瓶裝模具失效分析引發(fā)的思考

黃碧珍

（廣東省廣州市廣東省機(jī)械技師學(xué)院，廣東 廣州 510450）

飲料、食品、食用油、調(diào)味品、糖果、化妝品、洗滌用品、醫(yī)藥用品等塑料產(chǎn)品隨處可見(jiàn)，這些塑料瓶生產(chǎn)一般要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟：首先是注塑加工，形成瓶坯；然后將瓶坯吹塑形成常見(jiàn)的各種塑料瓶。瓶胚模具就是生產(chǎn)瓶坯的必備模具之一。常采用含Cr 元素高的合金鋼材作為模具材料，目的是提高模具鋼材的淬透性、硬度、耐磨性和抗氧化性等。一般小型模具，常采用Cr12、9SiCr 等，而大型模具一般用Cr12MoV（冷沖模）、5CrNiMo、5CrMnMo（熱做模具）等。常見(jiàn)的失效形式有磨損、變形、腐蝕等。

而實(shí)際生產(chǎn)中很多模具廠大都會(huì)采用進(jìn)口鋼材，因其綜合性能良好，具有較好的耐腐蝕性能等，故而往往容易在保管使用中忽視對(duì)存放環(huán)境的重視，從而引起模具失效。

ISO9001 國(guó)際質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)是迄今為止世界上最成熟的一套管理體系和標(biāo)準(zhǔn)。[2]ISO9001 質(zhì)量管理體系認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)是很多國(guó)家，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家多年來(lái)管理理論與管理實(shí)踐發(fā)展的總結(jié)，它體現(xiàn)了一種管理哲學(xué)和質(zhì)量管理方法及模式，已被世界上100 多個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用。[3]但很多企業(yè)為了節(jié)省成本往往不會(huì)建立完善的質(zhì)量管理體系，只是制定一些內(nèi)部管理文件，從而因小失大。

以下面案例來(lái)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

某模具公司有一套瓶胚模具，該模具材料為2083R 鋼，經(jīng)過(guò)真空熱處理，模具熱處理后在拋光過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拋光面上多個(gè)部位存在點(diǎn)缺陷。模具的外觀形貌如圖1 所示，其中圖1（a）圖為模具的整體外觀形貌，圖1（b）圖模具表面拋光面上點(diǎn)缺陷的局部放大?，F(xiàn)在我們對(duì)該模具材料進(jìn)行化學(xué)成分分析、點(diǎn)缺陷的微觀形貌分析、金相組織分析和硬度檢測(cè)，以確定模具表面點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的主要原因。

圖1 送檢模具及點(diǎn)缺陷的宏觀形貌

首先對(duì)圖1 所示的點(diǎn)缺陷切割分析試樣，并采用丙酮對(duì)其進(jìn)行多次的超聲清洗，然后對(duì)其進(jìn)行微觀形貌觀察和能譜分析。

點(diǎn)缺陷的微觀形貌如圖2 所示，其中圖2（a） 圖所示為點(diǎn)缺陷的低倍微觀形貌，圖2（b） 為圖2（a） 圖點(diǎn)缺陷的局部放大。

圖2 模具點(diǎn)缺陷表面的微觀形貌

缺陷微觀形貌評(píng)述：

模具表面局部區(qū)域分布有點(diǎn)缺陷，點(diǎn)缺陷的微觀形貌基本類同。點(diǎn)缺陷底部比較粗糙，而且晶粒晶界清晰顯現(xiàn)，表明點(diǎn)缺陷內(nèi)部存在腐蝕現(xiàn)象；點(diǎn)缺陷周圍比較光滑。點(diǎn)缺陷的微觀形貌表明，模具表面的點(diǎn)缺陷屬于點(diǎn)蝕缺陷，模具表面發(fā)生點(diǎn)蝕后表面進(jìn)行了拋光加工，但由于點(diǎn)蝕孔較深，拋光加工未能對(duì)點(diǎn)蝕孔完全清除而遺留下來(lái)。

氣流過(guò)山問(wèn)題是一個(gè)傳統(tǒng)的氣象中尺度問(wèn)題,它會(huì)造成在地形上空和下游的氣流擾動(dòng),大的擾動(dòng)能造成飛機(jī)顛簸,甚至引發(fā)空難,對(duì)航空安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響,同時(shí)深刻影響著天氣和氣候變化(池再香等,2011;陳學(xué)溶,2013;苗春生等,2017),故一直受到人們的關(guān)注。在動(dòng)力氣象學(xué)發(fā)展過(guò)程中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。

1 能譜分析

1.1 能譜分析結(jié)果

分別對(duì)點(diǎn)缺陷的缺陷底部和周圍正常區(qū)域進(jìn)行能譜分析（微區(qū)成分分析），其中點(diǎn)缺陷底部的能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖3，點(diǎn)缺陷周圍正常區(qū)域的能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖3 點(diǎn)缺陷的能譜分析結(jié)果

圖4 點(diǎn)缺陷周圍正常區(qū)域的能譜分析結(jié)果

1.2 能譜分析結(jié)果評(píng)述

從能譜分析結(jié)果可見(jiàn)，相對(duì)于正常區(qū)域，點(diǎn)缺陷底部成分中的Cr（鉻）元素和O（氧）元素含量均較高。該現(xiàn)象是由于Fe 元素因腐蝕溶解較多而較容易鈍化的Cr 元素溶解較少而產(chǎn)生富集。O 元素含量較高則是由于腐蝕引起的氧化有關(guān)。

