YG8硬質(zhì)合金沖裁模具開裂原因分析

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(1. 廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心, 東莞 523808; 2. 國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 東莞 523808)

YG8硬質(zhì)合金沖裁模具開裂原因分析

金林奎1,2,歐海龍1,2,鄒文奇1,2,楊宇飛1,2,方曼婷1,2

(1. 廣東省東莞市質(zhì)量監(jiān)督檢測中心, 東莞 523808; 2. 國家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心, 東莞 523808)

某YG8硬質(zhì)合金沖裁模具在使用過程中發(fā)生早期開裂失效。通過宏觀觀察、硬度測試、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗等方法，對沖裁模具的開裂原因進行了分析。結(jié)果表明：由于沖裁模具原材料保存不良，鎢粉接觸空氣發(fā)生氧化，材料中產(chǎn)生大量脆性η相及網(wǎng)狀裂紋，使材料的強、韌性指標急劇下降，導(dǎo)致沖裁模具在服役過程中無法承受工作應(yīng)力，從而產(chǎn)生早期開裂失效。

YG8硬質(zhì)合金；沖裁模具；鎢粉；氧化；脆性η相

某廠家一件YG8硬質(zhì)合金沖裁模具在使用過程中發(fā)生早期開裂失效。該沖裁模具用于加工小型板材零件，沖裁模為直徑40 mm、高度30 mm的圓柱體，模具中間有一個邊長約10 mm的U型槽。

YG8硬質(zhì)合金是由難熔的WC硬質(zhì)相和鈷黏結(jié)相組成、通過粉末冶金燒結(jié)工藝制成的一種硬質(zhì)合金材料。YG8硬質(zhì)合金具有高硬度、高耐磨性，材料的強度和韌性較好，并具有耐高溫、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)良性能。特別是其高硬度和耐磨性，即使在500 ℃的溫度下服役，材料的強度、韌性也基本保持不變，在1 000 ℃時仍有很高的硬度，因此YG8硬質(zhì)合金廣泛用于制作沖裁模具和拉絲模具，其使用壽命是普通合金鋼模具的十幾倍乃至幾十倍。

為了查找該沖裁模具開裂失效的原因，筆者對其進行了一系列理化檢驗和分析，以期對模具產(chǎn)品的質(zhì)量進行優(yōu)化和改進，進一步延長沖裁模具的使用壽命，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

沖裁模具開裂部位位于U型槽轉(zhuǎn)角處，呈十字形開裂，見圖1a)。裂紋貫穿工作面平臺外圓，并沿高度方向擴展至近下端面。沿該沖裁模具工作面裂紋擴展的垂直方向，線切割截取試樣進行檢驗分析，見圖1b)。

圖1 沖裁模具開裂形貌Fig.1 Cracking morphology of the blanking die: a) working face; b) profile face

1.2 硬度測試

采用奧地利Qness-Q150型全自動數(shù)顯洛氏硬度計，依據(jù)GB/T 230.1-2009《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T標尺)》，對該沖裁模具進行硬度測試，結(jié)果顯示其硬度偏高，不符合要求，見表1。

表1 沖裁模具硬度測試結(jié)果Tab.1 Hardness testing results of the blanking die HRA

1.3 掃描電鏡及能譜分析

使用EVO LS15型掃描電子顯微鏡對沖裁模具進行微觀分析，可見其組織中存在密集的灰色大顆粒WC(α)相，WC(α)相周圍分布著細晶顆粒，見圖2。為了確定細晶顆粒的成分，使用BRUKER能譜儀對該區(qū)域進行微區(qū)能譜分析，結(jié)果如圖3所示。可見細晶顆粒區(qū)域含有鎢、鈷、氧、碳等元素，表明該處氧含量較高，并存在由鎢、鈷、碳組成的化合物，初步推斷該組成物為W3Co3C或W2Co4C化合物，這種由鎢、鈷、碳組成的化合物屬于脆性η相[1]。

圖2 沖裁模具材料的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of material of the blanking die

圖3 細晶顆粒能譜分析結(jié)果Fig.3 Analysis results of energy spectrum of fine grain particles

