模具失效的案例分析

《模具失效的案例分析》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《模具失效的案例分析（28頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、班 級(jí) ： 材 料 11302班 組 號(hào) ： 第 07 組 組 員 ： 陳 帥 揮 徐 文 涵 張 棟 H13鋼 汽 車 熱 鍛 模 具 失 效 機(jī) 理 分析 1） 模 具 及 材 料 基 本 概 況 2） 模 具 失 效 的 分 析 手 段 3） 模 具 失 效 的 分 析 及 結(jié)論 4） 解 決 措 施 H13鋼 汽 車 熱 鍛 模 具 失 效 機(jī) 理 分 析1） 模 具 及 材 料 基 本 概 況 ：模 具 材 料 及 模 具 加 工 方 式 ： 目 前 ， 國 內(nèi) 汽 車 熱 鍛 模 具 鋼 大 都 采 用 H 系 列 鋼 ， 具 有較 高 的 高 溫 強(qiáng) 度 和 抗 回 火 能 力

2、， 紅 硬 性 好 ， 且 有 良 好 的 抗高 溫 疲 勞 腐 蝕 性 能 。 此 次 分 析 的 熱 鍛 模 材 料 均 為 H13 模具 鋼 , 鋼 號(hào) 4Cr5MoSiV1 , 其 標(biāo) 準(zhǔn) 材 料 的 化 學(xué) 成 分 如 表 1 所 示 。 熱 鍛 模 具 材 料 的 熱 處 理 工 藝 流 程 為 : 去 應(yīng) 力 退火 淬 火 3 次 回 火 ,模 具 表 面 還 進(jìn) 行 了 氮 化 處 理 , 最 終 洛 氏 硬 度 (HRC) 在 49 50. 模 具 的 工 作 環(huán) 境 及 壽 命 此 次 分 析 的 汽 車 熱 鍛 模 具 應(yīng) 用 于 軸 類毛 坯 件 的 粗 鍛 階 段 ，

3、 胚 料 初 始 溫 度 12001300 ， 由 于 熱 作 模 具 的 工 作 面 往 往 與 高溫 坯 料 直 接 觸 ， 模 具 型 腔 的 瞬 時(shí) 溫 度 可 達(dá) 600 700 。 另 外 ， 模 具 工 作 中 需 采 用噴 水 冷 卻 ， 持 續(xù) 時(shí) 間 大 約 在 0 2 0 4S， 這 樣 使 得 模 具 在 工 作 中 產(chǎn) 生 周 期 性 的 溫度 變 化 ， 冷 熱 交 替 循 環(huán) 易 引 起 熱 疲 勞 。 模具 使 用 壽 命 調(diào) 查 發(fā) 現(xiàn) ， 使 用 壽 命 較 短 的 熱鍛 模 具 在 16001800件 ， 使 用 壽 命 較 長 的在 55007000 件

4、 ， 模 具 平 均 壽 命 在 40005000件 ， 壽 命 很 不 穩(wěn) 定 ， 而 國 外 同類 模 具 使 用 壽 命 一 般 在 1萬 件 以 上 。 2） 模 具 失 效 的 分 析 手 段 表 面 宏 觀 分 析 對 失 效 熱 鍛 模 工 作 面 宏 觀 形 貌 觀 察 ， 大 部 分 失效 熱 鍛 模 都 是 在 表 面 出 現(xiàn) 了 不 同 程 度 的 損 傷 ， 表 面的 磨 痕 清 晰 可 見 ： 溝 痕 、 劃 傷 、 粘 著 磨 損 現(xiàn) 象 。 除磨 損 外 ， 還 有 大 量 的 冷 熱 疲 勞 裂 紋 ， 呈 網(wǎng) 狀 (龜 裂狀 )或 放 射 狀 分 布 。 裂

