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 6mm。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。
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,可以认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 FM-300维氏显微硬度计测定了裂附近的显微硬度。从测量结果看,可以观察到失效模表面有一退化层,其深度在300~800m之间,退化层上分布有裂纹;越靠近材料表面硬度值越低,硬度值的变化范围在 195~455HV 之间,而H13 模具钢原始硬度应在 500 HV左右。而且模具钢表面经过高温氧化腐蚀后,材料内化学元素含量的比例发生改变,合金元重新分布,且越靠近表面的部位合金元素降低越严重,硬度也随之下降的越快,由此可以推断,硬度的改变是由材料内元素成分的变化引起的, 图中给出了显微硬度分布结果。由上述试验分析可知,在高温高压的工作环境中,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,在该部位首先出现破损,显然,引起热锻模具失效的初始破坏是从材料的表面开始的。初始破损在冲击载荷和热疲劳载荷交替作用下,不断扩展延伸,相互贯通,形成宏观裂纹,加上表面的高温氧化作用,形成脆性氧化物,脆性氧化物的抗疲劳性能较差,容易引起脱落,这样在有些失效模具上就出现了边缘部位表面的大面积脱落。
某失效模具钢表层材料的硬度变化曲线