欧海龙１ ２,金林奎１ ２,邹文奇１ ２,廖森梁１ ２,黄持伟１ ２
(１．广东省东莞市质量监督检测中心,东莞 ５２３８０８;
２．国家模具产品质量监督检验中心,东莞 ５２３８０８)
摘 要:采用宏观检验、化学成分分析、硬度检测、金相检验等方法对某 H１３钢注塑热流道喷嘴在装配过程中发生断裂的原因进行了分析.结果表明:该热流道喷嘴断裂主要是由于零件在氮碳共渗处理时,渗氮层内的氮势过高使其内孔螺牙表层开裂和剥落,造成零件在装配时发生脆性断裂;同时内孔螺纹底槽圆角半径极小,应力集中程度显著增大,增加了零件开裂的倾向;热流道喷嘴外表面的加热带在焊接加工后,未进行去应力退火处理,使材料的强韧性大幅度降低,进一步增加了零件脆性开裂的倾向;热流道喷嘴的设计硬度偏高,虽然材料的强度提高了,但其韧性也会有所降低.最后针对上述断裂原因提出了改进措施。
H１３钢系美国 AISI/SAE 标准钢材牌号,具有高的淬透性和抗热裂性能,属于热作模具钢.该钢具有较高含量的合金元素,在高温下仍然能够保持较高的强度和硬度、高的耐磨性和韧性、优良的综合力学性能以及较高的抗回火稳定性.热流道喷嘴包括开放式和针阀式两种类型,然而无论是开放式喷嘴还是针阀式喷嘴,都需要具有耐高温和高压的性能,一般热流道喷嘴材料选择 H１３钢,并进行规范的热处理和加工。某由 H１３模具钢制造的注塑热流道喷嘴,在装配过程中发生断裂.为了查找事故发生的原因,避免类似失效的再发生,笔者对该热流道喷嘴失效件进行了检验和分析。
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
断裂热流道喷嘴采用 H１３钢圆棒机加工而成,机加工后进行热处理.装配过程中采用标准扭力扳手拧紧螺栓,在未达到规定扭矩力的状态下,热流道喷嘴的螺纹孔端即发生断裂.断裂位于螺纹孔的凹槽底部,沿凹槽底部呈螺旋状开裂,断裂起始于加热带安装槽的焊接部位,见图１.热流道喷嘴断口齐平,沿内孔壁呈现多源台阶的开裂特征,表明裂纹由内壁向外表面扩展,见图２.由此可见,该热流道喷嘴内孔螺牙底槽部位为其强度薄弱区[１]。
１．２ 化学成分分析
从断裂热流道喷嘴上截取样块进行化学成分分析,结 果 见 表 １,可 见 各 元 素 含 量 均 符 合 ASTMA６８１－０８(R１５)«工具钢合金的标准规范»的技术要求。
１．３ 硬度检测
从断裂热流道喷嘴上截取样块,对该模具表面依据 GB/T２３０．１－２００９«金属材料 洛氏硬度试验
第１部分:试验方法»进行硬度检测,结果见表２,可见实测硬度符合相关规范要求。
１．４ 金相检验
垂直于断裂热流道喷嘴内孔螺牙齿顶截取金相试样,磨抛后进行显微组织观察.由图３可见,内孔螺牙齿部表面显示较厚的黑色组织,并均匀覆盖整个齿廓;螺牙底槽的圆角极小,经测量圆角半径只有０．０６５mm,因而该处应力集中非常大.采用显微硬度计对黑色层组织进行硬度测试,结果显示距表层０．０５mm 处的维氏硬度为６４８HV０．２(换算成洛氏硬度为５７．５HRC);由表层向里硬度呈梯度降低,至距 表 层 ０．４０ mm 处 硬 度 趋 于 平 缓,稳 定 在 ５５０HV０．２(换算成洛氏硬度为５２．０HRC)左右,见 图４.由此可见,断裂热流道喷嘴内孔螺纹部位进 行了表面强化热处理[２]. 螺牙底槽处断口呈快速扩展的穿晶开裂特征,表 明该部位存在较大的应力集中.