中國壓鑄雜志
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最准一肖中特∞白小姐:鋁合金用ASSAB 8407鋼壓鑄模早期斷裂失效分析

作者:admin 來源:原創 發表時間:2019-05-08
 

 
文:廣東省東莞市質量監督檢測中心 金林奎
 
    摘要: 對鋁合金用 ASSAB 8407 鋼壓鑄模斷口進行宏觀觀察,初步推斷斷口的特征形貌,確定裂紋源的位置以及裂紋擴展的狀態特征。采用金相顯微鏡及掃描電子顯微鏡,對失效件斷口及組織進一步檢測,分析斷口裂紋形成和擴展機理。檢測結果表明,由于基體中存在大量沿晶裂紋,材料強度大幅度降低,脆性顯著增大,模具在服役過程中發生早期斷裂失效。
 
    沿晶裂紋的產生是由于模具鍛造過熱后慢冷析出片狀碳化物,材料強度顯著降低。在熱處理過程中,熱應力及組織應力的影響,使材料基體組織產生沿晶的應力開裂裂紋。同時鍛造過熱使得材料強度大幅度降低,進一步促使模具表面裂紋的萌生和擴展。
    關鍵詞: 過熱組織; 片狀碳化物; 熱應力; 組織應力; 沿晶開裂
 
    ASSAB 8407 材料屬于鉻鉬釩合金的熱作模具鋼,是一種強韌兼備的高性能材料,并有良好的機加工性和拋光性,同時具備優良的高溫強度和抗熱疲勞性。熱處理過程具有較高的淬透性,而且淬火變形小。該材料組織結構均勻,純凈度高,具有高韌性及耐高溫金屬液沖蝕,抗高溫回火性能。同時熱疲勞及抗龜裂能力強,具有優良的高溫強度和韌性。它的抗機械疲勞及熱應力性能更佳。常用于壓鑄模具、鍛造模具及擠壓模具,能夠減緩熱龜裂的發生,提高模具使用壽命。
 
    本文對 ASSAB 8407 鋼壓鑄??咽Ъ幕С煞?、表面硬度、斷口形貌及顯微組織進行理化檢測,分析推斷壓鑄模失效件開裂的原因以及開裂形成機理。
 
1、 宏觀檢查ASSAB 8407 
    鋼壓鑄模失效件外形尺寸長 602 mm ×寬 582 mm × 厚 187 mm,模具在使用過程中發生早期斷裂,斷裂位于圖 1( a) 所示左下角的棱形凸出部位( 紅色方框標注處) ,該部位屬于模具配合固定位置。

 
沿圖 1( a) 所示紅色方框位置的模具斷裂面四周線切割截取樣塊,并保留整個斷口( 見圖 1( b) ) 。圖 1( c)所示為斷口下側邊緣的臺階拐角處,屬于模具斷裂起始部位,斷口起始處殘留大量鋁合金嵌料。鋁合金嵌料表面呈現斷口擴展的放射狀條紋,表明該處屬于一次開裂擴展的斷口形貌。沿鋁合金嵌料邊緣分布大量多源臺階條紋,上側斷口呈現二次開裂的特征形貌。
 
    垂直于斷口剖面截取兩塊試樣用于金相檢測,取樣部位如圖 1( b) 所示,同時檢查斷口裂紋源顯微組織,以及裂紋擴展的形貌特征。線切割截取斷口剖面后,在未進行任何打磨處理的情況下,對斷口剖面進行宏觀觀察。如圖 2 所示,1 號試樣( 見圖 2( a) ) 及 2 號試樣( 見圖 2( b) ) 剖面的銀白色區域呈月牙形分布,該銀白色區域屬于鋁合金嵌料,鋁合金嵌料兩側邊緣為一次開裂的裂紋間隙。模具在一次開裂的同時,鋁合金嵌料也在不斷地嵌入模具裂紋的縫隙。圖示銀白色區域的上側斷口屬于二次開裂的斷口邊緣,它是一次裂紋擴展過程中次生的二次裂紋。二次裂紋在擴展過程中優先斷裂,同時一次裂紋繼續擴展,形成一次開裂和二次開裂并存的斷裂面。同時 2 號試樣的一次裂紋最終穿透整個試樣的背面,經檢查試樣背面的穿透裂紋呈斷續分布的臺階條紋,不同臺階的裂紋繼續擴展并相互連接,背面形成凹凸不平的終斷區斷裂形貌( 見圖 2( c,d) ) 。這種臺階條紋顯示脆性開裂特征,表明模具材料強度低且脆性大。
 
2、 結果與討論
2.1 化學成分及硬度檢測
    從該失效模具件上截取試樣,采用 ARL8860 火花放電直讀光譜儀進行化學成分檢測,依據 ASSAB 8407材料要求判定。檢測結果表明,化學成分符合規范要求( 見表 1) 。
 
