金林奎1,2，歐海龍1,2，黃持偉1,2，阮育煌,3，鄒文奇1,2
（1.廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心，廣東，523808；
2.國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東，523808；
3.東莞市奕東電子有限公司，廣東，523808）
摘要：對Stavax ESR鋼洗衣機(jī)面板模具開裂失效件，進(jìn)行理化檢測和分析。檢測結(jié)果表明，由于模具裂紋源已經(jīng)破壞，難以確定裂紋的首要原因。模具開裂的內(nèi)在原因，是由于組織中沿晶界殘留未溶顆粒狀及薄片狀碳化物，材料的強(qiáng)度急劇降低，脆性顯著增大，最終造成模具的早期開裂失效。模具在熱加工過程中工藝不規(guī)范，碳化物沿晶界析出形成網(wǎng)狀碳化物。最終熱處理加熱保溫過程中，網(wǎng)狀碳化物經(jīng)過固溶和聚集，形成未溶顆粒狀及薄片狀碳化物。熱處理加熱過程的熱應(yīng)力以及淬火過程的組織應(yīng)力，在未溶顆粒狀及薄片狀碳化物周圍產(chǎn)生內(nèi)裂紋。模具冷卻水孔的機(jī)加工過程，使沿晶開裂特征的內(nèi)裂紋顯露出來。模具服役承載時(shí)產(chǎn)生的工作應(yīng)力，促使裂紋的進(jìn)一步萌生和擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)狀碳化物；顆粒狀碳化物；薄片狀碳化物；熱應(yīng)力；組織應(yīng)力。
Analysis of the causes of die cracking for Stavax ESR steel washing machine
Jin Linkui1,2，Ou Hailong1,2， Huang Chiwei1,2，Ruan Yuhuang 3，Zou Wenqi1,2
（1.Guangdong Dongguan Quality Supervision Testing Center, Dongguan 523808, China
2. National mold product quality supervision and inspection center, Dongguan 523808, China
3. Midea group household air-conditioning division, foshan 528311, China）
Abstract: The Stavax ESR steel washing machine panel mold cracking failure pieces, physical and chemical testing and analysis. The test results show that it is difficult to determine the primary cause of the crack because the mold crack source has been destroyed. The internal cause of the cracking of the mold is that the strength of the material decreases sharply and the brittleness increases significantly, resulting in the early cracking failure of the mold due to the residual insoluble granularity and flaky carbide along the grain boundary. Mold in the hot process is not standardized process, carbide precipitation along the grain boundary to form a network of carbide. The final heat treatment during heating and heating process, the network carbide through the solid solution and aggregation, the formation of undissolved granular and flaky carbide. Heat treatment The thermal stress during the heating process and the microstructural stress during the quenching process produce internal cracks around the undissolved granular and flaky carbides. Mold cooling water hole of the machining process, so that the characteristics of the cracks along the cracks exposed. Mold work load bearing the work stress, to promote the further initiation and expansion of the crack.
