模具失效的案例分析

1、班级：班级： 材料材料1130211302班班 组组号：号： 第第 07 07 组组 组员：陈帅挥组员：陈帅挥 徐文涵徐文涵 张栋张栋H H1313钢汽车热锻模具失效机理钢汽车热锻模具失效机理分析分析 1 1）模具及材料基本概况）模具及材料基本概况 2 2）模具）模具失效的分析手段失效的分析手段 3 3）模具失效）模具失效的分析及结论的分析及结论 4 4）解决措施解决措施H H1313钢汽车热锻模具失效机理分析钢汽车热锻模具失效机理分析1）模具及材料基本概况：模具材料及模具加工方式： 目前，国内汽车热锻模具钢大都采用 H 系列钢，具有较高的高温强度和抗回火能力，红硬性好，且有良好的抗高温疲劳腐

2、蚀性能。此次分析的热锻模材料均为 H13 模具钢 , 钢号 4Cr5MoSiV1 , 其标准材料的化学成分如表 1 所示 。热锻模具材料的热处理工艺流程为 : 去应力退火 淬火 3 次回火,模具表面还进行了氮化处理 , 最终洛氏硬度 (HRC) 在 49 50. 模具的工作环境及寿命 此次分析的汽车热锻模具应用于轴类毛坯件的粗锻阶段，胚料初始温度 12001300，由于热作模具的工作面往往与高温坯料直接触，模具型腔的瞬时温度可达 600700 。另外，模具工作 中需采用喷水冷却，持续时间大约在 0204S，这样使得模具在工作中产生周期性的温度变化，冷热交替循环易引起热疲劳。模具使用寿命调查发现

3、，使用寿命较短的热锻模 具在 16001800件，使用寿命较长的在 55007000 件，模具平均寿命在 40005000件，寿命很不稳定， 而国外同类模具使用寿命一般在 1万件以上。2）模具失效的分析手段 表面宏观分析 对失效热锻模工作面宏观形貌观察，大部分失效热锻模都是在表面出现了不同程度的损伤，表面的磨痕清晰可见：沟痕、划伤、粘着磨损现象。除磨损外，还有大量的冷热疲劳裂纹，呈网状 (龟裂状)或放射状分布。裂纹处的显微形貌 为进一步观察裂纹部位的细节，选取了具有典型裂纹的上模下端面的失效部位，用线切割机切割裂纹部位，进行取样分析，样件尺寸 10mmX 10mmX 6mm。通Philpsqu

4、ant-200型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，可以看到，在失效模具表面边缘处出现大量的蚀点 ，边缘磨损严重，失去形状 。模具表面分布裂纹 ，裂纹深浅程度不一，主裂纹周围伴有大量细小裂纹 ，靠 近模具端部的细小裂纹已经纵横沟通，由边缘向内部延伸 。裂纹内有氧化物夹杂 ，并且模具端部裂纹表面有部分脱落 ，脱落部分面积大约有 200 mm x 80 mm大小。模具材料的表层组织发生变化 ，有表面氧化现象 。 能谱分析 为了更深入地研究模具失效的原因，鉴定裂纹内外元素含量的变化及合金元素扩散的情况，进行了裂纹区域的能谱分析(EDS)。为便于比较，在试样上选取了位于裂纹处及基体上

5、的A,B两个点进行扫描，利用GENESIS型能谱分析仪，从而得到了裂纹内及基体处的 EDS图谱。裂纹A与裂纹B处的元素情况 3 3）模具失效的分析及结论）模具失效的分析及结论 裂纹处的扫描图谱中没有发现合金元素 M n ，M o ，V ，Si，裂纹附近的合金元素也发生了变化 合金元素含量改变。 由此可知，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 M n，M o，V ，Cr 的含量大幅降低 ，导致模具材料的局部强度下降 ，形成可能的裂纹萌生源 。这种初始裂纹在外载荷，尤其是强烈的冲击载荷和冷热交替循环产生的交变热应力作用下，极易增长。扩展的裂纹逐渐沟通融

6、合 ，即可产生宏观裂纹 ，产生龟裂现象 。此外 ，在高温腐蚀下模具表面产生氧化物，脆性氧化物的脱落降低了模具表的耐磨性和抗氧化性 ，加速了表层磨损 ，最终导致模具失效。 对裂纹深处的进一步研究表明，穿过表层的裂纹内未见有脱碳 ，裂纹内部也未见氧化现象 ，所以，可以认为裂纹不是由热处理产生的。 裂纹内及裂纹附近均出现了氧元素，裂纹处的含量更高 ，模具钢表面发生了氧化腐蚀，且裂纹处氧化严重。显微硬度分析利用 FM-300维氏显微硬度计测定了裂附近的显微硬度。从测量结果看 ，可以观察到失效模表面有一退化层 ，其深度在300800m之间，退化层上分布有裂纹 ；越靠近材料表面硬度值越低 ，硬度值的变化范

