热锻模具失效分析

汽车轴类热锻模具的失效形式与分析0.案例背景分析1.热锻模具材料及服役状况2.失效分析的初步判断3.试验分析4.结果分析0.案例背景分析1.某汽车厂汽车轴类毛坯热锻模具寿命过短,生产中需频繁更换,严重影响生产效率。2.因此通过对该失效热锻模具的分析,.借助各种技术检测手段,对失效热锻模具进行了检验分析。1.热锻模具材料及服役状况2.首先，工作前模具预热至150～200℃,胚料加热至1200～1300℃之间。其次，工件与模具接触时间约为4s,模具型腔的瞬时温度可达600～700℃。最后，模具工作中喷水冷却一次,持续时间大致在0.2～0.4s,1.研究的热锻模具材料均为H13模具钢。2.失效分析的初步判断图11）热疲劳裂纹热疲劳裂纹失效是这批热锻模的主要失效形式。从失效模具宏观形貌观察,肉眼可见明显的表面宏观热疲劳裂纹,呈网状分布，如右图1。用线切割机切割裂纹部位,取样分析.通过扫描电子显微镜进行观测,得到了不同倍数的扫描电镜图片(SEM),如图2、图3所示。

图2图3工作时，型腔表面瞬时温度可达600～700℃,取出锻件后,模具喷水冷却,迫使模具表面散热降温.表面材料不断承受冷热交替变化，产生了金属的热疲劳。经过一定的循环次数后,首先在模具表层应力较高或与锻坯接触时间较长的部位易形成初始热疲劳裂纹源,原始微观热疲劳裂纹经多次受力生长,最终形成宏观可见的网状裂纹。热疲劳裂纹原因从上图观察,失效模具表面边缘处出现了大量的蚀点.模具表面分布裂纹。分析其原因如下：

2）热磨损图4给出了磨损失效形态,有的出现表面沟痕、划伤,有的出现粘着磨损现象.图41.锻件毛胚表面粗糙不平,模具与锻坯在高温、高压状态下紧密接触,产生强烈的相对摩擦。2.伴随着材料的高温氧化,脱落的氧化物颗粒起到磨粒的作用,在剧烈的摩擦下会使模具表面出现沟痕及不平,导致模具尺寸变化,最终使模具失效。3.另外,模具表面的持续高温,模具表层材料会软化,相应地耐磨性和抗疲劳性都会降低,加速磨损.热磨损原因3.试验分析3.1EDS能谱分析扫描点位置如图5所示.图6给出了该点的点扫描图谱.

表1中给出了标准H13模具钢中各合金元素的质量,扫描点处合金元素的质量分数统计分布在表2中给出,比较表1和表2发现,失效模具钢裂纹处出现了大量氧元素,说明模具钢表面发生了氧化腐蚀,裂纹内有氧化物.在高温腐蚀的环境作用下,失效模具钢表面的合金元素进行了重新分布,裂纹处的合金元素Mn,Mo,V,Cr的质量分数大幅降低,导致模具材料的局部强度下降,并形成可能的裂纹萌生源.

此外,高温腐蚀下模具表面被氧化,脆性氧化物的脱落降低了模具表面的耐磨性和抗氧化性,促进了表层的热磨损,最终导致模具失效.3.2显微硬度分析利用FM2300维氏显微硬度计进行了模具表面的显微硬度测定,载荷采用0.98kN.得到如图7的表层硬度变化曲线.这表明失效模具钢表面经过高温氧化腐蚀后,合金元素重新分布,局部表面合金元素严重降低,硬度也随之下降,越接近表面,硬度下降越严重,这与上述失效模具表面合金元素含量下降的分析结果也恰好相吻合.4.结果分析该批汽车轴类热锻模具失效的主要形式是热疲劳裂纹、热磨损等.

热锻模具在恶劣的工作环境中,表层材料合金元素重新分布,局部表面合金元素严重降低且有高温氧化现