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GCr15钢圈模具断裂失效分析
大连铁道学院
刘世程等
摘
要：从冷加工质量、材料组织性能、服役条件与断裂特征等方面分析了GCr15钢圈成型模具早期断裂失效的原因。不同模具中分别存在网状碳化物、粗大马氏体组织、回火不足等热加工缺陷以及过渡圆角尖锐等冷加工缺陷。模具断裂失效是冷、热加工缺陷综合作用造成的。
关键词：模具；断裂；应力集中；过热组织；网状碳化物
某厂钢圈冷成型模具使用GCr15钢制造，其基本结构示意图见图1。模具工作时，除工作面与被加工物间发生强烈摩擦外，凸缘还承受交变单向弯曲载荷作用。生产中出现一批规格不同的钢圈模具(共9件，以下依次记为1号模具、2号模具……9号模具)早期断裂失效。从失效模具取样进行化学成分定量分析，结果表明成分符合YJZ84《高碳铬轴承钢》标准要求。显微分析表明非金属夹杂物亦未超标。宏观分析得出，失效模具断裂位置有三种，即键槽底部圆角过渡处、芯轴—凸缘过渡处以及凸缘内表面受强烈磨损的部位。本文将这批模具按断裂位置分类，使用宏观断口与微观组织等分析方法，对其工作条件、显微组织、硬度特性以及断裂特征进行了分析，从冷、热加工质量两方面找出了断裂失效的原因。
图1
模具结构示意图
1
键槽底部圆角过渡处断裂
1号与2号模具的宏观断口分析结果表明，裂纹均从键槽底部圆角过渡处形成，然后扩展造成断裂。与断裂处相对应的圆角处的加工形状见图2，该处基本无圆角过渡。模具硬度为58～59HRC。显微组织为粗大针状马氏体(图3)。
图2 1号模具内孔键槽的形状
×1.9
图3 1模具的显微组织 ×500
对这二件模具。由于热处理工艺不当，淬火加热时发生了过热、形成了粗大马氏体组织，使材料韧性大大降低，这是导致模具断裂失效的内因。从结构形状看，键槽底部圆角过渡处属于应力集中最大的部位，裂纹很容易从这种部位萌生。因此，设计与加工中应避免尖蜕的圆角。但从玲加工质t看。此处未按设计要求加工，致使健摘底部圈角过拨处十分尖锐。尖锐回角引起的应力集中可高达平均计算应力的10倍多。在工作载荷下过度的应力集中使裂纹在键槽底部口角过渡处形成并扩展，造成断裂。这是模具断裂失效的外因。由此得出，1号与2号模具的断裂失效是热处理缺陷与冷加工缺陷综合作用造成的。
2
芯轴—凸缘过渡处断裂
3号、4号、5号模具均在芯轴—凸缘过渡处断裂，其典型的断口宏观形貌见图4。裂纹在芯轴—凸缘内表面过渡处形成，向凸缘外侧扩展导致断裂。侧试结果表明，过渡处无圆角过渡。三件模具显微组织均为粗大针状马氏体，且3号模具中碳化物分布不均匀(图5)。从3号模具切取试样、测得硬度为64～65HRC。若将该试样再加热至180℃回火3h，则硬度降为61.5HRC，说明该模具回火不充分。其它模具的硬度为60～61HRC。
图4 3号模具断口的宏观形貌 1.5×
图5 3号模具的显微组织
500×
对这三件模具，从结构形状上看，芯轴--凸缘内表面过渡处为应力集中最严重的部位，弯曲载菏将在这一部位引起最大拉应力，由于冷加工工艺不当造成该过渡处十分尖锐，增大了应力集中因素，使拉应力进一步增大。这对材料强韧性即热处理质量提出了更加苛刻的要求。遗憾的是，这三件模具热处理均出现过热，结果得到粗大马氏体组织而使模具韧性大大降低。尤其是3号模具，不但组织粗大、碳化物分布不均，且回火不足、淬火应力消除不充分。从而构成了模具断裂的潜在因素。因此，对这三件模具，早期断裂失效同样是冷、热加工缺陷综合作用引起的。
3
凸缘内表面强烈磨损处断裂
6号、7号、8号、9粤模其的断裂均为凸缘上还芯轴--凸缘过渡处约10mm的圆周上的环状断裂(图6)。由宏观断面可以看到明显的海滩状花样(图7)，说明断裂为疲劳断裂。靠近凸缘内表面的断面平滑，颜色较深，表明裂纹由凸缘内表面形成，然后在工作应力作用下向外缓慢扩展，达到临界尺寸时失稳扩展，造成断裂。对于7号模具，裂纹失稳扩展的临界尺寸约为18mm(图7)、而对于5号模具，约为10mm(图8)。仔细观察上述圆周的未断裂都位发现，该圆周工作中由于强裂磨损已形成凹陷痕迹，而且该圆周的许多部位也已形成了周向裂纹(图6)，但由于裂纹较浅，尚未断掉。
图6 6号模具凸缘内表面上的断裂部位、磨损状况与环状裂坟
1.3×
图7 7号模具断口的定观形貌 1.9×
图8 6号模具断口的宏观形貌
1.3×
这四件模具中，有二件(8号与9号)由于热处理过热而产生了粗大马氏体组织(图9)，有一件(5号)由于锻造工艺不当使碳化物呈网状分布，达到3级，成为不合格组织(图lO）。
图9
8号模具的显微组织
500×
图10
6号模具的显微组织
500×
冷作模具经常在尺寸过渡、刀痕、磨损沟痕等处萌生疲劳裂纹。对这四件模具，断裂均发生在强烈磨损的圆周上，该圆周由于强烈磨损已形成磨损沟痕。磨损沟痕处的硬度测定结果表明，该处硬度比未磨损部位低约3HRC，说明模具与钢圈间的强烈摩擦引起了局部温度升高，局都温升与随后的急剧冷却必将产生附加应力。由图6还可以看到，凸缘内表面有十分明显的放射状擦伤道痕。由于钢圈材料硬度较低，不会造成这种道痕，因而推测是泥沙等外来硬质点造成的，这些硬质点同样能在强烈摩擦的圆周处引起较深的划痕，导致局部应力集中。强烈的摩擦磨损以及局部冷热循环引发出许多细小裂缝(图7）。在工作载荷作用下，细小裂纹连接、扩展，最后失稳断裂。
粗大组织、网状碳化物等热加工缺陷降低了材料的强韧性，引起裂纹的早期萌生与快速扩展，并将大大缩短模具的使用寿命。比较6号模具与7号模具看到，由于6号模具网状碳化物超标，结果裂纹临界尺寸减小，寿命缩短。因此，对6号、7号、8号、9号模具，断裂是在工作圆周处由于强烈摩擦磨损引发小裂纹，然后扩展造成疲劳断裂。而锻造、热处理产生的网状碳化物、粗大组织等缺陷加速了裂纹的萌生与扩展，降低了模具的疲劳寿命。
4 结论
l)宏观断口分析表明，GCr15钢圈冷成型模具断裂失效形式分别为:键槽底部过渡处和芯轴--凸缘过渡处由于切削加工工艺不当，过渡圆角过分尖锐，应力集中引起的断裂；凸缘内表面强烈摩擦磨损引发裂纹并扩展造成的环状疲劳断裂。
2)徽现组织分析及硬度侧定结果表明，钢圈模具中分别存在网状碳化物、粗大马氏体组织、回火不足等热加工缺陷，这些缺陷大大降低了材料的力学性能，促使模具早期断裂失效。
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