由图５可见,表层黑 色组织的最外表面还有一层明显的白亮层,疑似氮碳 共渗处理的化合物层.由图６可见:断裂终断区显示 出平滑的剪切唇特征,表明断裂后期的裂纹扩展速度极快;终断区零件外表层同样覆盖着较厚的黑色组织层,黑色组织层最表面的白亮层尤为明显,黑色组织区域存在大量的波纹状脉状氮化物.由此可以推断,螺牙齿廓的黑色组织层属于氮碳共渗组织层[３].经测量,螺牙表面ε(Fe２N)＋γ′相白亮层深度达２０μm.当白亮层深度超过１０μm 时,ε相逐渐增多,白亮层的脆性就会显著增大。
由图７和图８可见,渗氮层中的碳氮化合物粗大且呈脉状分布,试样沿表面白亮层及脉状碳氮化合物(即脉状氮化物)已经产生开裂和剥落.氮碳共渗处理过程中,工件表面吸收氮原子并在αＧFe相中形成饱和固溶体,随着氮原子含量的增加而形成碳氮化合物.该碳氮化合物脆性较大,使得螺牙齿顶极易发生整体剥落.依据 GB/T１１３５４－２００５«钢铁零件 渗氮层深度测定和金相组织检验»进行脉状氮化物级别评定,结果为４级,热流道喷嘴属于重要零件,技术要求其脉状氮化物级别应在１~２级.由此可见,断裂热流道喷嘴脉状氮化物级别远高于标准技术要求,不合格。
由图９可见,在热流道喷嘴外表面的加热带凹槽焊接处,高温烧熔后已经形成了白亮色淬火组织.采用显微硬度计对该白亮色组织进行显微维氏硬度测试,结果为６１５HV０．３(换算成洛氏硬度为５６．０HRC).
实测硬度与 H１３钢淬火硬度相符合,由此可以推断零件焊后未进行退火处理.由于加热带凹槽处焊接不良,残留大量的气孔和夹渣,使得焊缝部位存在大量黑色孔洞[４].在加热带凹槽的外边缘,焊接高温影响的白亮色区域已经发生脆性断裂,见图１０.对断口附近及基体显微组织进行检测,结果均为回火马氏体＋回火索氏体＋残余奥氏体,分别见图１１和图１２.由于最终热处理过程的加热温度较高,球化处理时析出的颗粒状碳化物已经完全固溶到基体中.这虽然会使零件的硬度有所提高,但同时会降低材料的韧性[５].
２ 综合分析
由以上理化检验结果可知,该热流道喷嘴断裂主要是因为氮碳共渗处理时氮势过高,螺牙表面形成了脉状及网状氮化物,表层脆性极大,从而在装配时发生断裂.
热流道喷嘴加热带焊接后未进行退火处理,强度低且脆性大,因而裂纹在该处形成.同时热流道喷嘴的设计硬度偏高,零件的硬度虽然有所提高,但同时韧性则会有所降低,使零件发生脆性开裂的倾向增加.
热流道喷嘴内孔螺纹底槽圆角半径偏小,使该处应力集中程度增大,进一步增加了螺纹底槽开裂的倾向.
３ 结论
该热流道喷嘴在安装时断裂主要是因为氮碳共渗处理时氮势过高,内孔螺纹底槽圆角半径偏小,加热带焊接后未进行退火处理以及零件设计硬度偏高等,增大了零件的脆性及应力集中程度,从而在安装外力作用下发生脆性断裂。
４ 改进建议
(１)热流道喷嘴在进行氮碳共渗处理时,应控制好渗层内的氮势,避免产生脉状及网状氮化物[６],必要时对内孔的螺牙部位处进行防渗保护措施.
(２)尽量加大螺纹底槽的圆角半径,使其保持在０．１０mm 以上,减小该处的应力集中,降低螺纹底槽开裂的风险[７]。
(３)热流道喷嘴外表面的加热带焊接加工后,应进行去应力退火处理,提高焊缝部位材料的强韧性,降低焊缝的脆性及拘束应力。
(４)热流道喷嘴的表面硬度应设计在４８HRC左右[８],进一步提高材料的强韧性。