本公司常用的11811半軸擺輾模具，經(jīng)常發(fā)生早期開裂失效，甚至鍛造幾件產(chǎn)品就會(huì)使模具裂為兩半。
1.簡要說明
11811半軸擺輾模具，材質(zhì)為H13熱鍛模具鋼，相當(dāng)于國產(chǎn)材料4Cr5MoSiV1鋼，該鋼具有高的淬透性、抗熱裂能力和良好的耐熱性，在較高溫度時(shí)具有較好的強(qiáng)度和硬度，較高的耐磨性和韌性，優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和抗回火穩(wěn)定性。
H13鋼半軸擺輾模具，在使用過程中只加工3～4件鍛件就發(fā)生開裂。開裂部位位于模具中心凸起的蘑菇頭中間，并呈整體剝落的開裂形態(tài)（見圖1）。我們對該早期開裂失效的模具，進(jìn)行理化檢測和分析，排查事故發(fā)生的原因，尋找解決問題的辦法和措施，使生產(chǎn)加工步入正常，滿足產(chǎn)品的正常交貨期，極大地提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
2.宏觀觀察
目測半軸擺輾模具斷口中心部位有兩條清晰的同心圓弧線，圖示下側(cè)第一條弧線的邊緣顯示明顯的多臺階條紋，屬于應(yīng)力集中擴(kuò)展的特征條帶。斷口上部左右兩側(cè)各有一個(gè)很深的凹槽，這是用來加工半軸法蘭盤外端面的定位耳模腔。右側(cè)定位耳模腔的下側(cè)邊緣有略帶弧形的多源臺階條紋，沿條紋處裂紋擴(kuò)展并向下向左呈環(huán)形向前推進(jìn)，直至左側(cè)定位耳模腔處。斷口顯示二次裂紋沿第一次環(huán)形裂紋擴(kuò)展的終止弧線形成一排多源臺階條紋，繼續(xù)向上（模具中心部位）擴(kuò)展，直至上側(cè)第二條弧線處。在第二條弧線以上的斷口區(qū)域，裂紋迅速擴(kuò)展至蘑菇頭中間裂開。由此可見第二條弧線以上為裂紋瞬間斷裂區(qū)，瞬斷區(qū)斷口隱約可見粗晶奈狀斷口，這是過熱組織的特征形貌（見圖2）。
半軸擺輾模具中心斷裂掉下的半個(gè)蘑菇頭，蘑菇頭的斷口對應(yīng)于半軸擺輾模具斷口，圖示上部分的第一條弧線為一次裂紋終止線，弧線上的多源臺階條紋更為清晰，下部分的第二條弧線更為突出，整體的斷口立體感更強(qiáng)，對分析說明更具說服力（見圖3）。
由蘑菇頭表面可以看到左右兩側(cè)定位耳模腔的形態(tài)，模腔的上部凹槽都已經(jīng)裂開，下部凹槽保存完好。右側(cè)定位耳模腔對應(yīng)于模具開裂的裂紋源區(qū)，且斷口處無明顯變形。左側(cè)定位耳模腔斷口邊緣有少量受擠壓損傷的翹曲變形，表明裂紋擴(kuò)展到最后斷開時(shí)，整體掀起產(chǎn)生的擠壓變形，更加佐證了左側(cè)定位耳模腔開裂屬于斷裂后期產(chǎn)生的。對斷裂脫開的半只蘑菇頭線切割截取樣塊，進(jìn)行理化檢測分析。
取樣部位如圖所示，1～3#樣件均沿?cái)嗫谶吘壍拇怪辈课唤厝 Ｌ貏e說明，由于宏觀觀察定位耳模腔底部凹槽較為尖銳，而且斷裂均沿模腔底部凹槽邊緣形成。為了查明該斷裂面是否存在R角過小的應(yīng)力集中現(xiàn)象，故沿左右兩側(cè)模腔中間部位各截取一塊樣件。同時(shí)在斷裂的蘑菇頭中心部位截取樣件，這是為了檢查多次裂紋在擴(kuò)展過程中，各個(gè)階段的斷口特征形貌及組織變化形態(tài)（見圖4）。
3.化學(xué)分析
在開裂失效的半軸擺輾模具上截取樣塊，樣塊尺寸為25mm×25mm×15mm（長×寬×厚），對此進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀。檢查結(jié)果（見附表）表明，化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。
4.金相檢測
1#樣件為模具左側(cè)定位耳模腔中間部位，金相組織顯示模腔凹槽底部的R角過小，經(jīng)測量R角半徑只有0.40mm。文獻(xiàn)資料規(guī)定，正常加工的臺階及凹槽的R角半徑必須控制在0.50mm以上，否則應(yīng)力集中將會(huì)非常大，極易造成熱處理淬火及使用開裂。
金相組織進(jìn)一步觀察，沿R角的圓弧面有長短不等的三條裂紋，每條裂紋都幾乎垂直于R角的圓弧面，裂紋深度均在0.10mm以下（見圖5）。高倍率金相檢測，第一條裂紋最長，裂紋開口及尾部的間隙寬度基本相同，連接尾部的是一顆淺灰色非金屬夾雜物，且夾雜物的頭部已經(jīng)在高溫下熔融為孔洞。低熔點(diǎn)夾雜物熔化的溫度最低在1200℃左右，表明模具的加熱溫度應(yīng)該在此溫度以上（見圖6）。第二條裂紋為中間短一點(diǎn)的裂紋，尾部同樣為圓鈍狀，裂紋間隙內(nèi)充滿高溫氧化物，裂紋的四周與模腔表面的組織相同，同樣存在輕微的氧化脫碳現(xiàn)象，該處的裂紋屬于制模過程鍛造的擠壓折疊裂紋（見圖7）。第三條裂紋最短，該裂紋與第二條裂紋形成原因相同，且裂紋周圍的氧化脫碳現(xiàn)象更為明顯（見圖8）。
