大輸液PP模具型芯失效分析及預防措施

趙東

（成都市聯余精密機械有限公司材料檢測中心，成都 610000）

0 引言

型芯是某大輸液模具成型的關鍵零件，該零件的銹穿滲水會直接影響模具批量生產，并污染產品，使整批次的醫(yī)用耗材報廢。型芯材料一般為420系列馬氏體不銹鋼，經調質后使用。該零件存在冷卻水孔，在使用過程中會出現冷熱交替，不停地帶走零件成型表面的熱量，使注塑產品快速冷卻成型。在其使用過程中，型芯還受到零件產品的注塑脹模力和成型產品抱緊力，因而零件長時間服役后往往會出現滲水及開裂情況。本文對開裂原因、影響因素及如何預防進行了詳細的闡述。

1 型芯銹穿開裂情況分析

大輸液PP模具結構：型芯成型產品內壁，型腔成型外壁，型芯零件外表面需要拉絲紋，受產品成型抱緊力和產品成型注塑壓力，型芯縱向剖視圖如圖1所示。型芯內孔通冷卻水，產品冷卻成型靠冷卻水帶走熱量實現。因而型芯內孔一直處于冷熱交替，容易生長水垢，產生熱應力。在長期使用過程中，水垢逐漸積累，形成銹蝕坑（如圖2），裂紋源產生，逐步延基體晶界擴展（如圖3），隨著時間延長，最終產生貫穿型芯整個壁厚的裂紋（如圖4）。其裂紋源產生、擴展，最終失效，其形態(tài)多樣化，主要表現為滲水、污染產品、型芯無法正常使用。型芯表面出現銹蝕點、折疊型裂紋、橫縱向裂紋擴展等狀態(tài)。從種種形態(tài)表征判定其失效形式為應力腐蝕開裂[1]。

圖1 型芯縱向剖視圖

圖2 銹蝕坑裂紋擴展

圖3 銹蝕坑裂紋擴展低倍

圖4 型芯縱向拋光橫向裂紋擴展特征

2 型芯銹穿開裂及其影響因素

2.1 零件選用材料理化分析

2.1.1 化學成分分析

在型芯基體取樣一個15 cm×20 cm的小方塊進行化學成分分析，結果如表1所示，可以看出，FS136鋼材成分符合GB 1298—1986標準要求。

表1 FS136鋼的化學成分質量分數 %

2.1.2 微觀檢驗

觀察拋光后的試樣表面，裂紋起源于內壁截面水垢銹蝕后產生的坑內（如圖5），且裂紋由粗變細，向基體晶界不同方向擴展（如圖6）。進行SEM+EDS分析，分析結果如圖7～圖9所示。由分析結果可以看出：1）型芯樣品成分C、V碳化物偏多，基體與晶界均有產生，并存在富Cr與貧Cr區(qū)；2）基體組織有明顯的腐蝕氣孔產生，晶界碳化物囤積處腐蝕氣孔尤為明顯。

圖5 裂紋從銹蝕坑里面生長擴展

圖6 裂紋在基體晶界中生長擴展

圖7 掃描電子顯微鏡局部圖

圖8 能譜分析取樣點位局部

經過上述分析，其晶界存在網狀碳化物和晶粒粗大現象，因而對此批原材進行追溯，檢測結果如圖10、圖11所示。

圖10 原材材料基體晶粒度檢測

圖11 原材材料基體網狀碳化物

樣品評級參照金屬平均晶粒度測定方法（GB 6394—2002）中5.5級(面積法)，平均直徑為0.046 67 mm。經分析得到原材料基體存在嚴重網狀碳化物現象。符合上述晶界存在富Cr與貧Cr區(qū)的SEM+EDS分析。經過對此批材料出廠狀態(tài)分析，原鋼廠反饋出廠前采用冷軋后拉拔成型工藝，這是導致材料組織的不穩(wěn)定性、晶粒粗大的主要因素。經雙方一致討論得到技術協議，FS136鋼材電渣重熔后，開坯鍛造，細化晶粒，然后再熱軋成型圓棒，保證晶粒度8級以上，出廠前做高溫球化均值化退火，改善組織均勻性。

2.2 零件冷卻用水分析

對客戶水質進行檢測，結果表2所示。

表2 循環(huán)冷卻水的水質檢測

參照GB 50050—1995《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設計規(guī)范》中的水質標準，從表2檢測結果得出，主要參數均有超標情況，其冷卻用水經過一段時間使用后自然生成懸浮物，并鈣化生成Ca2+，循環(huán)水里面Cl-偏高是形成快速銹蝕的重要因素[2]。