圖4 粗大矩形顆粒能譜分析位置和結(jié)果Fig.4 Position and results of energy spectrum analysis of the bulky rectangular particle: a) analysis position; b) analysis results

使用掃描電子顯微鏡進一步放大可見顯微裂紋，裂紋附近存在粗大的矩形顆粒，見圖4a)。對該粗大矩形顆粒進行能譜分析，結(jié)果見圖5b)，可知該顆粒主要成分為鎢和碳，可判定該化合物為硬質(zhì)合金的WC(α)相[2]。

1.4 金相檢驗

將沖裁模具試樣淺侵蝕后進行金相檢驗，可見表層存在大面積深褐色顆粒狀及塊狀η相，見圖5a)。在金相顯微鏡高倍下觀察，靠近試樣心部區(qū)域的η相呈粗大的卷帕狀及漢字狀，最大直徑達48 μm，見圖5b)。

圖5 試樣表層密集分布的η相形貌Fig.5 Morphology of intensively distributed η phase in surface layer of the specimen: a) at low magnification; b) at high magnification

經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察，沖裁模具材料中粗大的網(wǎng)狀裂紋更為明顯，黑色顆粒狀組織為脆性η相，見圖6。放大至5 000倍可清晰觀察到粗大的WC(α)相，被裂紋劈為兩部分，此為應(yīng)力開裂的特征形貌，見圖7。

圖6 粗大的網(wǎng)狀裂紋形貌Fig.6 Morphology of bulky reticular cracks

圖7 應(yīng)力開裂形貌Fig.7 Morphology of the stress cracking

2 分析與討論

YG8硬質(zhì)合金的基體組織由兩部分組成，一部分為WC(α)硬質(zhì)相，另一部分為鈷黏結(jié)相。WC(α)硬質(zhì)相是元素周期表中過渡金屬的碳化物，熔點在2 000 ℃以上，WC(α)硬質(zhì)相的存在決定了硬質(zhì)合金具有極高的硬度和耐磨性[3]。

粉末冶金制造硬質(zhì)合金時，選用的粉末粒徑大多為1～2 μm，且原料純度很高。原料按規(guī)定組成比例進行配料，將混合料制粒、壓型，加熱到接近黏結(jié)金屬熔點，WC(α)硬質(zhì)相與鈷黏結(jié)相便形成共晶合金。經(jīng)過冷卻后，硬質(zhì)相分布在黏結(jié)金屬組成的網(wǎng)格里，彼此緊密地結(jié)合在一起，形成一個牢固的整體。硬質(zhì)合金的硬度取決于硬質(zhì)相的含量和晶粒粒度，硬質(zhì)相含量越高則晶粒越細小，硬質(zhì)合金的硬度也就越高。硬質(zhì)合金的韌性由黏結(jié)相決定，黏結(jié)相含量越高，則抗彎強度越大[4]。

沖裁模具試樣的基體組織中存在大量的細小顆粒狀η相，密集的η相大多分布在模具表層。出現(xiàn)這種η相缺陷組織的原因是，原始鎢粉儲存時被空氣氧化，在燒結(jié)過程中形成η脆性相[5]。

η相是一種硬而脆的金屬間化合物，且呈網(wǎng)狀分布，化合物分子式為W3Co3C或W2Co4C，硬度高且脆性大。硬質(zhì)合金中存在這種脆性η相，對材料的強度和韌性都造成嚴重的不良影響。η相的存在會使硬質(zhì)合金材料發(fā)生脆斷，同時減少了鈷黏結(jié)相的數(shù)量，產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)弱化區(qū)，硬質(zhì)合金的塑性及韌性也隨之降低。η相的熱膨脹系數(shù)為9×10-6℃-1，WC(α)相的熱膨脹系數(shù)為5×10-6～6×10-6℃-1，兩者有較大的差別，因此硬質(zhì)合金在受熱或冷卻時，η相與WC(α)硬質(zhì)相的界面上形成局部應(yīng)力集中，降低了合金性能，甚至產(chǎn)生開裂[6]。此外，在η相高度集中的情況下，也易構(gòu)成一條裂紋擴展的通道，嚴重降低合金的斷裂韌度。當材料中存在網(wǎng)狀分布的η相時，材料組織中會沿脆性η相形成四邊形及多邊形的網(wǎng)狀裂紋[7-8]。