2#樣件為模具右側(cè)定位耳模腔中間部位，圖示模腔凹槽底部沒有R角，幾乎為直角，該處的應(yīng)力集中理論值為無窮大。在凹槽底部的直角處明顯可見一條粗短狀的裂紋（見圖9）。圖片進(jìn)一步放大，可以清晰的觀察到開裂處呈V字型的開口裂紋，裂紋間隙兩側(cè)布滿淺灰色高溫氧化物，圓鈍的裂紋尾部連接一條細(xì)長的裂紋。裂紋的左側(cè)邊緣還有一塊長條狀的疑似非金屬夾雜物。裂紋開口至尾部圓鈍處，應(yīng)該屬于制模鍛造的擠壓折疊裂紋，細(xì)長的裂紋屬于應(yīng)力擴(kuò)展裂紋（見圖10）。
3#樣件為開裂的蘑菇頭中間部位，沿圖2斷口所示的第一條弧線的下側(cè)區(qū)域觀察，斷口呈近似筆直的穿晶斷裂形態(tài)，斷口表層有一層極薄的淺灰色氧化物層。該處裂紋應(yīng)該屬于快速擴(kuò)展的應(yīng)力開裂裂紋，由斷口表層覆蓋的薄層氧化物得知，斷口表面經(jīng)過高溫氧化，因此可以推斷該處裂紋屬于熱處理淬火應(yīng)力開裂。斷口附近的基體組織較為粗大，斷口上部白亮色的圓形斑點(diǎn)，為線切割過程中鉬絲熔化的顆粒（見圖11）。在第一條弧線與第二條弧線之間區(qū)域進(jìn)行觀察，斷口呈曲折的沿晶開裂。斷口左側(cè)圓弧狀的凹坑，為裂紋擴(kuò)展引起的夾雜物脫落坑。斷口右側(cè)呈直角形的凹坑，為過熱引起晶間弱化的晶粒脫落坑。斷口附近組織極為粗大，表明材料的加熱溫度非常高（見圖12）。局部區(qū)域沿晶開裂斷口顯示晶粒更為粗大，斷口處可見凸起的整顆粗大晶粒（見圖13）。沿第二條弧線以上區(qū)域進(jìn)行觀察，斷口又呈現(xiàn)筆直的穿晶形態(tài)，但斷口表層已經(jīng)沒有氧化物覆蓋，因而符合裂紋擴(kuò)展終斷區(qū)瞬間斷裂的特征，裂紋附近的基體組織仍然相當(dāng)粗大（見圖14）。
對3#樣件的金相組織進(jìn)行低倍率觀察，基體組織中不均勻分布的粗晶斑異常明顯，表明材料過熱現(xiàn)象較為嚴(yán)重（見圖15）。高倍率觀察下，粗晶斑區(qū)域顯示馬氏體位向組織粗大，局部區(qū)域甚至出現(xiàn)極粗大的框欄狀組織，但球粒狀回火索氏體的調(diào)質(zhì)組織仍然可以辨別（見圖16）。基體組織中存在較多量的黑色斑點(diǎn)，這種黑色斑點(diǎn)組織是非金屬夾雜物熔融的孔洞。由于熔融的孔洞周圍氧化及貧碳貧合金，淬透性顯著降低[8]。熱處理淬火過程中，過冷奧氏體發(fā)生相變，轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏那象w組織，這也是材料過熱的特征組織（見圖17）。夾雜物顆粒大的孔洞周圍，氧化及回火色澤明顯一點(diǎn)，但黑色的屈氏體組織顯示不太清晰。夾雜物顆粒小一點(diǎn)的孔洞周圍，黑色的屈氏體更為明顯（見圖18）。
5.結(jié)論分析
11811半軸擺輾模具制模鍛造時(shí)，在定位耳模腔凹槽處留下過小的R角及尖角，同時(shí)由于該處的擠壓變形量過大，已經(jīng)造成擠壓折疊裂紋。模腔凹槽處過小的R角及尖角，在熱處理淬火過程中，造成極強(qiáng)的應(yīng)力集中開裂，原始的鍛造折疊裂紋使開裂進(jìn)一步擴(kuò)展，并向前推進(jìn)形成環(huán)狀裂紋的第一條弧線。模具使用服役時(shí)，在鍛造應(yīng)力作用下，裂紋沿第一條弧線形成多源臺階繼續(xù)向模具中心擴(kuò)展，直至第二條弧線處。此時(shí)擴(kuò)展的斷口已經(jīng)足夠大，剩余的截面已無法承受鍛造加工的實(shí)際應(yīng)力，裂紋因此迅速擴(kuò)展，形成傾斜的切向應(yīng)力瞬斷區(qū)，最終造成模具中心的蘑菇頭斷裂。
由非金屬夾雜物熔融的孔洞及不規(guī)則的粗晶斑得知，材料組織過熱是在模具制造過程中就已經(jīng)產(chǎn)生。由于加熱溫度高且溫度在1200℃以上，晶粒急劇長大形成粗大組織，這種粗大的過熱組織在后期熱處理過程中難以消除。粗大的過熱組織帶來晶間弱化及脆化，同時(shí)非金屬夾雜物熔化的孔洞使基體強(qiáng)度顯著降低，因而進(jìn)一步降低材料的強(qiáng)度和韌性，增加模具制模鍛造過程、熱處理淬火過程以及模具使用服役過程的開裂傾向。
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