7、围在 195455HV 之间，而H13 模具钢原始硬度应在 500 HV左右 。而且模具钢表面经过高温氧化腐蚀后 ，材料内化学元素含量的比例发生改变 ，合金元重新分布 ，且越靠近表面的部位合金元素降低越严重 ，硬度也随之下降的越快，由此可以推断，硬度的改变是由材料内元素成分的变化引起的， 图中给出了显微硬度分布结果 。由上述试验分析可知 ，在高温高压的工作环境中，材料表面成分改变 ，局部表面合金元素的降低，直接导致了模具材料性能的下降 ，在强烈的冲击及热疲劳载荷作用下 ，在该部位首先出现破损 ，显然 ，引起热锻模具失效的初始破坏是从材料的表面开始的。初始破损在冲击载荷和热疲劳载荷交替作用下 ，

8、不断扩展延伸 ，相互贯通 ，形成宏观裂纹 ，加上表面的高温氧化作用 ，形成脆性氧化物 ，脆性氧化物的抗疲劳性能较差 ，容易引起脱落 ，这样在有些失效模具上就出现了边缘部位表面的大面积脱落 。某失效模具钢表层材料的硬度变化曲线 结论导致汽车热锻模失效 的主要原 因是 ：模具型腔表面的热磨损 、高温氧化及热疲劳裂纹。 模具工作面表层材料的性能对模具的最终服役 寿命起到至关重要的作用，要提高模具的工作性能， 延长其使用寿命，也应从材料 的表面着手。随着材料表面工程处理技术的发展，通过表面工程的技术手段，可以很好地改善材料 的表面性能，如提高材料的抗高温腐蚀性能，耐磨损性能，提高疲劳强度等。常用的表面

9、处理手段如表面喷涂，表面溶覆等工艺可显著地提高材料的硬度及耐磨性，可大大地提高热锻模的使用寿命，而且具有 良好的经济性。参考文献参考文献 【1】樊东黎，王广生，热处理手册【M】.北京:机械工业出版社，2001. 【2】徐进.陈冉技.模具钢【.M】.北京:冶金工业出版社，1989. 【3】曾珊琪，丁毅，模具寿命与失效M】.北京:化学工业出版社，2005. 【4】宝志坚 .汽车热锻校具的失效机理及延寿技术【D】.北京:华北电力大学，2006. 【5】徐滨士.神奇的表面工程【M】.北京:淸华大学出版社，2000. 【6】刘宗徳 .安江英，杨昆等.电爆炸高速喷涂新技术研究【j】。爆炸与冲击,2001（

10、1）：17-20 D D型石墨合金灰铸铁玻型石墨合金灰铸铁玻璃模具的裂纹失效分析璃模具的裂纹失效分析 目录目录 1 1、模具与模具材料、模具与模具材料 2 2、模具腔内裂纹分析、模具腔内裂纹分析 3 3、结论、结论 4 4、改进措施、改进措施1 1、模具与模具材料、模具与模具材料玻璃模具的常见损伤原因及性能要求玻璃模具的常见损伤原因及性能要求在玻璃制品生产过程中，熔融的玻璃料由滴料机送入玻璃模具中，在玻璃制品生产过程中，熔融的玻璃料由滴料机送入玻璃模具中，热量由模具内扩散到外部，快速冷却使玻璃料成型，然后开模，得热量由模具内扩散到外部，快速冷却使玻璃料成型，然后开模，得到玻璃制品。由于模具内腔

11、频繁与高温粘滞玻璃接触，必定要承受到玻璃制品。由于模具内腔频繁与高温粘滞玻璃接触，必定要承受玻璃料的磨损及腐蚀；同时制品在模具内成型，则要经受玻璃料的磨损及腐蚀；同时制品在模具内成型，则要经受 11001100左左右的熔融玻璃到出模的右的熔融玻璃到出模的 600600左右成型制品的快速温度循环；因此左右成型制品的快速温度循环；因此要求玻璃模具在高温下具有良好的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化性、导要求玻璃模具在高温下具有良好的耐磨损、耐腐蚀、抗氧化性、导热性以及抗热疲劳性等性能，另外，玻璃模具还应具有一定的机加热性以及抗热疲劳性等性能，另外，玻璃模具还应具有一定的机加工性，材质致密，热膨胀系数小，成本低