5、紋 處 的 顯 微 形 貌 為 進(jìn) 一 步 觀 察 裂 紋 部 位 的 細(xì) 節(jié) ， 選 取 了 具 有 典型 裂 紋 的 上 模 下 端 面 的 失 效 部 位 ， 用 線 切 割 機(jī) 切 割裂 紋 部 位 ， 進(jìn) 行 取 樣 分 析 ， 樣 件 尺 寸 10mmX 10mmX 6mm。 通 Philpsquant-200型 掃 描 電 子 顯 微 鏡 進(jìn) 行 觀測 ， 得 到 了 不 同 倍 數(shù) 的 掃 描 電 鏡 圖 片 ， 可 以 看 到 ，在 失 效 模 具 表 面 邊 緣 處 出 現(xiàn) 大 量 的 蝕 點(diǎn) ， 邊 緣 磨 損嚴(yán) 重 ， 失 去 形 狀 。 模 具 表 面 分 布 裂 紋

6、 ， 裂 紋 深 淺程 度 不 一 ， 主 裂 紋 周 圍 伴 有 大 量 細(xì) 小 裂 紋 ， 靠 近模 具 端 部 的 細(xì) 小 裂 紋 已 經(jīng) 縱 橫 溝 通 ， 由 邊 緣 向 內(nèi) 部延 伸 。 裂 紋 內(nèi) 有 氧 化 物 夾 雜 ， 并 且 模 具 端 部 裂 紋表 面 有 部 分 脫 落 ， 脫 落 部 分 面 積 大 約 有 200 mm x 80 mm大 小 。 模 具 材 料 的 表 層 組 織 發(fā) 生 變 化 ， 有 表面 氧 化 現(xiàn) 象 。 能 譜 分 析 為 了 更 深 入 地 研 究模 具 失 效 的 原 因 ， 鑒 定裂 紋 內(nèi) 外 元 素 含 量 的 變化 及 合 金

7、 元 素 擴(kuò) 散 的 情況 ， 進(jìn) 行 了 裂 紋 區(qū) 域 的能 譜 分 析 (EDS)。 為 便 于比 較 ， 在 試 樣 上 選 取 了位 于 裂 紋 處 及 基 體 上 的A,B兩 個(gè) 點(diǎn) 進(jìn) 行 掃 描 ， 利用 GENESIS型 能 譜 分 析 儀， 從 而 得 到 了 裂 紋 內(nèi) 及基 體 處 的 EDS圖 譜 。 裂 紋 A與 裂 紋 B處 的 元 素 情 況 3） 模 具 失 效 的 分析 及 結(jié) 論 裂 紋 處 的 掃 描 圖 譜 中 沒 有 發(fā) 現(xiàn) 合 金 元 素 M n ， M o ， V ， Si， 裂 紋 附 近 的 合 金 元 素也 發(fā) 生 了 變 化 合 金 元

8、素 含 量 改 變 。 由 此 可 知 ， 在 高 溫 腐 蝕 的 環(huán) 境 作 用 下 ，失 效 模 具 鋼 表 面 的 合 金 元 素 進(jìn) 行 了 重 新 分布 ， 裂 紋 處 的 合 金 元 素 M n， M o， V ， Cr 的 含 量 大 幅 降 低 ， 導(dǎo) 致 模 具 材 料 的 局 部 強(qiáng)度 下 降 ， 形 成 可 能 的 裂 紋 萌 生 源 。 這 種 初始 裂 紋 在 外 載 荷 ， 尤 其 是 強(qiáng) 烈 的 沖 擊 載 荷 和 冷 熱 交 替 循 環(huán) 產(chǎn) 生 的 交 變 熱 應(yīng) 力 作 用 下 ， 極易 增 長 。 擴(kuò) 展 的 裂 紋 逐 漸 溝 通 融 合 ， 即 可產(chǎn) 生

