硬质合金拉深模的失效分析及材料选择.docx

1996年9月sep.1996jo u rn a l o f gu an gdo n g m ech an ica l in st itu te硬质合金拉深模的失效分析及材料选择黄惠平卢国辉黄拿灿(广东工业大学材料科学与工程系, 广州, 510643)提要对几种国产和进口的w c co 类硬质合金制造的拉深模具进行了断裂失效分析, 结果表明, 其失效的起因与材质及w c 颗粒度和颗粒均匀性有密切联系。在其失效分析的基础上, 对 这类拉深模的选材提出了一些建议。关键词: 硬质合金;断裂与失效; w c 颗粒度中图法分类号: t g 76引言0近十几年来, 硬质合金在模具上的应用日渐增多。许多例子已经证明, 用于制作大批量生 产的拉深模, 硬质合金是最经济的模具材料。但 如果选材不当, 或合金质量不好, 又往往使模具寿命不稳定, 甚至导致发生早期断裂失效。 某厂因生产需要, 购进了几种国产和进口硬质合金坯料, 加工成拉深模, 用于多工位自动 冲床。被成型金属为300 系列不锈钢或坡莫合 金。试生产表明, 用上述硬质合金材料制造的模图1 断裂失效硬质合金拉深模付实物照具质量不稳定, 有的模具不能获得满意的结果。为了探讨模具失效的原因, 选择了几件有代表性的断裂失效模具 (或坯料) 进行失效分析。本文在失效分析的基础上, 提出了关于硬 质合金拉深模选材的建议。收稿日期: 19962042302广东机械学院学报14卷模具结构和材料模具结构如图1所示, 该厂送检的几种硬质合金拉深模的结构均与图1相类似。待分析 的模具 (坯料) 材料牌号不详, 其编号和使用寿命列于表1, 其中, u n o . 1为从某国进口的 毛坯料, 在制作模具过程中, 不慎跌落木板地而发生断裂。1表1材料编号及使用寿命材料编号类别使用寿命 (万次)yb 03国产国产 进口进口2886yb 17j p 05u n o . 1447249712 试验方法和结果211化学成分分析用日产 jcxa 733型电子探针对上述断裂块样品进行波谱分析, 试验结果如表2所 示。从结果可见, 所分析的合金, 主要成分为w 、co 和 c。可以断定, 均为钨钴类硬质合金。表2材料化学成分及硬度试验结果化 学 成 分 (% )材料编号硬度 h racf ecown iyb 03yb 17j p 05u n o . 1619510541951301150161201050173410581201317511104881885198112821589889101378715212 硬度试验用 h r 150型洛氏硬度计测定上述各种合金的硬度, 试验结果附于表2中。213 断口检验用 jcxa 733型电子探针, 对模具断口进行观察。从断口形貌看, 均为典型的疲劳断 口。本文仅以 yb 17断口为例, 作简要的分析。yb 17断口照片见图2 图5。在图2、4、5中, 疲 劳条纹清晰可辨。按疲劳裂纹扩展的逆方向, 可在模具工作面附近找到疲劳源 (图3)。该处可见大量孔洞及一些非正常组织, 经电子探针测定, 该组织是富铁、镍的, 据分析它可能是 外来掺入物。而那些孔洞极易造成应力集中, 而成为疲劳裂纹源并最后导致模付疲劳损 坏。214 金相组织分析将各断裂块制成金相试样在扫描电镜下放大1500倍, 进行二次电子像观察, 拍摄的 照片如图6 图9所示。图片中的白色颗粒 (块) 为w c , 灰黑色是主要成分为 co 的粘结 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 3期硬质合金拉深模的失效分析及材料选择3图3 图2上部放大, 斜直线面为工作面,可见大量孔洞及不正常组织 放大倍数: 20图2 yb 17模付断口全貌放大倍数: 20图4 图2中部放大照可见疲劳扩展条纹 放大倍数: 20图5 图2下部放大照可见疲劳扩展条纹 放大倍数: 20图7yb 17电镜金相组织放大倍数: 1500w c 属中粒度图6yb 03电镜金相组织放大倍数: 1500 白色颗粒块为w c 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved.4广东机械学院学报14卷图8j p 05电镜金相组织放大倍数: 1500w c 颗粒属细粒度图9u n o . 1电镜金相组织放大倍数: 1500w c 颗粒大小不均匀,并存在大量孔洞及缝隙相。可见, yb 03晶粒尺寸 (w c 颗粒尺寸) 最大, 属粗粒度, 并且其晶粒大小不均匀; yb 17属中粒度; j p 05属细粒度; u n o . 