3 結(jié)論

由于該沖裁模具原材料保存不良，鎢粉接觸空氣發(fā)生氧化，使材料中產(chǎn)生大量脆性η相及網(wǎng)狀裂紋，材料的強韌性指標急劇降低，模具在服役過程中無法承受工作應(yīng)力，便產(chǎn)生開裂。裂紋于模具U型槽轉(zhuǎn)角處萌生并迅速擴展，最終導(dǎo)致該沖裁模具工作面外圓開裂。

4 改進建議

硬質(zhì)合金的性能受到粉末粒徑、燒結(jié)條件以及粉末中氧、碳含量的影響。硬質(zhì)合金的制造過程中，必須按照規(guī)范要求進行操作，才能避免鎢粉氧化產(chǎn)生η脆性相。

硬質(zhì)合金模具表面需要磨削加工，硬質(zhì)合金的磨削力是結(jié)構(gòu)鋼的數(shù)倍，極易造成磨削燒傷，因此要求磨床的動力大、砂輪的剛性高，并進行充分冷卻。在電火花加工過程中，模具表面形成脆硬的變質(zhì)層，甚至出現(xiàn)顯微裂紋，因而必須降低電加工的脈沖電流，減少模具表面變質(zhì)層。

建議在沖裁模具外圍安裝保護鑲套，使硬質(zhì)合金模具能承受更大的沖擊載荷和擠壓載荷。不論是熱壓鑲套還是冷壓鑲套，間隙要求都很嚴格。一般熱壓鑲套的過盈量為0.08～0.10 mm，鑲套的加熱溫度為700～800 ℃，硬質(zhì)合金的加熱溫度在300 ℃左右。熱壓裝配完成后，放入600 ℃箱式爐中保溫2 h，以便消除模具材料的內(nèi)應(yīng)力，提高模具的使用壽命。

[1] 徐進, 陳再枝,陳景榕,等.特殊鋼叢書 模具鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1998:354-357.

[2] 程培源,詹武,常志梁,等.模具壽命與材料[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999:102-105.

[3] 蔡美良,丁惠麟,孟滬龍.新編工模具鋼金相熱處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:132-133.

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[5] 樊東黎,徐躍明,佟曉輝.熱處理工程師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005:264-277.

[6] 許文博,王艷龍,孫福來,等.粉末冶金金相圖譜[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1998:47-50.

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[8] 張學(xué)彬,繆振華,蔣月娟.40Cr鋼機油泵軸斷裂分析[J].理化檢驗-物理分冊,2010,46(4):257-258.

AnalysisonCrackingReasonsofaBlankingDieofYG8CementedCarbide

JINLinkui1,2,OUHailong1,2,ZOUWenqi1,2,YANGYufei1,2,FANGManting1,2

(1. Guangdong Dongguan Quality Supervision Testing Center, Dongguan 523808, China; 2. National Mold Product Quality Supervision and Inspection Center, Dongguan 523808, China)

The early cracking failure occurred to a blanking die of YG8 cemented carbide in the course of use. The cracking reasons of the blanking die were analyzed by macroscopic observation, hardness testing, scanning electron microscope and energy spectrum analysis, metallographic inspection and so on. The results show that: due to the poor preservation of the blanking die material, the tungsten powder contacted with the air and oxidized; as a result of that, there were a lot of brittle η phase and reticular cracks in the structure, and the indexes of the strength and toughness of the material drastically reduced; the blanking die couldn’t bear the working stress during use, and the early cracking failure occurred.

YG8 cemented carbide; blanking die; tungsten powder; oxidize; brittle η phase

10.11973/lhjy-wl201711019

TG115.2

B

1001-4012(2017)11-0844-04

2017-03-12

金林奎(1966-)，男，高級工程師，學(xué)士，主要從事金屬材料失效分析工作，jinlinkui@foxmail.com