9、 宏 觀 裂 紋 ， 產(chǎn) 生 龜 裂 現(xiàn) 象 。 此 外 ，在 高 溫 腐 蝕 下 模 具 表 面 產(chǎn) 生 氧 化 物 ， 脆 性 氧化 物 的 脫 落 降 低 了 模 具 表 的 耐 磨 性 和 抗 氧 化性 ， 加 速 了 表 層 磨 損 ， 最 終 導(dǎo) 致 模 具 失 效 。 對 裂 紋 深 處 的 進(jìn) 一 步 研 究 表 明 ， 穿 過 表層 的 裂 紋 內(nèi) 未 見 有 脫 碳 ， 裂 紋 內(nèi) 部 也 未 見氧 化 現(xiàn) 象 ， 所 以 ， 可 以 認(rèn) 為 裂 紋 不 是 由 熱處 理 產(chǎn) 生 的 。 裂 紋 內(nèi) 及 裂 紋 附 近 均 出 現(xiàn) 了 氧 元 素 ， 裂紋 處 的 含 量

10、更 高 ， 模 具 鋼 表 面 發(fā) 生 了 氧 化腐 蝕 ， 且 裂 紋 處 氧 化 嚴(yán) 重 。 顯 微 硬 度 分 析利 用 FM-300維 氏 顯 微 硬 度計(jì) 測 定 了 裂 附 近 的 顯 微 硬 度。 從 測 量 結(jié) 果 看 ， 可 以 觀察 到 失 效 模 表 面 有 一 退 化 層 ， 其 深 度 在 300 800m之 間， 退 化 層 上 分 布 有 裂 紋 ；越 靠 近 材 料 表 面 硬 度 值 越 低 ， 硬 度 值 的 變 化 范 圍 在 195 455HV 之 間 ， 而 H13 模 具鋼 原 始 硬 度 應(yīng) 在 500 HV左右 。 而 且 模 具 鋼 表 面 經(jīng)

11、 過高 溫 氧 化 腐 蝕 后 ， 材 料 內(nèi)化 學(xué) 元 素 含 量 的 比 例 發(fā) 生 改變 ， 合 金 元 重 新 分 布 ， 且越 靠 近 表 面 的 部 位 合 金 元 素降 低 越 嚴(yán) 重 ， 硬 度 也 隨 之 下 降 的 越 快 ， 由 此 可 以 推 斷， 硬 度 的 改 變 是 由 材 料 內(nèi) 元素 成 分 的 變 化 引 起 的 ， 圖 中 給 出 了 顯 微 硬 度 分 布 結(jié)果 。 由 上 述 試 驗(yàn) 分 析 可 知 ， 在 高 溫 高 壓 的 工 作 環(huán) 境 中， 材 料 表 面 成 分 改 變 ， 局部 表 面 合 金 元 素 的 降 低 ， 直接 導(dǎo) 致 了 模

12、具 材 料 性 能 的 下降 ， 在 強(qiáng) 烈 的 沖 擊 及 熱 疲勞 載 荷 作 用 下 ， 在 該 部 位首 先 出 現(xiàn) 破 損 ， 顯 然 ， 引起 熱 鍛 模 具 失 效 的 初 始 破 壞是 從 材 料 的 表 面 開 始 的 。 初始 破 損 在 沖 擊 載 荷 和 熱 疲 勞載 荷 交 替 作 用 下 ， 不 斷 擴(kuò) 展 延 伸 ， 相 互 貫 通 ， 形 成宏 觀 裂 紋 ， 加 上 表 面 的 高溫 氧 化 作 用 ， 形 成 脆 性 氧化 物 ， 脆 性 氧 化 物 的 抗 疲勞 性 能 較 差 ， 容 易 引 起 脫落 ， 這 樣 在 有 些 失 效 模 具上 就 出 現(xiàn)

13、 了 邊 緣 部 位 表 面 的大 面 積 脫 落 。 某 失 效 模 具 鋼 表 層 材 料 的硬 度 變 化 曲 線 結(jié) 論導(dǎo) 致 汽 車 熱 鍛 模 失 效 的 主 要 原 因 是 ： 模 具 型 腔 表 面 的 熱 磨 損 、 高 溫 氧化 及 熱 疲 勞 裂 紋 。 模 具 工 作 面 表 層 材 料 的 性 能 對 模 具 的 最 終服 役 壽 命 起 到 至 關(guān) 重 要 的 作 用 ， 要 提 高 模 具的 工 作 性 能 ， 延 長 其 使 用 壽 命 ， 也 應(yīng) 從 材 料 的 表 面 著 手 。 隨 著 材 料 表 面 工 程 處 理 技 術(shù) 的 發(fā)展 ， 通 過 表 面