    從該失效模具件截取試樣,取 5 個檢測點,采用Qness Q150 數顯洛氏硬度計進行表面硬度檢測,檢測結果表明,實測硬度值分別為 48. 8、49.0、48.8、48.7和 49.1 HRC,符合客戶規范要求( 48 ~ 50 HRC) 。
 
2. 2 顯微組織檢驗
    1 號試樣未經腐蝕時,采用 Axio Observer 7m 光學顯微鏡對斷口部位的裂紋擴展形貌進行檢測。如圖 3( a) 所示,左側為鋁合金壓鑄件嵌料,鋁合金嵌料厚度約 1 mm,表明一次裂紋形成的最大間隙寬度為 1 mm;右側部位屬于 8407 鋼模具材料基體。鋁合金嵌料與模具材料基體相臨的右上角位置,為模具開裂的起始部位。表面裂紋首先呈傾斜的 45°角開裂,形成深度約 0.2 mm 的裂紋源,然后以粗大弧線的低周疲勞特征繼續擴展延伸( 見圖 3( a) ) 。
 

 
    圖 3( a) 所示紅框標注處,模具開裂起始處的尖角發生脫落,這是由于鋁合金嵌料冷凝后粘著造成。未脫落前應該是近似筆直的45°角的斜裂紋,屬于斷裂起始區的平面應力開裂特征。該斷口裂紋源形成于模具臺階拐角處,存在應力集中開裂的影響。斷口擴展到一半進程,在一次開裂的裂紋上方形成二次開裂的擴展裂紋,二次開裂裂紋與一次開裂裂紋相距 0.5 mm,與一次裂紋間隙寬度相當( 見圖 3( b) ) ,鋁合金嵌料兩側為 8407 鋼模具材料基體??拷淮瘟鹽頻奈膊?,裂紋間隙內仍然充滿鋁合金嵌料,裂紋兩側已經形成沿晶的脆性開裂特征( 見圖 3( c) ) 。連接鋁合金嵌料的裂紋尾部,裂紋兩側呈現彎曲的圓弧狀,顯示終斷區快速撕裂特征形貌??拷>弒趁嫻南感×鹽莆篤諦緯傻撓α┱沽鹽?,裂紋呈現脆性沿晶開裂特征( 見圖 3( d) ) ,顯示模具材料的強韌度較低。
 
    采用合金鋼材料專用腐蝕劑,對 1 號試樣觀察面進行腐蝕。圖示未受浸蝕的白亮色區域屬于鋁合金嵌料,浸蝕后色澤呈暗黃色的屬于模具材料基體。顯微組織顯示,模具基體組織中存在大量黑色網狀組織,分布較為密集。粗大網狀組織呈斷續分布,且晶界較寬( 見圖 4( a,b) ) ,初步推斷為鍛造過熱組織。


 
    模具材料基體中黑色網狀組織圍成的晶粒極為粗大。經測量,單顆晶粒平均直徑達 0.57 mm,整個視場的晶粒平均直徑為 0.47 mm。依據 GB /T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》進行評定,網狀組織的平均晶粒度達 0 級以下。一般規定,平均晶粒度≤3 級的晶粒組織即屬于過熱組織( 平均晶粒度 3 級對應的晶粒平均直徑為 0.13 mm) ,因而該粗大網狀組織屬于嚴重過熱的晶粒度級別。

 
    基體中粗大網狀組織呈斷續分布,而且三角晶界處顯著加寬( 見圖 5) 。因而可以確定,該過熱組織屬于典型的鍛造過熱特征組織。由于鍛造過熱形成的粗大晶粒,使得晶界寬化而造成晶間弱化,材料強度大幅度降低。模具鍛坯鍛造時加熱溫度過高,組織中的碳化物及硫化物已經完全固溶到基體。在鍛后緩冷過程中,材料基體中碳化物及硫化物顆粒沿粗大晶界析出( 見圖 6) ,形成沿粗晶析出第二相的過熱特征組織。該類第二相組織降低材料強度,增加材料脆性。

 
    金相顯微鏡倍率進一步放大,沿晶析出的碳化物及硫化物更為明顯,碳化物甚至沿晶界呈片狀及鏈珠狀分布( 見圖 7( a) ) 。由于鍛造過熱后沿晶析出第二相組織,給后期熱處理帶來粗大組織的遺傳性。熱處理淬火過程中,在熱應力及組織應力的影響下,已經產生沿晶裂紋的缺陷組織( 見圖 7( b) ) 。

