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金屬知識(shí)分享,銅合金連續(xù)擠壓模具疲勞裂紋的失效分析

發(fā)布時(shí)間:2022-02-23點(diǎn)擊:1986

前言

連續(xù)擠壓技術(shù)由于具有***、高質(zhì)、節(jié)能等優(yōu)勢(shì),在有色金屬工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。連續(xù)擠壓已被應(yīng)用于銅及銅合金生產(chǎn),并以紫銅、銅銀合金等為坯料生產(chǎn)了銅扁線及實(shí)心銅材。其工作原理如圖1所示。

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一個(gè)帶有輪槽的擠壓輪連續(xù)旋轉(zhuǎn),并在壓實(shí)輪一定壓下量下,利用擠壓輪輪槽與坯料之間的摩擦力,將坯料連續(xù)不斷地拽入由擠壓輪槽、導(dǎo)板、模腔組成的擠壓模腔內(nèi),在模腔內(nèi)發(fā)生塑性變形,***終從模具孔中擠出所需的產(chǎn)品。擠壓輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)擠壓的主要?jiǎng)恿υ矗强颗髁吓c擠壓輪輪槽的摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)的,坯在擠壓輪槽內(nèi)受摩擦力作用而升溫,擠壓溫度高達(dá)500℃以上,擠壓腔內(nèi)壓高達(dá)1000MPa以上。在高溫高壓的惡劣工況下,H13鋼因較好的高溫紅硬性、抗沖擊性和抗回火穩(wěn)定性而成為此類連續(xù)擠壓模具應(yīng)用***多的鋼種。但長(zhǎng)期承受高溫高壓工況,易導(dǎo)致模具產(chǎn)生熱疲勞開裂、熱熔損、侵蝕、斷裂等失效形式。

1 .失效模具狀態(tài)及檢測(cè)方法

失效擠壓輪模具為由某鋼企直徑600mm規(guī)格H13電渣錠,經(jīng)開坯至200mm×200mm方坯,再改鍛為外徑400mm×內(nèi)徑232mm×90mm的擠壓輪坯。此擠壓輪設(shè)計(jì)使用能力為可擠壓50t銅合金坯料,但在生產(chǎn)20t后出現(xiàn)擠壓輪輪槽一側(cè)掉塊失效,且輪槽兩側(cè)均出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋,如圖2所示。

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采用ARL4460直讀光譜儀測(cè)定模具材料的化學(xué)成分;采用TCH-600氫氧氮分析儀測(cè)定氣體成分;采用LeicaDM2700M型金相顯微鏡觀察模具顯微形貌,并按照GB/T10561-2005《鋼種非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)定,按照北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA3207-2011模具鋼驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)H13鋼調(diào)質(zhì)態(tài)顯微組織進(jìn)行評(píng)定;采用ERNSTAT200自動(dòng)硬度計(jì)測(cè)定失效模具的洛氏硬度;取擠壓輪失效位置附近試樣,在QSF-VF-1400T型箱式真空熱處理爐中進(jìn)行1030℃奧氏體化30min,淬火后,在600℃下進(jìn)行2.5h回火,再依照GB/T6394標(biāo)準(zhǔn)比較法進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)。

2. 檢測(cè)結(jié)果及分析

2.1成分測(cè)定

失效擠壓輪化學(xué)成分如表 1 所示。由表 1 可知,失效擠壓輪為 H13 電渣錠材料成分,其中主合金元素鉻、鉬、釩含量屬國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的中上限水平,能滿足該鋼種在擠壓模具用途中較好的強(qiáng)韌性及其他高溫性能的特性要求, 同時(shí)較低的 P 、S 、O 、N 含量,表現(xiàn)出良好的冶金純凈度。

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2.2 失效模具的硬度

取失效擠壓輪的網(wǎng)狀裂紋區(qū)域的縱截面樣件,采用ERNSTAT200自動(dòng)硬度計(jì)對(duì)裂紋樣件自表面至內(nèi)部進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示,近表面1#點(diǎn)硬度***低,其余2~5點(diǎn)硬度較為均勻,5個(gè)測(cè)試點(diǎn)均在銅擠壓模具使用要求的硬度范圍內(nèi),1#點(diǎn)偏低可能為硬度測(cè)試過(guò)程受近表面裂紋因素的影響。整體模具硬度正常。

