建議：控制非金屬夾雜物的含量，提高52CrNiMoVSi 熱作模具原材料質(zhì)量；增加型腔圓角半徑，避免使用中產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中。