12、廉等特点。工性，材质致密，热膨胀系数小，成本低廉等特点。 D D型石墨合金灰铸铁的性能型石墨合金灰铸铁的性能 D D 型石墨是灰铸铁铁液在较高过冷度的条件下形成的奥氏体枝晶间点状石型石墨是灰铸铁铁液在较高过冷度的条件下形成的奥氏体枝晶间点状石墨。墨。 在基体组织相同的情况下，在基体组织相同的情况下，D D 型石墨铸铁的强度高于普通型石墨铸铁的强度高于普通 A A 型石墨铸型石墨铸铁。加之铁。加之D D 型石墨分布更为细小均匀，端部较钝，不会引起较大的应力集型石墨分布更为细小均匀，端部较钝，不会引起较大的应力集中，而且在共晶团之间不会相互接触，在组织致密性、抗氧化性、耐热疲中，而且在共晶团之间不

13、会相互接触，在组织致密性、抗氧化性、耐热疲劳性等方面也表现良好。劳性等方面也表现良好。 D D型石墨合金灰铸铁以其良好的抗氧化性能被广泛应用于玻璃模具。在型石墨合金灰铸铁以其良好的抗氧化性能被广泛应用于玻璃模具。在 D D 型石墨合金铸铁模具的生产过程，通常采用合金化和内腔激冷工艺，以获型石墨合金铸铁模具的生产过程，通常采用合金化和内腔激冷工艺，以获得良好的得良好的 D D 型石墨形态，提高模具的抗氧化性、耐磨性和抗热疲劳性能。型石墨形态，提高模具的抗氧化性、耐磨性和抗热疲劳性能。但是但是, ,如果工艺控制不严，会在模具组织中形成晶间碳化物，退火时难以完如果工艺控制不严，会在模具组织中形成晶间

14、碳化物，退火时难以完全消除，导致模具在使用过程出现裂纹，影响模具的使用寿命。全消除，导致模具在使用过程出现裂纹，影响模具的使用寿命。 模具的生产工艺模具的生产工艺 铁水在容重铁水在容重 500kg 500kg 的中频无芯感应电炉熔炼，加料顺序为废钢、铁合金、回的中频无芯感应电炉熔炼，加料顺序为废钢、铁合金、回炉料、生铁，铁水熔炼温度炉料、生铁，铁水熔炼温度 1500150015201520。为了缩短出炉到浇注的时间，防。为了缩短出炉到浇注的时间，防止孕育衰退，添加回炉料降低铁水出炉温度，出炉时随铁水流孕育加入止孕育衰退，添加回炉料降低铁水出炉温度，出炉时随铁水流孕育加入 0.4-0.4-0.6

15、wt%0.6wt%的的 SH SH 孕育剂。采用冷铁在上的单箱无冒口树脂砂成形工艺铸造成形，孕育剂。采用冷铁在上的单箱无冒口树脂砂成形工艺铸造成形，浇注速度约浇注速度约 25s/25s/模，模，500kg 500kg 铁水在铁水在 3-5min 3-5min 内浇完。合金铸铁的化学成分如下内浇完。合金铸铁的化学成分如下表表 所示。模具落砂清理后进行退火处理。采用功率为所示。模具落砂清理后进行退火处理。采用功率为 120k W 120k W 的台车式电阻退的台车式电阻退火炉，以约火炉，以约110/h 110/h 的升温速率由室温加热到的升温速率由室温加热到 910910，保温，保温 6-8h6-

16、8h，然后随炉冷，然后随炉冷到至到至400400以下后出炉空冷。以下后出炉空冷。铁液化学成分铁液化学成分图图 为合金铸铁模具退火的组织。退火后的组织为铁为合金铸铁模具退火的组织。退火后的组织为铁素体基体，但组织中仍残存少量的珠光体和碳化物。素体基体，但组织中仍残存少量的珠光体和碳化物。 2 2、模具腔内裂纹分析、模具腔内裂纹分析裂纹的宏观形貌裂纹的宏观形貌 在服役过程中，出现早期内腔在服役过程中，出现早期内腔裂纹失效的模具如右图所示。裂纹失效的模具如右图所示。图中，模具内腔表面存在三条图中，模具内腔表面存在三条肉眼可见的裂纹。一旦出现这肉眼可见的裂纹。一旦出现这种裂纹，就会在玻璃制品表面种裂纹