Key words: Keywords carbide; particulate carbide; flaky carbide; thermal stress; tissue stress.
中圖分類號:TG147 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: B 文章編號:
Stavax ESR鋼屬于耐腐蝕的模具鋼，它具有較高的耐腐蝕性和拋光性能，同時(shí)有優(yōu)良的耐磨性和機(jī)加工性能。模具制品長期使用后，模腔表面仍然保持光滑狀態(tài)。由于該鋼種有較強(qiáng)的耐腐蝕性，模具可以潮濕的環(huán)境下存放和使用，不需要特別的保護(hù)。模具冷卻水道不受腐蝕的影響，冷卻效率在模具使用過程中保持穩(wěn)定，確保模具穩(wěn)定的成形效果。模具鋼在正常制造條件下，為了能夠得到所規(guī)定的質(zhì)量要求，必須嚴(yán)格控制材料中硫、磷元素的含量，并將錳元素含量保持在較低水平，以減少淬火過程的變形和開裂傾向。同時(shí)模具材料的熱處理過程至關(guān)重要，它能保證模具制品的使用性能。
1.宏觀檢查
該模具失效件的材料一勝百公司提供的Stavax ESR塑料模具鋼，并由該公司負(fù)責(zé)模具的熱處理加工。該模具的整體外形尺寸為長700mm×寬300mm×厚100mm，模具開裂部位位于壁厚處的冷卻水孔邊緣。模具發(fā)生早期開裂失效后，材料及熱處理加工的廠家派員前來處理，并在模具開裂部位取樣進(jìn)行檢測（見圖1）。在截取樣塊后的殘留部位，仍然可以看到冷卻水孔邊緣的裂紋，該裂紋已經(jīng)穿透模具的整個(gè)壁厚并向下延伸。經(jīng)測量，裂紋的擴(kuò)展深度達(dá)100mm，且裂紋呈剛直的脆性開裂特征形貌（見圖2）。
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由模具冷卻水孔邊緣壁厚處開裂的樣塊，觀察到裂紋呈筆直的開裂狀態(tài)。對應(yīng)冷卻水孔另一側(cè)的開裂樣塊，已經(jīng)被材料供應(yīng)商廠家取走（見圖3）。打開冷卻水孔開裂樣塊，目測斷口表面平坦，斷面的上下兩側(cè)有數(shù)條放射狀人字形條紋，人字紋收斂處指向冷卻水孔開口處，該部位屬于裂紋擴(kuò)展的起始部位。放射狀條紋附近隱約可見二次裂紋，斷口呈現(xiàn)脆性開裂的特征形貌⑴（見圖4）。由于裂紋源已經(jīng)在機(jī)械切削加工過程中被人為破壞，無法確認(rèn)模具開裂的首要原因。因而只能從斷口形貌分析及金相組織檢測，分析模具開裂的內(nèi)在原因。
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2.結(jié)果與討論
2.1化學(xué)成分分析
從該模具上截取樣塊進(jìn)行化學(xué)成分檢測，采用德國牛津FOUNDRY-MASTERPRO直讀光譜儀進(jìn)行檢測，依據(jù)一勝百模具Stavax ESR材料成分范圍要求判定。檢測結(jié)果表明，化學(xué)成分符合規(guī)范要求(見表1)。
表1原材料化學(xué)成分（％）
Table1 Chemical composition of raw materials（%）
Stavax ESR | C | Si | Mn | Cr | V | P | S |
標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.35～0.42 | 0.60～1.40 | 0.20～0.80 | 13.1～14.1 | 0.10～0.40 | ≤0.03 | --- |
實(shí)測值 | 0.384 | 0.945 | 0.466 | 13.32 | 0.250 | 0.0025 | 0.0014 |
評 價(jià) | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 |
2.2表面硬度檢測
從該模具上截取樣塊進(jìn)行硬度檢測，采用奧地利ONESS Q150R全自動數(shù)顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明，實(shí)測硬度值符合規(guī)范要求(見表2)。
表2 硬度檢測結(jié)果(HRC)
Table2 Hardness test result（HRC）
檢測點(diǎn) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
實(shí)測值 | 51.0 | 50.5 | 50.0 | 51.0 | 50.5 |
要求值 | 50～52（客戶要求） |
評 價(jià) | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 |
2.3掃描電鏡檢測
模具冷卻水孔裂紋開口處經(jīng)過機(jī)加工，難以確定裂紋源的開裂特征。采用蔡司SIGMA 300掃描電子顯微鏡檢測，斷口的整體形貌都是以沿晶開裂為主，并存在少量的解理斷裂特征⑵。沿晶斷面鑲嵌有大量的顆粒狀第二相組織，并沿晶界存在較多的二次裂紋。由于截取的樣件放置時(shí)間較長，斷口局部覆蓋電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物（見圖5）。采用電子束淺層濺射，沿晶斷面的顆粒狀第二相組織及二次裂紋更為明顯。為了檢查第二相形成的原因，對該類顆粒狀第二相組織進(jìn)行微區(qū)能譜分析（見圖6）。