14、工 程 的 技 術(shù) 手 段 ， 可 以 很 好 地 改善 材 料 的 表 面 性 能 ， 如 提 高 材 料 的 抗 高 溫 腐蝕 性 能 ， 耐 磨 損 性 能 ， 提 高 疲 勞 強(qiáng) 度 等 。 常 用的 表 面 處 理 手 段 如 表 面 噴 涂 ， 表 面 溶 覆 等 工 藝可 顯 著 地 提 高 材 料 的 硬 度 及 耐 磨 性 ， 可 大 大 地提 高 熱 鍛 模 的 使 用 壽 命 ， 而 且 具 有 良 好 的 經(jīng)濟(jì) 性 。 參 考 文 獻(xiàn) 【 1】 樊 東 黎 ， 王 廣 生 ， 熱 處 理 手 冊 【 M】 .北 京 :機(jī) 械 工 業(yè) 出 版 社 ， 2001. 【 2】

15、 徐 進(jìn) .陳 冉 技 .模 具 鋼 【 .M】 .北 京 :冶 金 工業(yè) 出 版 社 ， 1989. 【 3】 曾 珊 琪 ， 丁 毅 ， 模 具 壽 命 與 失 效 M】 .北 京:化 學(xué) 工 業(yè) 出 版 社 ， 2005. 【 4】 寶 志 堅(jiān) .汽 車 熱 鍛 校 具 的 失 效 機(jī) 理 及 延 壽技 術(shù) 【 D】 .北 京 :華 北 電 力 大 學(xué) ， 2006. 【 5】 徐 濱 士 .神 奇 的 表 面 工 程 【 M】 .北 京 :淸 華大 學(xué) 出 版 社 ， 2000. 【 6】 劉 宗 徳 .安 江 英 ， 楊 昆 等 .電 爆 炸 高 速 噴 涂新 技 術(shù) 研 究 【 j

16、】 。 爆 炸 與 沖 擊 ,2001（ 1） ： 17-20 D型 石 墨 合 金 灰鑄 鐵 玻 璃 模 具 的裂 紋 失 效 分 析 目 錄 1、 模 具 與 模 具 材 料 2、 模 具 腔 內(nèi) 裂 紋 分 析 3、 結(jié) 論 4、 改 進(jìn) 措 施 1、 模 具 與 模 具 材 料玻 璃 模 具 的 常 見 損 傷 原 因 及 性 能 要 求在 玻 璃 制 品 生 產(chǎn) 過 程 中 ， 熔 融 的 玻 璃 料 由 滴 料 機(jī)送 入 玻 璃 模 具 中 ， 熱 量 由 模 具 內(nèi) 擴(kuò) 散 到 外 部 ， 快速 冷 卻 使 玻 璃 料 成 型 ， 然 后 開 模 ， 得 到 玻 璃 制 品 。由

17、 于 模 具 內(nèi) 腔 頻 繁 與 高 溫 粘 滯 玻 璃 接 觸 ， 必 定 要承 受 玻 璃 料 的 磨 損 及 腐 蝕 ； 同 時(shí) 制 品 在 模 具 內(nèi) 成型 ， 則 要 經(jīng) 受 1100 左 右 的 熔 融 玻 璃 到 出 模 的 600 左 右 成 型 制 品 的 快 速 溫 度 循 環(huán) ； 因 此 要 求 玻璃 模 具 在 高 溫 下 具 有 良 好 的 耐 磨 損 、 耐 腐 蝕 、 抗氧 化 性 、 導(dǎo) 熱 性 以 及 抗 熱 疲 勞 性 等 性 能 ， 另 外 ，玻 璃 模 具 還 應(yīng) 具 有 一 定 的 機(jī) 加 工 性 ， 材 質(zhì) 致 密 ，熱 膨 脹 系 數(shù) 小 ， 成