特別說(shuō)明：能譜分析屬于元素定性半定量分析，特別對(duì)于原子序數(shù)較低的輕元素（如C、O、S、P 等）的分析準(zhǔn)確度較低，但對(duì)于重金屬元素分析準(zhǔn)確度相對(duì)較高。

2 材料化學(xué)成分檢測(cè)

2.1 檢測(cè)方法

采用德國(guó)WAS 公司的FOUNDRY-MASTER 臺(tái)式真空火花發(fā)射光譜儀對(duì)送檢模具材料進(jìn)行化學(xué)成分分析。

2.2 檢測(cè)結(jié)果

送檢模具材料化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，表中同時(shí)列出德國(guó)DIN 標(biāo)準(zhǔn)1.2083 鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分，以供比對(duì)。

表1 模具材料化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 檢測(cè)結(jié)果評(píng)述

根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果，送檢模具材料的合金元素含量符合德國(guó)DIN 標(biāo)準(zhǔn)1.2083 鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分含量要求，屬于1.2083 鋼。

3 材料金相組織分析

參照中國(guó)GB 標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 13298—1991 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法”，對(duì)模具點(diǎn)缺陷部位截取金相分析試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行冶金質(zhì)量分析和金相組織分析。

3.1 冶金質(zhì)量分析

（1）評(píng)定依據(jù)：參照“GB/T10561—2005 鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法”，對(duì)材料的非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)。

（2）微觀形貌：試樣金相磨面未經(jīng)浸蝕的微觀形貌如圖5 所示，其中圖5（a） 圖為材料心部區(qū)域的微觀形貌，圖5（b） 為圖5（a） 圖的局部放大，圖5（c） 圖為靠近表面點(diǎn)缺陷部位的微觀形貌，圖5（d） 為圖5（c） 靠近表面點(diǎn)缺陷的局部放大。

圖5 試樣金相觀察磨面未經(jīng)浸蝕的微觀形貌

（3）非金屬夾雜物等級(jí)評(píng)定結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 非金屬夾雜物評(píng)級(jí)

（4）冶金質(zhì)量評(píng)述：模具材料非金屬夾雜物主要為“ 點(diǎn)粒狀” 的氧化物類非金屬夾雜物，材料中的非金屬夾雜物數(shù)量適可，未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)缺陷部位材料存在異常的冶金質(zhì)量缺陷。根據(jù)中國(guó)GB 標(biāo)準(zhǔn)“GB/T 1299—2014 工模具鋼”，送檢模具材料的非金屬夾雜物等級(jí)符合電渣重熔鋼的等級(jí)要求。

說(shuō)明：在上述評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，A 類為硫化物類，B類為氧化鋁類，C 類為硅酸鹽類，D 類為球狀氧化物類，DS 類為單顆粒球狀類；最不良級(jí)別均為3 級(jí)，其中又以粗系為最。

3.2 金相組織分析

（1）金相觀察磨面浸蝕方法

苦味酸鹽酸乙醇溶液。

（2）材料顯微組織

（3）試樣金相觀察磨面經(jīng)浸蝕后的顯微組織圖像如圖6 所示，其中圖6（a） 為靠近拋光表面的顯微組織，6（b） 為6（a） 靠近表面的局部放大，6（c） 為材料心部區(qū)域的顯微組織，6（d） 為6（c） 圖的局部放大。

圖6 試樣觀察磨面經(jīng)浸蝕的顯微組織

（3）材料顯微組織評(píng)述：模具材料的金相組織主要為“回火馬氏體 + 少量殘余奧氏體 + 二次碳化物”，材料組織均勻，晶粒細(xì)小，晶粒度等級(jí)為9～10 級(jí)。未發(fā)現(xiàn)材料表面存在異常組織缺陷。

4 硬度檢測(cè)

4.1 檢驗(yàn)方法和依據(jù)

根據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) “GB/T 230.1—2018 金屬材料洛氏硬度試驗(yàn) 第1 部分 試驗(yàn)方法”，對(duì)送檢模具材料進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)。

4.2 檢測(cè)結(jié)果

送檢模具材料硬度為46.4～46.8 HRC。

4.3 硬度檢測(cè)結(jié)果評(píng)述

硬度檢測(cè)結(jié)果表明，送檢模具材料經(jīng)過(guò)淬火回火處理，材料硬度正常。

5 結(jié)論與分析

（1）模具材料合金元素含量完全符合德國(guó)DIN 標(biāo)準(zhǔn)的1.2083 鋼的化學(xué)成分含量要求，材料純凈度符合電渣重熔鋼的等級(jí)要求。

（2）未發(fā)現(xiàn)模具材料存在異常冶金質(zhì)量缺陷。

（3）模具表面點(diǎn)缺陷實(shí)際上為模具表面發(fā)生點(diǎn)腐蝕引起局部點(diǎn)缺陷。

（4）模具材料組織正常，其發(fā)生點(diǎn)腐蝕主要與環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)有關(guān)，因此建議對(duì)模具進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆冷P處理。

（5）建立完善的質(zhì)量管理制度。