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2.4微區(qū)能譜測試
采用布魯克Quantax 400能譜儀，對沿晶界面基體組織及顆粒狀第二相組織進(jìn)行微區(qū)能譜測試，測試區(qū)如圖所示，譜圖1區(qū)域?yàn)檠鼐Ы缑妫ㄒ妶D7），譜圖2區(qū)域?yàn)榈诙囝w粒（見圖9）。能譜儀測試結(jié)果表明，譜圖1區(qū)域的沿晶界面含有C、O、Si、Cr、Fe等合金元素，成分顯示與模具材料相符合（見圖8）。譜圖2區(qū)域的第二相顆粒含有C、O、Si、Cr、Fe、Cu等合金元素，能譜測試結(jié)果顯示高碳高鉻的合金元素，表明第二相顆粒是由Cr、Fe碳化物構(gòu)成。較高氧含量形成的原因，是由于模具斷口裸露時(shí)間過長，形成了電化學(xué)腐蝕產(chǎn)物⑶（見圖10）。
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表3能譜測試結(jié)果（％）
Table3 Spectral test results（%）
項(xiàng) 目 | C | O | Si | Cr | Fe | Cu |
譜圖1 | 1.84 | 4.10 | 0.92 | 9.00 | 81.14 | --- |
譜圖2 | 8.26 | 18.09 | 1.01 | 20.61 | 51.73 | 0.82 |
2.5金相組織分析
采用蔡司Axio Observer 7m金相顯微鏡，在如圖2所示的裂紋尾部樣件進(jìn)行檢測，裂紋的擴(kuò)展路徑較為平直，裂紋尾部上側(cè)的裂紋有一點(diǎn)曲折，延伸處基本呈筆直的形貌特征。表層凹凸不平的白亮色區(qū)域，屬于線切割影響層（見圖11）。金相顯微鏡倍率經(jīng)放大，明顯觀察到曲折的沿晶開裂形貌，主裂紋存在多條二次裂紋，并沿碳化物顆粒擴(kuò)展，顯示脆性開裂特征⑷。裂紋附近的顆粒狀碳化物，已經(jīng)形成沿晶分布的斷續(xù)網(wǎng)狀（見圖12）。
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裂紋尾部中側(cè)的裂紋同樣顯示曲折的沿晶開裂，以及沿晶擴(kuò)展的二次裂紋。圖片下部平直的主裂紋，幾乎沿顆粒狀碳化物開裂延伸，主裂紋兩側(cè)的二次裂紋沿網(wǎng)狀碳化物形成（見圖13）。裂紋尾部下側(cè)的沿晶開裂特征更為明顯，裂紋附近的基體組織中，顆粒狀碳化物大多呈網(wǎng)狀分布，局部區(qū)域已經(jīng)形成封閉的連續(xù)網(wǎng)狀碳化物（見圖14）。
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沿開裂的冷卻水孔橫截面截取樣件進(jìn)行金相檢測，內(nèi)孔邊緣出現(xiàn)臺階式的開裂特征，裂紋幾乎沿水平線開裂（見圖15）。圖片經(jīng)放大，垂直于內(nèi)孔的臺階處顯示曲折的沿晶開裂，與冷卻水孔內(nèi)壁連接處呈鍥形開口（見圖16）。
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平行于冷卻水孔內(nèi)壁的橫向臺階表面平直，垂直于冷卻水孔內(nèi)壁的縱向臺階表面，呈曲折的沿晶開裂特征。橫向與縱向臺階交接處的裂紋，顯示沿晶開裂特征，并張開呈鍥形開口裂紋（見圖17）。如圖所示，整個(gè)開裂的臺階是在一個(gè)原有的平面上撕裂成鍥形開口，裂紋的尾端兩側(cè)各有一條分叉的二次裂紋，顯示脆性開裂特征（見圖18）。
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在冷卻水孔邊緣的次表層，有一條與表面平行的橫向裂紋，內(nèi)層存在脆性開裂的沿晶二次裂紋。內(nèi)層的二次裂紋都是沿碳化物顆粒延伸擴(kuò)展（見圖19）。冷卻水孔內(nèi)壁表層，存在橫向側(cè)生的丁字形裂紋，裂紋縱向深度為0.25mm，橫向長度為0.60mm。縱向裂紋與橫向裂紋交接處兩側(cè)都呈圓弧狀，這是裂紋受擠壓變形的特征形貌⑸。水孔內(nèi)壁表面的加工擠壓層，恰好應(yīng)證了機(jī)加工對原始裂紋的擠壓過程。由此進(jìn)一步表明，材料的脆性沿晶開裂，不但形成于機(jī)加工過程，而且在機(jī)加工前即已形成（見圖20）。
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對冷卻水孔開裂的附近基體組織進(jìn)行檢測，金相組織為回火馬氏體＋較多量碳化物，碳化物大多沿晶界呈網(wǎng)狀分布。依據(jù)GB/T 1299-2014《工模具鋼》標(biāo)準(zhǔn)中附錄A.3.1進(jìn)行檢測和評定，基體組織中網(wǎng)狀碳化物級別達(dá)4級，屬于嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物級別。組織中沿晶分布大量黑色網(wǎng)狀條紋，這種黑色條紋屬于沿晶開裂的內(nèi)裂紋⑹。組織中的碳化物不但呈顆粒狀，甚至存在脆性更大的長條狀碳化物，材料組織的強(qiáng)度顯著降低，脆性進(jìn)一步增大（見圖21～22）。
