某藥模底座失效分析

秦會常，賈波，王傳政，趙興儉，李宗江，張叢博，楊志傳

(中國兵器工業集團山東特種集團有限公司，山東 淄博 255201)

1 工作原理及失效形式

某藥模底座用于某藥塊的生產，其所用材料Cr12是一種高鉻萊氏體鋼，沖子淬火溫度為1000℃。淬火采用260℃鹽浴分級淬火，然后260～300℃ 2次回火處理，工作原理如圖1所示。

2號工件在壓制45塊藥塊后發生斷裂，并導致整個藥模底座和模體爆炸損壞。文中結合模具材料技術要求、熱處理工藝、材料加工等進行了深入調查與試驗分析，對藥模底座損壞的原因進行了分析，并提出了模具生產和使用改進建議。

圖1 藥模底座工作原理Fig.1 Schemaitic diagram of work precedure of the punch for pressing powder block

2 理化檢測

2.1 化學成分分析

按照取樣標準要求，分別從2號斷裂藥模底座和已壓制19578塊藥塊的3號試樣上取樣，進行化學成分分析，結果見表1。

表1 化學成分分析結果Table1 Chemicai composition analysis result %

從表1的結果可看出，2號、3號材料化學成分均符合Cr12成分的要求，但2號藥模底座的含碳量已經處于標準要求的上限。

2.2 硬度檢測

從2號、3號斷裂藥模底座上進行取樣，按要求進行力學硬度檢測，結果見表2。

表2 硬度試驗(HRC)Table2 Hardness test

硬度結果符合工藝驗收要求。

2.3 金相檢測與分析

2.3.1 宏觀觀察

2號藥模底座斷裂形貌如圖2所示，藥模底座斷裂成3段。斷裂后由于受炸藥爆炸燃燒影響斷口表面呈現黑灰色，經清洗后，斷口為明顯的細瓷狀灰色脆性斷口。藥模底座最前部斷口呈“斜坡”形，斷面可見明顯的放射狀撕裂棱線，臺階高度差大，由棱線收斂的方向可判斷裂紋起始于藥模底座底部轉角處，源區較平坦，與藥模底座軸線垂直，擴展區粗糙，瞬斷區所占面積大，整個斷口高低不平，如圖4所示。源區側面可見較粗大的加工刀痕，如圖5所示。擴展區粗糙，與藥模底座軸線基本呈30°角。

圖2 藥模底座斷裂后的形貌Fig.2 Fracture surface of the punch

圖3 前部側視圖Fig.3 Front side-view of the cracked punch

圖4 斷口源區低倍形貌Fig.4 Macroscopic view of the fracture origin

2.3.2 顯微組織檢測

圖5 斷口源區的粗大加工刀痕Fig.5 Rough machining tool marks on the fracture origin

圖6 后部俯視圖Fig.6 Rear top-view of the cracked punch

從2號、3號斷裂藥模底座上取樣，進行金相顯微組織檢測，2號藥模底座斷裂處組織形貌分別如圖7、圖8、圖9所示。可以看出，2號藥模底座底部的金相顯微組織:基體組織為回火馬氏體+紡錘狀二次淬火馬氏體+較多塊狀、粒狀碳化物+極少量殘留奧氏體。基體中大部分碳化物呈網狀分布，部分趨網狀、帶狀分布，網角處有較多的碳化物堆積，碳化物組織呈較嚴重偏析分布。對照GB/T 1299—2000標準評定:2號沖子的碳化物不均勻性級別約為4級。3號藥模底座的組織形貌如圖10所示:基體組織為回火馬氏體+少量的塊狀+粒狀碳化物+極少量殘留奧氏體?；w中碳化物分布較為均勻，碳化物不均勻性級別約為1級，材質較為優良。

圖7 2號藥模底座R角處的顯微組織Fig.7 Metallographic structure of the No.2 punch on rounding

2.3.3 電鏡掃描分析

圖8 2號藥模底座R角附近的顯微組織Fig.8 Metallographic structure near rounding of the No.2 punch

圖9 2號藥模底座遠離裂紋處的顯微組織Fig.9 Metallographic structure far away from rounding of the No.2 punch

圖10 3號藥模底座的顯微組織Fig.10 Metallographic structure of the No.3 punch

2號藥模底型斷口源區高倍形貌如圖11所示，源區局部主要呈解理特征和少量的韌窩斷裂特征。擴展區主要呈韌窩斷裂，另有少量解理斷裂，未見疲勞條帶特征，如圖12所示。瞬斷區也呈韌窩斷裂特征，如圖13所示。

圖11 源區高倍形貌Fig.11 Microscopic view of the fracture origin

圖12 擴展區的韌窩斷裂形貌Fig.12 Dimple fracture features of the extending zone of the fracture

圖13 瞬斷區的韌窩斷裂形貌Fig.13 Dimple fracture features of the short rupture region of the fracture

3 藥模底座與壓藥沖子間隙配合

工藝設計圖紙要求的藥模底座與模體內腔間隙為0.3～0.4 mm，通過檢查原始記錄，2號藥模底座與模體內腔的間隙為0.3 mm;3號藥模底座與模體內腔的間隙為0.4 mm。實際使用中還發現:其它斷裂的藥模底座與模體接觸面也存在磨啃的痕跡，這說明藥模底座與模體的配合間隙尺寸過小，間隙尺寸過小會導致藥模底座與模體的內腔產生較大的應力作用，對模體與藥模底座的疲勞壽命均會造成不利的影響。

