車輪鍛壓模具用下芯棒斷裂原因

龐晉龍,萬志健,李 新

(1.寶武集團(tuán) 馬鋼軌交材料科技有限公司，馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術(shù)中心，馬鞍山 243000)

輾鋼車輪生產(chǎn)工藝包括較大的塑性變形，該工藝有助于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，是車輪制造廠采用的主要生產(chǎn)工藝。輾鋼車輪成形的工序?yàn)椋侯A(yù)成形→成形→軋制擴(kuò)徑→壓彎沖孔[1]。車輪成形所用鍛壓力較大，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各模具受力較大。下芯棒是車輪成形工序所用的重要模具之一，材料為5CrMnMo鋼，在車輪成形過程中，下芯棒的主要作用是分配車輪金屬。

某廠作用的下芯棒模具頻繁發(fā)生斷裂，導(dǎo)致車輪生產(chǎn)線停產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法，分析了下芯棒的斷裂原因，并提出預(yù)防措施，以避免該類事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂下芯棒的宏觀形貌如圖1所示，可見下芯棒從R角處裂開，被撕裂成多塊。下芯棒尺寸及斷裂位置如圖2所示。

圖1 斷裂下芯棒的宏觀形貌

圖2 斷裂下芯棒尺寸及斷裂位置示意

在下芯棒斷口處取樣進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷裂為多源脆性斷裂，裂紋源起始于下芯棒R角區(qū)域；裂紋由下芯棒R角處向內(nèi)擴(kuò)展，裂紋快速擴(kuò)展區(qū)的面積最大，導(dǎo)致芯棒斷裂為多塊[2]。

圖3 下芯棒斷口處宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂下芯棒上取樣，用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見下芯棒的化學(xué)成分符合GB/T 1299—2014 《工模具鋼》對(duì)5CrMnMo鋼的要求。

表1 斷裂下芯棒的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 SEM分析

在下芯棒斷口處取樣，用SEM進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷裂起源于R角處表面，斷裂起源處局部區(qū)域呈沿晶斷裂；脆性區(qū)部分晶粒內(nèi)部呈脆性解理斷裂,晶界附近有韌窩形貌；斷口絕大部分區(qū)域?yàn)榭焖贁U(kuò)展區(qū)，微觀形貌為準(zhǔn)解理斷裂；斷口上未見明顯夾雜物等原始冶金缺陷，未發(fā)現(xiàn)明顯的其他缺陷。

圖4 下芯棒斷口處的SEM形貌

1.4 硬度測(cè)試

采用洛氏硬度計(jì)對(duì)下芯棒R角處的斷面進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示，可見R角處的斷面硬度都符合設(shè)計(jì)要求，未見異常。

表2 下芯棒R角處斷面的洛氏硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

1.5 金相檢驗(yàn)

在下芯棒斷口處取樣，并進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷裂起源處可見一些微裂紋，起源處未見冶金缺陷，裂紋內(nèi)未見夾雜物；試樣顯微組織不均勻，可見黑白區(qū)，黑區(qū)顯微組織為索氏體，白區(qū)顯微組織為貝氏體；試樣內(nèi)部可見鋸齒形裂紋，裂紋內(nèi)未見非金屬夾雜物，裂紋處沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷；斷口的裂紋擴(kuò)展形式為穿晶斷裂,判斷為脆性斷裂。

圖5 下芯棒斷口處的顯微組織形貌

2 綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，下芯棒的化學(xué)成分、硬度及顯微組織等都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求。對(duì)下芯棒的服役環(huán)境進(jìn)行調(diào)查可知，在車輪成形的鍛壓和脫模過程中，下芯棒都承受著瞬間大沖擊載荷。下芯棒是由芯棒桿體與尾部組成的階梯軸式工件，桿體與尾桿之間有較大的尺寸變化，在芯棒尾部受力時(shí)，發(fā)生尺寸變化的位置會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。下芯棒多次在R角處發(fā)生斷裂，可推斷出下芯棒R角處是應(yīng)力集中區(qū)，R角處一旦萌生裂紋，在多次受力的情況下，裂紋會(huì)快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致下芯棒斷裂[3-6]。

3 改進(jìn)措施

對(duì)于階梯軸類的工件而言，在其他條件相同的情況下，工件過渡圓角半徑與軸半徑之比越小，階梯兩側(cè)尺寸變化越大，有效應(yīng)力集中因數(shù)越大，工件對(duì)應(yīng)力集中越敏感[7]。采用增大尾桿直徑以及過渡圓角半徑等方法，可以減小應(yīng)力集中對(duì)下芯棒尾部壽命的影響。對(duì)下芯棒R角尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將倒圓角半徑由2 mm改為10 mm，可以避免下芯棒在R角處的應(yīng)力集中。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，改進(jìn)后的下芯棒未再次發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論與建議

下芯棒的化學(xué)成分、硬度、顯微組織等均符合要求。下芯棒斷裂原因?yàn)椋篟角尺寸偏小，在R角處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致下芯棒發(fā)生斷裂。下芯棒為多源脆性斷裂，裂紋由下芯棒R角處向內(nèi)擴(kuò)展。

對(duì)下芯棒R角處尺寸進(jìn)行優(yōu)化，減小R角半徑，可以避免再次發(fā)生該類芯棒斷裂事故。