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2.6金相組織掃描電鏡檢測
為了進(jìn)一步分析沿晶內(nèi)裂紋的形成原因，對金相組織進(jìn)行掃描電鏡檢測和能譜測試。經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察，金相組織為板條馬氏體及位向組織＋大量顆粒狀碳化物，大多數(shù)顆粒狀碳化物沿晶分布。如圖所示，沿晶分布的碳化物顆粒兩側(cè)，各有一個(gè)細(xì)長的白色長條，呈角狀分布。圖示下側(cè)兩個(gè)顆粒狀碳化物之間連接一條薄片狀碳化物，碳化物周圍存在明顯的縫隙，顯示沿晶開裂的內(nèi)裂紋（見圖23～24）。
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如圖所示，顆粒狀碳化物兩側(cè)的薄片狀碳化物，已經(jīng)被拉扯呈直線狀。沿晶界處分布一排類似橢圓形的孔洞，孔洞的間隙布滿了細(xì)小的薄片碳化物，顯示沿晶開裂的內(nèi)裂紋。在熱處理加熱過程中，沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物發(fā)生聚集和固溶，殘留的未溶顆粒狀及薄片狀碳化物。在熱應(yīng)力及組織淬火應(yīng)力的影響下，形成沿晶開裂的內(nèi)裂紋（見圖25～26）。
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2.7金相組織微區(qū)能譜測試
對未溶顆粒狀碳化物及基體組織進(jìn)行能譜測試。譜圖1區(qū)域?yàn)槲慈茴w粒狀碳化物（見圖27），譜圖2區(qū)域?yàn)榛w組織（見圖29）。能譜測試結(jié)果顯示，顆粒狀碳化物由高C高Cr元素構(gòu)成，形成Cr、Fe碳化物�；w組織的Cr元素明顯低于材料的平均含量，這是由于顆粒狀碳化物大量析出，使基體Cr元素含量顯著降低�；w組織的較高C含量，是由于含C的浸蝕劑對表面影響造成的（見表4）。
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表4能譜測試結(jié)果（％）
Table 4 Spectral test results（%）
項(xiàng) 目 | C | Cr | Fe | Si |
譜圖1 | 38.26 | 35.99 | 25.74 | --- |
譜圖2 | 38.51 | 9.96 | 50.52 | 1.02 |
3.結(jié)論
模具裂紋源已被破壞，難以確定模具開裂的首要原因。模具開裂的內(nèi)在原因，是因?yàn)椴牧辖M織中存在大量沿晶界開裂的內(nèi)裂紋，材料的強(qiáng)度大幅度降低，脆性增大，造成模具早期開裂失效⑺。
沿晶開裂內(nèi)裂紋的產(chǎn)生，是因?yàn)槟＞卟牧蠠峒庸すに嚥划?dāng)，組織中殘留未溶顆粒狀及薄片狀碳化物。熱處理過程中，在熱應(yīng)力及組織應(yīng)力的影響下，形成大量的沿晶開裂內(nèi)裂紋。模具在服役承載過程中，工作應(yīng)力促使裂紋進(jìn)一步萌生和擴(kuò)展。
4.改進(jìn)建議
模具在熱加工過程中，必須嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行，控制模具的鍛后冷卻速度，避免組織中沿晶析出網(wǎng)狀碳化物，造成沿晶開裂的內(nèi)裂紋⑻。
最終熱處理加熱過程中應(yīng)緩慢加熱，同時(shí)淬火后應(yīng)及時(shí)回火，防止熱應(yīng)力及組織應(yīng)力造成模具開裂，或模具的延遲開裂⑼。
參考文獻(xiàn)：
⑴吳振海．常用模具鋼熱處理性能[M]．北京：中國水利水電出版社，2006：122～126.
⑵鐘群鵬，趙子華．?dāng)嗫趯W(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2005：78～93.
⑶崔約賢、王長利．金屬斷口分析[M]．黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998：77～92.
⑷田繼紅，萬志遠(yuǎn)，郭豐偉.基于大型筒體鍛件開坯鍛造研究[J]. 鍛壓技術(shù)，2015，40（2）：15-21.
⑸吳振海．常用模具鋼熱處理性能[M]．北京：中國水利水電出版社，2006：122～126.
⑹鐘群鵬，趙子華．?dāng)嗫趯W(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2005：228～235.
⑺周敏.5CrNiMo鋼熱環(huán)軋芯輥斷裂失效分析[J]. 鍛壓技術(shù)，2015，40（5）：145-148.
⑻馬鵬飛、李美蘭、戈曉嵐．熱處理技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：108～114.
⑼史美堂．常用模具鋼熱處理性能[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1981:128～142.