1晶粒虽较小, 但局部区域有大的碳化物颗粒聚集, 并存 在尺寸较大的孔洞和缝隙。3 综合分析和讨论311关于硬质合金的机械性能和材料成分与品质钨钴类硬质合金的机械性能受合金的成分与显微组织的制约, 一般来说, 含钴量愈 多, 则强度、韧性愈高, 而硬度、耐磨性愈低。表3 为国产硬质合金含钴量与机械性能关 系1 。在钴含量相近的情况下, 减少颗粒尺寸可提高材料硬度, 改善抗磨耗性, 增大颗粒尺 寸则可改善韧性。从表2所示各材料的硬度值来看, 似乎找不出含钴量与硬度的变化规律 来, 这可能是材料的晶粒大小各不相同的缘故。应该指出, 晶粒大小不均匀, 局部区域出现 粗晶粒集聚, 也是影响材料强韧性的不可忽略的原因。表3国产硬质合金化学成分与机械性能化学成分%抗弯强度硬 度冲击韧性牌 号kw ccobbh ra8915012601250140148yg6yg8yg15yg209461459281508985152108785158020260材料的冶金质量, 直接影响其机构性能, u n o . 1号合金由于内部存在较严重的缺陷( 孔洞和缝隙) , 致使机械性能恶化, 这是导致该材料毛坯跌落木地板即能致裂的根本原 因。yb 17号合金的断裂, 也应该与模面表层局部处出现孔洞和非正常组织有关。 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 3期硬质合金拉深模的失效分析及材料选择5312 模具的失效形式与选材拉深模的服役条件是小能量多次冲击和摩擦磨损。无疑, 对于所使用的材料, 其硬度 和耐磨性是能够胜任的。材料在多次冲击下的破坏过程也是裂纹的产生和扩展的过程; 由 于各次冲击损伤的积累, 导致了材料最后断裂。因此, 多冲断裂属于疲劳类型。这和断口是 脆性疲劳断口的检验结果是一致的。根据多冲抗力主要决定于材料强度的观点2 , 可以认为, yb 03号材料使用寿命短是材料强度不足所致, yb 17、j p 05号材料使用效果好一些, 也 正是它们强度较高的合符规律的结果。按此思路, 欲进一步提高拉深模付的使用寿命, 应选择强度更高并具有一定韧性的合金材料。参考表3的资料, 选用国产材料 y g 15或 y g 20 硬质合金作该拉深模, 应能获得良好的效果。y g 15和 y g 20硬质合金不仅抗弯强度高, k 值也高, 对于高强度材料, 除了多冲抗力主要决定于强度之外, k 值对多冲抗力的积极作用, 也是不容忽视的。结论4(1) 这类硬质合金制造的拉深模的断裂失效是脆性疲劳断裂失效。(2) 硬质合金内部存在孔洞, 有非正常组织以及颗粒大小不均匀是导致该材料强韧性 低和模具寿命不稳定的主要原因。( 3) 应选用抗弯强度和韧性更高的硬质合金材料如国产的 y g 15、y g20等制造这类 拉深模, 并尽量提高材料的冶金质量, 以期达到更好的使用效果和经济效益。参考文献1 陈献廷编著1硬质合金使用手册1北京: 冶金工业出版社, 198616 72 金属机械性能编写组1金属机械性能 (修订本) 1北京: 机械工业出版社, 19821170 172fa il u r e a ra l y s is a n d m a t er ia l sel ec t io nfo r d raw in g d ie s m a d e o f ha rd a l l o yh uang h u ip ingl u guo h u ih uang n acan(d ep t. o f m a te r ia ls sc ience and e ng inee r ing, guangdo ng u n iv. o f t ech. , guangzho u, 510643)a bstra c tt h e f rac tu re fa ilu re o f som e d raw in g d ie s m ade o f w c - co h a rd a llo y s m ade a t hom e o r ab ro ad a re an a lyzed in th is p ap e r. t h e re su lt s show th a t th e fa ilu re cau se s a re c lo se co r re la t ive w ith th e w c g ran u la r ity an d g ran u la r u n ifo rm. f in a lly, som e m a te r ia l se lec t io n p r in c ip le s fo r th e se d ran in