18、本 低 廉 等 特 點(diǎn) 。 D型 石 墨 合 金 灰 鑄 鐵 的 性 能 D 型 石 墨 是 灰 鑄 鐵 鐵 液 在 較 高 過 冷 度 的 條 件 下 形 成的 奧 氏 體 枝 晶 間 點(diǎn) 狀 石 墨 。 在 基 體 組 織 相 同 的 情 況下 ， D 型 石 墨 鑄 鐵 的 強(qiáng) 度 高 于 普 通 A 型 石 墨 鑄 鐵 。加 之 D 型 石 墨 分 布 更 為 細(xì) 小 均 勻 ， 端 部 較 鈍 ， 不 會(huì)引 起 較 大 的 應(yīng) 力 集 中 ， 而 且 在 共 晶 團(tuán) 之 間 不 會(huì) 相 互接 觸 ， 在 組 織 致 密 性 、 抗 氧 化 性 、 耐 熱 疲 勞 性 等 方面 也 表

19、 現(xiàn) 良 好 。 D型 石 墨 合 金 灰 鑄 鐵 以 其 良 好 的 抗 氧 化 性 能 被 廣 泛應(yīng) 用 于 玻 璃 模 具 。 在 D 型 石 墨 合 金 鑄 鐵 模 具 的 生 產(chǎn)過 程 ， 通 常 采 用 合 金 化 和 內(nèi) 腔 激 冷 工 藝 ， 以 獲 得 良好 的 D 型 石 墨 形 態(tài) ， 提 高 模 具 的 抗 氧 化 性 、 耐 磨 性和 抗 熱 疲 勞 性 能 。 但 是 ,如 果 工 藝 控 制 不 嚴(yán) ， 會(huì) 在 模具 組 織 中 形 成 晶 間 碳 化 物 ， 退 火 時(shí) 難 以 完 全 消 除 ，導(dǎo) 致 模 具 在 使 用 過 程 出 現(xiàn) 裂 紋 ， 影 響 模

20、 具 的 使 用 壽命 。 模 具 的 生 產(chǎn) 工 藝 鐵 水 在 容 重 500KG 的 中 頻 無 芯 感 應(yīng) 電 爐 熔 煉 ， 加 料 順序 為 廢 鋼 、 鐵 合 金 、 回 爐 料 、 生 鐵 ， 鐵 水 熔 煉 溫 度 1500 1520 。 為 了 縮 短 出 爐 到 澆 注 的 時(shí) 間 ， 防 止 孕 育衰 退 ， 添 加 回 爐 料 降 低 鐵 水 出 爐 溫 度 ， 出 爐 時(shí) 隨 鐵 水 流孕 育 加 入 0.4-0.6WT%的 SH 孕 育 劑 。 采 用 冷 鐵 在 上 的 單箱 無 冒 口 樹 脂 砂 成 形 工 藝 鑄 造 成 形 ， 澆 注 速 度 約 25S

21、/模 ， 500KG 鐵 水 在 3-5MIN 內(nèi) 澆 完 。 合 金 鑄 鐵 的 化 學(xué) 成分 如 下 表 所 示 。 模 具 落 砂 清 理 后 進(jìn) 行 退 火 處 理 。 采 用功 率 為 120K W 的 臺(tái) 車 式 電 阻 退 火 爐 ， 以 約 110 /H 的升 溫 速 率 由 室 溫 加 熱 到 910 ， 保 溫 6-8H， 然 后 隨 爐 冷到 至 400 以 下 后 出 爐 空 冷 。鐵 液 化 學(xué) 成 分 圖 為 合 金 鑄 鐵 模 具 退 火 的 組 織 。 退 火后 的 組 織 為 鐵 素 體 基 體 ， 但 組 織 中 仍殘 存 少 量 的 珠 光 體 和 碳 化