17、，就会在玻璃制品表面留下印迹，影响制品表面质量；留下印迹，影响制品表面质量；如果继续使用，模具还会出现如果继续使用，模具还会出现断裂的危险。断裂的危险。 模具内腔裂纹宏观形貌模具内腔裂纹宏观形貌 裂纹的微观形貌裂纹的微观形貌为了分析上述目标裂纹的形成原因，在模具内腔表面截取裂纹试样为了分析上述目标裂纹的形成原因，在模具内腔表面截取裂纹试样进行了微观分析。用线切割在模具内腔表面截取包含裂纹的矩形试进行了微观分析。用线切割在模具内腔表面截取包含裂纹的矩形试样若干，试样尺寸为样若干，试样尺寸为30mm30mm30mm30mm30mm30mm。经研磨、抛光，在金。经研磨、抛光，在金相显微镜下观察裂纹走

18、向及微观石墨形态和分布；再经相显微镜下观察裂纹走向及微观石墨形态和分布；再经5%5%硝酸酒硝酸酒精溶液浸蚀后，在金相显微镜及精溶液浸蚀后，在金相显微镜及SEMSEM下观察裂纹形貌及基体组织形下观察裂纹形貌及基体组织形态，同时采用态，同时采用 EDS EDS 分析未知相的成分。分析未知相的成分。由于目标裂纹较长，将裂纹由于目标裂纹较长，将裂纹分为了三个部分。分为了三个部分。 图示为裂纹的起始扩展示意图示为裂纹的起始扩展示意图，裂纹是沿奥氏体枝晶交图，裂纹是沿奥氏体枝晶交界处传播的，这是因为奥氏界处传播的，这是因为奥氏体枝晶间存在元素和夹杂的体枝晶间存在元素和夹杂的偏析，结合强度相对较低。偏析，结

19、合强度相对较低。图示为裂纹的末端，从图中图示为裂纹的末端，从图中可以看出，裂纹较细、无分可以看出，裂纹较细、无分枝，裂纹周边的组织无明显枝，裂纹周边的组织无明显的相变。的相变。图示为裂纹的中段，裂纹周边图示为裂纹的中段，裂纹周边的组织未发生明显的组织变化，的组织未发生明显的组织变化，但裂纹在传播的过程中发生分但裂纹在传播的过程中发生分枝。枝。图图 示为裂纹周边与远离裂纹处的组织对比，示为裂纹周边与远离裂纹处的组织对比， a a为裂纹周边为裂纹周边 ,b ,b为远离裂纹处。为远离裂纹处。由此可见，由此可见，裂纹周边因热疲劳而发生了组织变化，这种相变会产生较大的应裂纹周边因热疲劳而发生了组织变化，

20、这种相变会产生较大的应力，当应力得不到释放时，就会在模具表面产生裂纹。力，当应力得不到释放时，就会在模具表面产生裂纹。由上述金相组织分析，可以得出：由上述金相组织分析，可以得出：在裂纹前段，裂纹附近组织在热循环作用在裂纹前段，裂纹附近组织在热循环作用下已发生较严重的组织相变；有可能是裂纹产生的根源。在裂纹末端，组织下已发生较严重的组织相变；有可能是裂纹产生的根源。在裂纹末端，组织正常，是初始裂纹在应力的作用下正常，是初始裂纹在应力的作用下 沿晶间弱结合面沿晶间弱结合面 扩展的结果。扩展的结果。 对裂纹试样进行对裂纹试样进行SEMSEM分析。图为裂纹分析。图为裂纹附近的组织。在裂纹两侧可以清楚地

21、附近的组织。在裂纹两侧可以清楚地看到铁素体枝晶以及明显的氧化斑，看到铁素体枝晶以及明显的氧化斑，而在晶界处存在大量细小的白色颗粒而在晶界处存在大量细小的白色颗粒。经成分分析可知，块状和粒状夹杂均经成分分析可知，块状和粒状夹杂均为碳化物颗粒，碳化物中含有少量的为碳化物颗粒，碳化物中含有少量的 Mo Mo 和和 TiTi，即含，即含 Mo Mo 和和 Ti Ti 的合金渗碳的合金渗碳体。块状碳化物和颗粒状碳化物的形体。块状碳化物和颗粒状碳化物的形成过程不同，成过程不同，块状碳化物应为铸造过块状碳化物应为铸造过程产生的，而在退火过程中未完全溶程产生的，而在退火过程中未完全溶入奥氏体，残留在晶界。小的

