文档介绍：模具失效的案例分析班级: 材料 11302 班组号: 第 07 组组员:陈帅挥徐文涵张栋 H13钢汽车热锻模具失效机理分析 1 )模具及材料基本概况 2)模具失效的分析手段 3 )模具失效的分析及结论 4)解决措施 H13钢汽车热锻模具失效机理分析 1)模具及材料基本概况: 模具材料及模具加工方式: 目前,国内汽车热锻模具钢大都采用 H 系列钢,具有较高的高温强度和抗回火能力,红硬性好,且有良好的抗高温疲劳腐蚀性能。此次分析的热锻模材料均为 H13 模具钢, 钢号 4Cr5MoSiV1 , 其标准材料的化学成分如表 1 所示。热锻模具材料的热处理工艺流程为: 去应力退火→淬火→3 次回火,模具表面还进行了氮化处理, 最终洛氏硬度(HRC) 在49 ~50. 模具的工作环境及寿命此次分析的汽车热锻模具应用于轴类毛坯件的粗锻阶段,胚料初始温度 1200 ~1300 ℃,由于热作模具的工作面往往与高温坯料直接触,模具型腔的瞬时温度可达 600 ~700 ℃。另外,模具工作中需采用喷水冷却,持续时间大约在 ~,这样使得模具在工作中产生周期性的温度变化,冷热交替循环易引起热疲劳。模具使用寿命调查发现,使用寿命较短的热锻模具在 1600~1800 件, 使用寿命较长的在 5500~7000 件,模具平均寿命在 4000~5000 件, 寿命很不稳定, 而国外同类模具使用寿命一般在 1万件以上。 2)模具失效的分析手段表面宏观分析对失效热锻模工作面宏观形貌观察,大部分失效热锻模都是在表面出现了不同程度的损伤,表面的磨痕清晰可见:沟痕、划伤、粘着磨损现象。除磨损外,还有大量的冷热疲劳裂纹,呈网状 (龟裂状)或放射状分布。裂纹处的显微形貌为进一步观察裂纹部位的细节,选取了具有典型裂纹的上模下端面的失效部位,用线切割机切割裂纹部位,进行取样分析,样件尺寸 10mmX 10mmX 6 mm。通 Philpsquant-200 型扫描电子显微镜进行观测,得到了不同倍数的扫描电镜图片, 可以看到,在失效模具表面边缘处出现大量的蚀点,边缘磨损严重,失去形状。模具表面分布裂纹,裂纹深浅程度不一,主裂纹周围伴有大量细小裂纹,靠近模具端部的细小裂纹已经纵横沟通,由边缘向内部延伸。裂纹内有氧化物夹杂,并且模具端部裂纹表面有部分脱落,脱落部分面积大约有 200 mm x 80 mm大小。模具材料的表层组织发生变化,有表面氧化现象。能谱分析为了更深入地研究模具失效的原因,鉴定裂纹内外元素含量的变化及合金元素扩散的情况, 进行了裂纹区域的能谱分析(EDS) 。为便于比较,在试样上选取了位于裂纹处及基体上的A,B 两个点进行扫描,利用 GENESIS 型能谱分析仪,从而得到了裂纹内及基体处的 EDS 图谱。裂纹 A与裂纹 B处的元素情况 3)模具失效的分析及结论裂纹处的扫描图谱中没有发现合金元素 M n ,M o , V ,Si,裂纹附近的合金元素也发生了变化——合金元素含量改变。由此可知,在高温腐蚀的环境作用下,失效模具钢表面的合金元素进行了重新分布,裂纹处的合金元素 M n , M o ,V ,Cr 的含量大幅降低,导致模具材料的局部强度下降,形成可能的裂纹萌生源。这种初始裂纹在外载荷, 尤其是强烈的冲击载荷和冷热交替循环产生的交变热应力作用下,极易增长。扩展的裂纹逐渐沟通融合,即可产生宏观裂纹,产生龟裂现象。此外,在高温腐蚀下模具表面产生氧化物,脆性氧化物的脱落降低了模具表的耐磨性和抗氧化性,加速了表层磨损,最终导致模具失效。对裂纹深处的进一步研究表明,穿过表层的裂纹内未见有脱碳,裂纹内部也未见氧化现象,所以,可以Ƒ为裂纹不是由热处理产生的。裂纹内及裂纹附近均出现了氧元素,裂纹处的含量更高,模具钢表面发生了氧化腐蚀,且裂纹处氧化严重。显微硬度分析利用 ƒM-300 Ɠ氏显微硬度Ɣ测定了裂附近的显微硬度。从测量结ƕ看,可以观察到失效模表面有一退化层,其深度在300 ~800m Ɩ间,退化层上分布有裂纹ƗƘ靠近材料表面硬度ƙƘ低,硬度ƙ的变化ƚ围在 195 ~455HV Ɩ间,而 H13 模具钢原始硬度应在 500 HV ƛƜ 。而且模具钢表面经过高温氧化腐蚀Ɲ ,材料内化学元素含量的比例发生改变, 合金元重新分布,且Ƙ靠近表面的部位合金元素降低Ƙ严重,硬度也ƞƖ下降的ƘƟ,由此可以Ơơ, 硬度的改变是由材料内元素成分的变化引起的, 图中Ƣ出了显微硬度分布结ƕ 。由上ƣ试Ƥ分析可知,在高温高ƥ的工作环境中,材料表面成分改变,局部表面合金元素的降低,直接导致了模具材料性能的下降,在强烈的冲击及热疲劳载荷作用下,在Ʀ部位Ƨƨ出现Ʃ损,显ƪ,引起热锻模具失效的初始Ʃƫ是从材料的表面Ƭ始的。初始Ʃ损