22、 物 。 2、 模 具 腔 內(nèi) 裂 紋分 析裂 紋 的 宏 觀 形 貌 在 服 役 過 程 中 ， 出現(xiàn) 早 期 內(nèi) 腔 裂 紋 失效 的 模 具 如 右 圖 所示 。 圖 中 ， 模 具 內(nèi)腔 表 面 存 在 三 條 肉眼 可 見 的 裂 紋 。 一旦 出 現(xiàn) 這 種 裂 紋 ，就 會(huì) 在 玻 璃 制 品 表面 留 下 印 跡 ， 影 響制 品 表 面 質(zhì) 量 ； 如果 繼 續(xù) 使 用 ， 模 具還 會(huì) 出 現(xiàn) 斷 裂 的 危險(xiǎn) 。 模 具 內(nèi) 腔 裂 紋 宏觀 形 貌 裂 紋 的 微 觀 形 貌為 了 分 析 上 述 目 標(biāo) 裂 紋 的 形 成 原 因 ， 在 模 具 內(nèi)腔 表 面 截 取

23、 裂 紋 試 樣 進(jìn) 行 了 微 觀 分 析 。 用 線 切割 在 模 具 內(nèi) 腔 表 面 截 取 包 含 裂 紋 的 矩 形 試 樣 若干 ， 試 樣 尺 寸 為 30MM 30MM 30MM。 經(jīng) 研 磨、 拋 光 ， 在 金 相 顯 微 鏡 下 觀 察 裂 紋 走 向 及 微 觀石 墨 形 態(tài) 和 分 布 ； 再 經(jīng) 5%硝 酸 酒 精 溶 液 浸 蝕 后， 在 金 相 顯 微 鏡 及 SEM下 觀 察 裂 紋 形 貌 及 基 體組 織 形 態(tài) ， 同 時(shí) 采 用 EDS 分 析 未 知 相 的 成 分 。 由 于 目 標(biāo) 裂 紋 較 長， 將 裂 紋 分 為 了 三個(gè) 部 分 。 圖

24、示 為 裂 紋 的 起 始 擴(kuò)展 示 意 圖 ， 裂 紋 是 沿奧 氏 體 枝 晶 交 界 處 傳播 的 ， 這 是 因 為 奧 氏體 枝 晶 間 存 在 元 素 和夾 雜 的 偏 析 ， 結(jié) 合 強(qiáng)度 相 對 較 低 。圖 示 為 裂 紋 的 末 端 ， 從 圖 中 可 以 看 出 ， 裂紋 較 細(xì) 、 無 分 枝 ， 裂紋 周 邊 的 組 織 無 明 顯的 相 變 。圖 示 為 裂 紋 的 中 段 ，裂 紋 周 邊 的 組 織 未 發(fā)生 明 顯 的 組 織 變 化 ，但 裂 紋 在 傳 播 的 過 程中 發(fā) 生 分 枝 。 圖 示 為 裂 紋 周 邊 與 遠(yuǎn) 離 裂 紋 處 的 組 織 對

25、 比 ， a為 裂 紋周 邊 ,b為 遠(yuǎn) 離 裂 紋 處 。由 此 可 見 ， 裂 紋 周 邊 因 熱 疲 勞 而 發(fā) 生 了 組 織 變 化 ， 這種 相 變 會(huì) 產(chǎn) 生 較 大 的 應(yīng) 力 ， 當(dāng) 應(yīng) 力 得 不 到 釋 放 時(shí) ， 就會(huì) 在 模 具 表 面 產(chǎn) 生 裂 紋 。由 上 述 金 相 組 織 分 析 ， 可 以 得 出 ： 在 裂 紋 前 段 ， 裂 紋附 近 組 織 在 熱 循 環(huán) 作 用 下 已 發(fā) 生 較 嚴(yán) 重 的 組 織 相 變 ；有 可 能 是 裂 紋 產(chǎn) 生 的 根 源 。 在 裂 紋 末 端 ， 組 織 正 常 ，是 初 始 裂 紋 在 應(yīng) 力 的 作 用 下