22、颗粒状入奥氏体，残留在晶界。小的颗粒状碳化物则是由于模具在使用过程中，碳化物则是由于模具在使用过程中，受热时，碳或碳化物向奥氏体中溶解；受热时，碳或碳化物向奥氏体中溶解；在模具激冷时，溶解在奥氏体中的碳在模具激冷时，溶解在奥氏体中的碳以二次碳化物的形式析出。以二次碳化物的形式析出。 由图可以看出，在晶界处存在块状和由图可以看出，在晶界处存在块状和不同粒径的颗粒状夹杂物。不同粒径的颗粒状夹杂物。 观察裂纹附近组织晶界处形貌，可以看出，组织中包含块状磷共观察裂纹附近组织晶界处形貌，可以看出，组织中包含块状磷共晶、碳化物、析出碳化物、二次石墨等，其中块状磷共晶和碳化晶、碳化物、析出碳化物、二次石墨等

23、，其中块状磷共晶和碳化物为铸态，退火处理中未完全消除；物为铸态，退火处理中未完全消除；二次石墨可能是在退火过程二次石墨可能是在退火过程中形成的，也有可能是在模具使用过程中形成的。中形成的，也有可能是在模具使用过程中形成的。 在在700700以上的高温下，基体铁和石墨都会发生剧烈的氧化，而且石墨越数以上的高温下，基体铁和石墨都会发生剧烈的氧化，而且石墨越数量多，石墨片越粗大，氧化越严重。在模具服役过程中，模具材料会反复地量多，石墨片越粗大，氧化越严重。在模具服役过程中，模具材料会反复地经过铁素体和奥氏体转变区域，碳不断地溶解与析出，势必会造成体积膨胀经过铁素体和奥氏体转变区域，碳不断地溶解与析出

24、，势必会造成体积膨胀与组织内部应力；与组织内部应力； 由于石墨对基体有非常强烈的割裂作用，且石墨片越粗大，端部越尖锐，这由于石墨对基体有非常强烈的割裂作用，且石墨片越粗大，端部越尖锐，这种割裂效果越明显，从而降低材料的强度，成为基体的裂纹源；种割裂效果越明显，从而降低材料的强度，成为基体的裂纹源； 基体组织中若存在大块状碳化物，这种高温下不稳定的异质相在模具工作过基体组织中若存在大块状碳化物，这种高温下不稳定的异质相在模具工作过程中会部分发生石墨化转变，导致模具高温生长；同时在晶界析出的块状碳程中会部分发生石墨化转变，导致模具高温生长；同时在晶界析出的块状碳化物会引起脆性，在热应力的作用下加速

25、裂纹源的萌生与扩展；化物会引起脆性，在热应力的作用下加速裂纹源的萌生与扩展； 常温下晶界强度大于晶粒强度，因此晶粒越细小，晶界就越多，强度也相对常温下晶界强度大于晶粒强度，因此晶粒越细小，晶界就越多，强度也相对越高；但在高温下，随着温度的提高，材料晶界强度和晶粒强度同时下降，越高；但在高温下，随着温度的提高，材料晶界强度和晶粒强度同时下降，而且晶界强度下降的更为显著。当超过等强温度时，晶界强度低于晶粒强度，而且晶界强度下降的更为显著。当超过等强温度时，晶界强度低于晶粒强度，位错容易在晶界滑动，产生裂纹源，并最终导致材料的沿晶开裂。位错容易在晶界滑动，产生裂纹源，并最终导致材料的沿晶开裂。 结论

26、结论 从上述分析可知，模具在使用过程产生裂纹的原因是：在反复的受热、冷却从上述分析可知，模具在使用过程产生裂纹的原因是：在反复的受热、冷却过程中碳化物的溶解和析出，造成较大的相变应力。相变应力与玻璃液的摩过程中碳化物的溶解和析出，造成较大的相变应力。相变应力与玻璃液的摩擦应力叠加，在晶界萌生裂纹并沿晶界扩展。组织中块状碳化物和磷共晶与擦应力叠加，在晶界萌生裂纹并沿晶界扩展。组织中块状碳化物和磷共晶与基体组织热膨胀系数相差较大，或是由于石墨片对基体的割裂作用，容易在基体组织热膨胀系数相差较大，或是由于石墨片对基体的割裂作用，容易在端角处产生应力集中，促进裂纹的形成与延伸。端角处产生应力集中，促进裂纹的形成与延伸。 改