 
   2 號試樣未經腐蝕時,采用 Axio Observer 7m 光學顯微鏡對斷口部位的裂紋擴展形貌進行檢測。圖示右上側部位,可以觀察到一次裂紋擴展的終斷區,已經在試樣背面完全裂開( 見圖 8( a,b) ) 。圖片經放大,一次裂紋間隙兩側以及二次裂紋斷口邊緣,都呈現脆性沿晶開裂特征( 見圖 8( c,d) ) ,顯示材料強度低且脆性大。
    2 號試樣經腐蝕劑浸蝕后檢測,基體仍然顯示粗大網狀的鍛造過熱組織。沿粗大網狀組織的晶界,已經產生沿晶裂紋( 見圖 9( a,b) ) 。金相顯微鏡倍率經放大,沿晶裂紋特征更為明顯( 見圖 9( c,d) ) 。

 
2. 3 掃描電鏡檢測
    為了進一步確認沿晶開裂特征,分析沿晶裂紋形成的原因,采用 SIGMA 300 掃描電子顯微鏡,對顯微組織進行檢測。經掃描電鏡檢測,基體組織為粗大回火馬氏體 + 顆粒狀碳化物?;遄櫓醒鼐Ы綺罅烤Ъ淞鹽?,在晶間裂紋間隙內殘留片狀碳化物,碳化物周圍存在明顯的縫隙,顯示應力開裂特征( 見圖 10( a,b) ) 。
 

 
     圖片進一步放大,沿晶分布的片狀碳化物尤為明顯,該片狀碳化物形成于鍛造過熱后的慢冷過程,最終熱處理加熱保溫使片狀碳化物發生固溶,碳化物溶解的部位形成間隙,碳化物未溶的部位殘留薄片狀碳化物。在熱應力及組織應力的影響下,最終形成沿晶裂紋( 見圖 10( c,d) ) 。

    采用光學顯微鏡觀察,斷口的表面裂紋首先形成45°傾向的平面應力開裂的裂紋源,然后以粗大弧線的低周疲勞特征繼續擴展延伸。該斷口裂紋源形成于模具臺階拐角處,因而存在應力集中開裂的影響。裂紋間隙內充滿鋁合金嵌料,裂紋兩側已經形成沿晶的脆性開裂特征。連接鋁合金嵌料的裂紋尾部,裂紋兩側呈現彎曲的圓弧狀,顯示終斷區快速撕裂特征形貌??拷>弒趁嫻南感×鹽?,為后期形成的應力擴展裂紋,裂紋呈現脆性沿晶開裂特征,顯示模具材料的強韌度較低。
 
    顯微組織顯示,模具基體組織中存在大量黑色網狀組織,分布較為密集。粗大網狀組織呈斷續分布,且晶界較寬,初步推斷為鍛造過熱組織。經測量網狀組織的平均晶粒度達 0 級以下,屬于嚴重過熱的晶粒度級別?;逯寫執笸醋櫓識閑植?,而且三角晶界處顯著加寬,因而可以確定該過熱組織屬于典型的鍛造過熱特征組織。由于鍛造過熱形成的粗大晶粒,使得晶界寬化而造成晶間弱化,材料強度大幅度降低。模具鍛坯鍛造時加熱溫度過高,組織中的碳化物及硫化物已經完全固溶到基體。在鍛后緩冷過程中,材料基體中碳化物及硫化物顆粒沿粗大晶界析出,形成沿粗晶析出第二相的過熱特征組織。該類第二相組織降低材料強度,增加材料脆性。
 
    經掃描電鏡檢測,基體組織中沿晶界產生大量晶間裂紋,在晶間裂紋間隙內殘留片狀碳化物,碳化物周圍存在明顯的縫隙,顯示應力開裂特征。該片狀碳化物形成于鍛造過熱后的慢冷過程。最終熱處理加熱保溫使片狀碳化物發生固溶,碳化物溶解的部位形成間隙,碳化物未溶的部位殘留薄片狀碳化物。在熱應力及組織應力的影響下,最終形成沿晶裂紋。

3 、結論及改進建議
    鋁合金壓鑄??訓鬧饕蚴怯捎諢逯寫嬖詿罅墾鼐Я鹽?,材料的強度大幅度降低,脆性顯著增大,造成模具的早期斷裂失效?;遄櫓醒鼐Я鹽頻牟且蛭>叨馱旒尤任露裙?,且鍛后冷卻過慢,高溫固溶到基體中的碳化物充分析出,形成沿晶分布的片狀碳化物。在最終熱處理過程中,受到熱應力及組織應力的影響,產生沿晶開裂的裂紋。
    模具鍛坯嚴重過熱,造成晶粒粗大及沿晶析出脆性相,材料強度大幅度降低。在服役承載過程中,進一步促使模具表面裂紋的萌生和擴展。
    模具在鍛造過程中,必須嚴格按照工藝執行,防止組織過熱和冷卻緩慢,避免過熱造成粗大組織,以及產生沿晶分布的片狀碳化物。最終熱處理應緩慢加熱,同時淬火后應及時回火。防止熱應力及組織應力的影響,造成模具沿晶開裂,或模具的延遲開裂。
 
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