26、沿 晶 間 弱 結(jié) 合 面 擴(kuò) 展 的 結(jié)果 。 對 裂 紋 試 樣 進(jìn) 行 SEM分 析。 圖 為 裂 紋 附 近 的 組 織 。在 裂 紋 兩 側(cè) 可 以 清 楚 地 看到 鐵 素 體 枝 晶 以 及 明 顯 的氧 化 斑 ， 而 在 晶 界 處 存 在大 量 細(xì) 小 的 白 色 顆 粒 。經(jīng) 成 分 分 析 可 知 ， 塊 狀 和 粒狀 夾 雜 均 為 碳 化 物 顆 粒 ， 碳化 物 中 含 有 少 量 的 Mo 和 Ti，即 含 Mo 和 Ti 的 合 金 滲 碳 體 。塊 狀 碳 化 物 和 顆 粒 狀 碳 化 物的 形 成 過 程 不 同 ， 塊 狀 碳 化物 應(yīng) 為 鑄 造 過

27、 程 產(chǎn) 生 的 ， 而在 退 火 過 程 中 未 完 全 溶 入 奧氏 體 ， 殘 留 在 晶 界 。 小 的 顆 粒 狀 碳 化 物 則 是 由 于 模 具 在使 用 過 程 中 ， 受 熱 時(shí) ， 碳 或碳 化 物 向 奧 氏 體 中 溶 解 ； 在模 具 激 冷 時(shí) ， 溶 解 在 奧 氏 體中 的 碳 以 二 次 碳 化 物 的 形 式析 出 。 由 圖 可 以 看 出 ， 在 晶 界 處 存在 塊 狀 和 不 同 粒 徑 的 顆 粒 狀?yuàn)A 雜 物 。 觀 察 裂 紋 附 近 組 織 晶 界 處 形 貌 ， 可 以 看 出 ， 組織 中 包 含 塊 狀 磷 共 晶 、 碳 化 物 、

28、 析 出 碳 化 物 、二 次 石 墨 等 ， 其 中 塊 狀 磷 共 晶 和 碳 化 物 為 鑄 態(tài)， 退 火 處 理 中 未 完 全 消 除 ； 二 次 石 墨 可 能 是 在退 火 過 程 中 形 成 的 ， 也 有 可 能 是 在 模 具 使 用 過程 中 形 成 的 。 在 700 以 上 的 高 溫 下 ， 基 體 鐵 和 石 墨 都 會(huì) 發(fā) 生 劇 烈 的氧 化 ， 而 且 石 墨 越 數(shù) 量 多 ， 石 墨 片 越 粗 大 ， 氧 化 越 嚴(yán) 重。 在 模 具 服 役 過 程 中 ， 模 具 材 料 會(huì) 反 復(fù) 地 經(jīng) 過 鐵 素 體 和奧 氏 體 轉(zhuǎn) 變 區(qū) 域 ， 碳 不

29、斷 地 溶 解 與 析 出 ， 勢 必 會(huì) 造 成 體積 膨 脹 與 組 織 內(nèi) 部 應(yīng) 力 ； 由 于 石 墨 對 基 體 有 非 常 強(qiáng) 烈 的 割 裂 作 用 ， 且 石 墨 片 越 粗大 ， 端 部 越 尖 銳 ， 這 種 割 裂 效 果 越 明 顯 ， 從 而 降 低 材 料的 強(qiáng) 度 ， 成 為 基 體 的 裂 紋 源 ； 基 體 組 織 中 若 存 在 大 塊 狀 碳 化 物 ， 這 種 高 溫 下 不 穩(wěn) 定 的異 質(zhì) 相 在 模 具 工 作 過 程 中 會(huì) 部 分 發(fā) 生 石 墨 化 轉(zhuǎn) 變 ， 導(dǎo) 致模 具 高 溫 生 長 ； 同 時(shí) 在 晶 界 析 出 的 塊 狀 碳 化