4 分析與討論

2號藥模底座斷口起始于藥模底座底部R角的尖銳、粗糙交接處，此處加工極為粗糙，存在粗大的加工刀痕。斷口形貌呈線源特征，源區較平坦，主要呈解理斷裂特征，另有少量的韌窩特征，擴展區粗糙，呈韌窩斷裂特征。粗大的加工刀痕，使得藥模底座R角交接處產生了顯著的應力集中;R角區域過渡不圓滑，也進一步加劇了熱處理、機械加工過程中R角區域的應力集中，導致在R角交接區域形成裂紋源，因此，在受到壓藥較大的沖擊力作用時，發生了瞬間斷裂。

2號藥模底座底部R角附近的基體組織為回火馬氏體+少量殘余奧氏體+塊狀、粒狀、趨網狀、趨帶狀分布的碳化物，碳化物沒有鋒利的棱角，較為圓滑，藥模底座底部R角區域存在較多的白色紡錘形二次淬火區，產生了二次淬火馬氏體。這說明:精加工時，磨削加工的工藝控制不當，進刀量太大，使得工件表面受磨削熱的作用，局部區域瞬間溫度達到了淬火溫度，在冷卻液及自身基體急冷下形成二次淬火，產生了二次淬火馬氏體。由于此種二次馬氏體硬度大、脆性高，因此導致藥模底座底部的脆性增加、應力增強。

Cr12鋼屬高鉻微變形模具鋼，因含鉻量高使鋼的淬透性很好，組織中含有大量共晶碳化物，故又稱萊氏體鋼。大量碳化物的存在不僅使鋼的硬度很高，而且能阻止晶粒長大，可通過淬火加熱溫度來控制合金元素向奧氏體的溶解量，使得淬火后的奧氏體含量多，以抵消馬氏體轉變時產生的體積膨脹，從而使模具能夠微變形或不變形[1－2]。由于2號藥模底座材料的碳化物級別為4級，碳化物大部分呈網狀和趨網狀分布，網角處有較多的碳化物堆積，且碳化物含量偏多。碳化物這種分布狀態使得材料基體的連續性被割裂，并在網角處產生了較大的應力集中，致使藥模底座的綜合力學性能尤其是延展性下降，脆性增大，抗疲勞性能下降，所以在使用過程中極易發生脆性斷裂事故。由于3號藥模底座材料的金相顯微組織較佳，碳化物分布較為均勻，因此綜合力學性能要比2號藥模底座好。由此可見，鍛造質量和原材料不佳也是2號藥模底座斷裂的重要原因。

由于模體內腔與藥模底座的配合間隙尺寸過小，壓藥時，因較大的沖擊力作用，使模體內腔與藥模底座易產生較大的應力作用，顯著降低二者的使用壽命。

綜合以上分析，得出2號藥模底座在使用過程中的斷裂屬脆性斷裂，產生斷裂的原因主要有以下幾點。

1)藥模底座R角交接處加工刀痕粗大、R角過渡不圓滑是藥模底座斷裂的主要原因。

2)磨削不當導致產生了二次淬火馬氏體，使得藥模底座底部的組織脆性增加、應力增強，是藥模底座斷裂的重要原因。

3)2號藥模底座的材質不良，含碳量偏高，尤其是其基體碳化物級別不合格、偏析較嚴重。

4)模體內腔與藥模底座之間的間隙過小，導致模體內腔與藥模底座間接觸、嗑啃。實際生產操作時裝藥過多，藥量分布不均等會造成壓藥時模體與藥模底座軸心的不同，使藥模底座與模體內腔產生較大的應力作用。

5 結語

為改進藥模底座的質量，延長其壽命，應考慮以下幾點。

1)改進機加工藝。藥模底座各部位應自然、圓滑過渡，要杜絕較粗大的加工刀痕出現。

2)進行充分的熱壓力加工，尤其是熱鍛過程中要反復地鐓粗、拔長，以打碎網狀共晶碳化物，消除或改善碳化物的不均勻性。

3)改進熱處理工藝。由于藥模底座是承受沖擊載荷特別大的模具，硬度太大時，其柔韌性會較差，因此在保證工藝要求的前提下，熱處理后的硬度應盡量取工藝要求的下限。藥模底座宜采用1000℃加熱，260℃左右分級淬火，然后采取2～3次260～290℃充分回火處理，并應避開300～375℃的回火脆性溫度區間。

4)改善藥模底座與模體內腔間隙配合設計。藥模底座與模體內腔的配合間隙不能過小，應放大到0.6～1.2 mm。藥模底座與模體內腔的粗糙度要低，直線度要好。

5)加強材質控制與檢測，防止不合格材質進入生產過程，并嚴格按工藝進行壓藥生產操作，防止模體與藥模底座不同軸現象的產生。

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京:國防工業出版社，2004:141－142.

[2]李炯輝，林德成.金屬材料金相圖譜[M].北京:機械工業出版社，2006:663.