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2.3 非金屬夾雜物

經(jīng)電渣重熔后的H13鋼鍛件中常見(jiàn)的顯微夾雜物以Al2O3及其復(fù)合夾雜、TiN類及其復(fù)合夾雜等為主。尤其是鎂鋁尖晶石類及氮化鈦類硬質(zhì)夾雜會(huì)破壞基體的連續(xù)性和完整性,對(duì)材料的綜合性能產(chǎn)生不利影響。通過(guò)取樣檢測(cè),并以NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)中***優(yōu)質(zhì)鋼的質(zhì)量水平作為對(duì)比,如表3所示。

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失效模具以少量氧化鋁類夾雜及5μm級(jí)別的球形夾雜為主,完全達(dá)到國(guó)外主流標(biāo)準(zhǔn)NADCA的***優(yōu)質(zhì)鋼水平要求,反映出材料較好的純凈度,這與材料的氧、氮?dú)怏w含量低,以及電渣重熔精煉效果好有關(guān)。

2.4 顯微組織

取失效模具裂紋附近及模具正?;w附近試樣,拋磨后經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕,采用LeicaDM2700M型金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織檢測(cè),如圖3所示。

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由圖3(a)、(b)可知,裂紋***大深度近1mm,裂紋附近未有明顯脫碳層現(xiàn)象,周圍組織均勻性較好,沒(méi)有明顯帶狀偏析,組織為正常調(diào)質(zhì)的回火馬氏體,裂紋延展尖端形貌近似沿晶裂樣式。由圖3(c)可知,整體模具正常組織為回火馬氏體組織,按北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA#207-2011標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)圖譜對(duì)比,應(yīng)為HS5等級(jí)合格組織,熱處理組織正常。

2.5 晶粒度檢測(cè)

取失效模具裂紋附近正常區(qū)域試樣,經(jīng)1030℃奧氏體化30min,淬火后,在600℃下進(jìn)行回火。由圖4可知,熱處理后失效模具平均晶粒尺寸直徑達(dá)50μm,晶粒度約5.5級(jí),明顯為粗晶,不滿足國(guó)標(biāo)GB/T24594-2009《優(yōu)質(zhì)合金模具鋼》中≥7級(jí)的晶粒度要求。

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對(duì)于淬火+回火馬氏體類型的H13鋼,晶粒的粗化對(duì)其材料的強(qiáng)度、塑性及韌性均有明顯的不利影響。在銅合金擠壓輪輪槽附近受到高壓摩擦及高溫接觸,屬此類模具中工況***為惡劣區(qū)域,對(duì)材料的強(qiáng)韌性具有較高要求,粗大的晶粒及較弱的晶界勢(shì)必易產(chǎn)生裂紋及擴(kuò)展裂紋,導(dǎo)致模具早期失效。

.結(jié)論及改進(jìn)建議

1)該擠壓輪輪槽產(chǎn)生裂紋的主要成因?yàn)榻M織粗晶,粗晶導(dǎo)致模具材料強(qiáng)韌性降低,尤其是在工況環(huán)境惡劣的輪槽區(qū)域,在高壓、高溫及摩擦力作用下,易產(chǎn)生裂紋并延展,在銅坯摩擦下粘連掉塊,導(dǎo)致擠壓輪失效。(2)模具材料化學(xué)成分、非金屬夾雜物、硬度及顯微組織均無(wú)明顯異常。對(duì)材料在鍛造環(huán)節(jié)應(yīng)加強(qiáng)加熱制度控制,防止材料奧氏體化溫度時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大明顯。在鍛后可控制增加超細(xì)化冷卻工藝,細(xì)化晶粒,提高材料強(qiáng)韌性,避免粗晶。

來(lái)源:特種鋼加工與應(yīng)用


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