30、 物 會(huì) 引 起 脆性 ， 在 熱 應(yīng) 力 的 作 用 下 加 速 裂 紋 源 的 萌 生 與 擴(kuò) 展 ； 常 溫 下 晶 界 強(qiáng) 度 大 于 晶 粒 強(qiáng) 度 ， 因 此 晶 粒 越 細(xì) 小 ， 晶 界就 越 多 ， 強(qiáng) 度 也 相 對 越 高 ； 但 在 高 溫 下 ， 隨 著 溫 度 的 提高 ， 材 料 晶 界 強(qiáng) 度 和 晶 粒 強(qiáng) 度 同 時(shí) 下 降 ， 而 且 晶 界 強(qiáng) 度 下 降 的 更 為 顯 著 。 當(dāng) 超 過 等 強(qiáng) 溫 度 時(shí) ， 晶 界 強(qiáng) 度 低 于 晶粒 強(qiáng) 度 ， 位 錯(cuò) 容 易 在 晶 界 滑 動(dòng) ， 產(chǎn) 生 裂 紋 源 ， 并 最 終 導(dǎo)致 材 料 的 沿

31、晶 開 裂 。 結(jié) 論 從 上 述 分 析 可 知 ， 模 具 在 使 用 過 程 產(chǎn) 生 裂 紋 的 原 因 是： 在 反 復(fù) 的 受 熱 、 冷 卻 過 程 中 碳 化 物 的 溶 解 和 析 出 ，造 成 較 大 的 相 變 應(yīng) 力 。 相 變 應(yīng) 力 與 玻 璃 液 的 摩 擦 應(yīng) 力疊 加 ， 在 晶 界 萌 生 裂 紋 并 沿 晶 界 擴(kuò) 展 。 組 織 中 塊 狀 碳化 物 和 磷 共 晶 與 基 體 組 織 熱 膨 脹 系 數(shù) 相 差 較 大 ， 或 是由 于 石 墨 片 對 基 體 的 割 裂 作 用 ， 容 易 在 端 角 處 產(chǎn) 生 應(yīng)力 集 中 ， 促 進(jìn) 裂 紋 的

32、形 成 與 延 伸 。 改 進(jìn) 措 施 由 裂 紋 失 效 分 析 可 知 ， 產(chǎn) 生 裂 紋 的 主 要 原 因 是 模 具組 織 中 存 在 E 型 石 墨 、 粗 大 的 碳 化 物 和 磷 共 晶 等 ，而 這 些 組 織 的 形 成 與 鐵 水 熔 煉 、 孕 育 處 理 及 模 具 毛坯 的 退 火 工 藝 密 切 相 關(guān) 。 因 此 ， 可 以 從 鐵 水 熔 煉 、孕 育 處 理 以 及 退 火 工 藝 等 方 面 進(jìn) 行 改 進(jìn) ， 達(dá) 到 改 善模 具 組 織 ， 提 高 模 具 的 抗 熱 疲 勞 性 能 。 對 D 型 石 墨 合 金 灰 鑄 鐵 ， 鐵 水 在 151

33、0 1520 熔煉 、 并 靜 置 5min 以 上 ， 有 利 于 提 高 鐵 水 的 冶 金 質(zhì)量 。 采 用 0.030.05wt%的 RE 二 次 孕 育 和0.0050.01wt%含 Bi孕 育 劑 型 內(nèi) 孕 育 ， 模 具 可 獲 得細(xì) 小 的 D 型 石 墨 ， 組 織 的 均 勻 性 明 顯 提 高 ， 基 體組 織 中 的 碳 化 物 和 磷 共 晶 數(shù) 量 顯 著 降 低 。 將 D 型 石 墨 合 金 灰 鑄 鐵 的 高 溫 石 墨 化 退 火 溫 度 由 900 -910 提 高 至 930 -960 ， 增 加 720 750 石 墨 化 保 溫 時(shí) 間 ， 有 利 于 得 到 全 鐵 素體 基 體 、 碳 化 物 彌 散 細(xì) 小 的 組 織 ， 退 火 時(shí) 間 較 原 工藝 縮 短 12h。 采 用 RE 二 次 孕 育 、 型 內(nèi) Bi 孕 育 和 新的 退 火 工 藝 ， 模 具 組 織 的 均 勻 性 得 到 極 大 的 改 善 ， 模 具 服 役 情 況 良 好 。