3 分析討論

由水質檢測結果分析可知，其中水質含Ca2+偏高，其水冷卻在冷熱交替情況使用時，內壁易鈣化，且囤積懸浮物，在pH值為7.2的水質下，由于Cl-大量存在侵蝕工件表面，形成銹蝕第一步，然后Cl-逐步擴散到零件基體晶界，晶界中網狀碳化物為其提供了良好的擴散通道。因而隨著時間的延長，銹蝕坑不停長大，其甲基橙堿度和懸浮物大量增加也導致其銹蝕坑不停增多，水質不停地產生變化，因而出現水中鐵離子增多，檢測值為1.2 mg/L，水質發(fā)黃，也可以論證零件在整個銹蝕過程中。水質不停變質，Fe2+增多，發(fā)黃沉淀，也就是后期加速銹穿開裂的主要因素。

顯微組織檢驗結果表明，零件基體晶粒度為5.5級，且存在晶界網狀碳化物是加速銹蝕過程和銹穿的重要因素。其晶界網狀碳化物偏聚會導致碳化物均勻性差，容易形成富Cr與貧Cr區(qū)，因而容易形成微電極電位差[3]，因此形成圖6所示的晶界微電極電位差晶間腐蝕裂紋，并形成圖8所示晶界碳化物囤積處的腐蝕氣孔。隨著時間延長，裂紋延晶界腐蝕氣孔穿透，在外界產生冷熱交替應力和產品注射壓力作用，形成銹穿氣孔狀形態(tài)、橫縱裂紋形態(tài)。

鋼材晶粒偏大是由于出廠軋制工藝落后導致。從材料學上，晶粒度越小，沿晶開裂主力越大，越容易阻礙開裂擴展速度，粗晶粒材質基體也為裂紋擴展提供了快速擴散通道。由顯微組織分析可知，晶界處的碳化物集聚為材料裂紋提供顯微應力開裂的動力，加快了零件壁厚裂穿。

如何從以上幾個方面去尋找有效解決辦法，是避免此類零件低壽命失效的關鍵。在此我們通過多渠道去改進各方面工藝參數。首先從水質入手，按照國家標準GB 50050—1995工業(yè)循環(huán)冷卻水要求，客戶通過采用Ro（去離子化）水源，然后再進行堿性中和，讓水源達到pH值8.0～8.5標準，大大提高型芯使用壽命。針對此批換新零件，我們做了一個時間統計，2017年5月更換零件，至2022年12月未出現類似直接銹穿情況。

其次，從材料角度我們根據客戶要求，提高了供應商的出廠工藝要求。420系列塑膠不銹鋼用于成型零件，特別是有水孔的零件增加鍛造工藝和高溫均質化處理，從而減小晶粒度大小，增加碳化物均勻性，徹底改善了晶界碳化物析出，減小了材料應力集中。從材料改善到應用，壽命得到大大提高。材料基體改善也是保證零件延遲失效的一個重要方面。

針對個別客戶水循環(huán)系統老化，水質改善困難，我們做了新工藝的開發(fā)，讓零件冷卻水道內壁增加一層保護膜方式，隔斷腐蝕介質與零件基體接觸方式[4]：1）通過對零件冷卻水內壁進行不銹鋼鈍化處理，形成1～2 μm鈍化膜，隔斷鈣化粒子和懸浮黏附，讓基體得到較好的保護。2）采用封閉劑對冷卻水道表面進行封閉膜保護，讓零件基體不直接與冷卻水接觸。針對以上新工藝，需要根據零件水道形貌及表面要求做具體方案，實驗幾批零件后其效果顯著，短時間內形成保護膜不會被破壞，但是用到1～2 a保護膜在水壓與冷熱交替復雜應力下逐漸脫落，不過這種保護方式還是會大大延長模具失效時間。雖然加工周期、工藝實現所需成本增加，但是對于冷卻系統老化水質較差的客戶也是一種很大的改善。采用保護膜防護方式是一種可取的方式，能延長使用壽命。

4 結語

由以上分析可知，型芯開裂是屬于晶間腐蝕應力開裂類型，其裂紋源來自鈣化后不銹鋼局部腐蝕[5]產生的銹蝕坑，裂紋擴散，晶界網狀碳化物形成富Cr與貧Cr微電極電位差，晶粒較粗大，加之碳化物不均性形成內應力，加速了速晶間腐蝕開裂。針對腐蝕機理形成原因，后期采取防護措施方案，得到不錯的改善，大大延長了此類模具零件使用壽命。

針對的預防措施如下：

1）優(yōu)化注塑機設備水質，需有軟化和純化水源，定期更換和清理冷卻水質。

2）隔斷腐蝕介質與零件基體。a.可以通過對零件冷卻水內壁進行不銹鋼鈍化處理，形成1～2 μm鈍化膜，隔斷鈣化粒子和懸浮黏附，讓基體得到較好的保護；b.可以使用封閉劑對冷卻水道表面進行封閉模保護，讓零件基體不直接與冷卻水接觸。

3）改善基體材料組織結構，可以通過對FS136進行開坯鍛造然后熱軋成圓棒材料，改善組織晶粒度，然后出廠前進行高溫均質球化退火，以消除網狀及鏈狀不均勻分布碳化物。