一種金屬嵌件注塑磨具的失效分析

胡白桃，陸中平，寧鐵暉，丁豐彪

（1.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310017；2. 杭州百斯特模具技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310017）

模塊是磨具的重要組成部分。其工作可靠性直接影響嵌件的成型質(zhì)量和模具的正常工作和使用壽命。注塑過(guò)程中，注塑模要承受熔化粒子施加的壓力，融化時(shí)溫度可達(dá)到180-230℃。因此型腔承受著巨大的注塑壓力和溫度，這就對(duì)型腔的耐磨性、耐熱疲勞性能提出了很高的要求。再加上粒子在熔融狀態(tài)下會(huì)分解出氯化氫、氟化氫和二氧化硫等氣體，對(duì)模具型腔具有腐蝕作用，因此需要一定的耐腐蝕性。由于Cr13型馬氏體不銹鋼熱處理后能獲得較高的硬度和表面光潔度，較好的機(jī)械性能，并具有較好的抗大氣和水蒸氣腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于制作高耐磨、高精度和高耐蝕性的模具[1-3]。本公司制作型腔的材質(zhì)1.2083即為此類金屬材料。此零件加工工藝過(guò)程為：下料→精車→銑型腔→銑冷卻水槽缺口→真空熱處理→磨外圓、錐孔→模腔拋光。某批型腔投入使用后不久即發(fā)生失效，腔體開(kāi)裂，數(shù)量占50%左右。失效零件使用時(shí)間為2-3個(gè)月，而正常零件平均使用壽命為2-4年，現(xiàn)從斷口形貌、化學(xué)成分、金相組織、硬度等方面進(jìn)行分析，探索失效型腔的失效原因[4]。

1 失效零件的宏觀形貌

圖1 型腔外觀及裂紋位置示意圖

圖2 裂紋源示意圖

圖1所示為型腔外形，外表螺紋為冷卻水道。由圖中可知水道表面被一層厚厚的黃色的水銹覆蓋，豎直的裂紋清晰可見(jiàn)。圖2所示為裂紋的位置圖，圖中所示裂紋頭口部起始，幾乎縱向貫穿整個(gè)腔體[5]。

2 試樣檢測(cè)

使用SPECTRO光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行能譜分析，分析前進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)塊測(cè)試。結(jié)果見(jiàn)表1，成分符合廠家供貨標(biāo)準(zhǔn)。由成分檢測(cè)結(jié)果可知，原材料的雜質(zhì)含量控制在了較低的水平，金屬材料的純凈度較好，金屬材料中含有一定量的Si，在耐蝕性塑料模具中，Si可顯著提高鐵基和鎳基耐蝕合金在氧化介質(zhì)中的耐蝕性，同時(shí)還可降低合金在高溫含Cl-環(huán)境中的點(diǎn)蝕傾向。

表1 失效型腔的能譜分析結(jié)果

在裂紋附近及遠(yuǎn)離裂紋的基體取樣進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，硬度為52.1HRC，52.5HRC，52HRC，硬度符合熱處理及使用要求。觀察水道表面，可以發(fā)現(xiàn)許多表面的腐蝕凹坑。在裂紋源的位置垂直于凹坑的截面取樣，可以發(fā)現(xiàn)靠近表面的位置分布著較多的蝕坑。金相觀察可知，蝕坑附近存在大量的沿晶微裂紋。觀察500倍金相照片，組織為回火馬氏體+碳化物。

圖3 表面蝕坑截面取樣圖

圖4 蝕坑附近的表面微裂紋100X

圖5 裂紋附近微觀組織500X

3 結(jié)果分析

馬氏體不銹鋼耐蝕的最重要因素在于金屬材料表面保護(hù)性鈍化膜的自愈性。金屬材料基體中必須由足量的Cr以形成主要由Cr2O3組成的“表面膜層”，以使鈍化膜在被破壞的情況下還能有足夠數(shù)量的Cr3+離子重新與氧結(jié)合在材料表面形成保護(hù)性鈍化膜。如果金屬材料中的Cr含量不足以形成自鈍化保護(hù)膜，或由于某些原因造成金屬材料的局域出現(xiàn)貧Cr現(xiàn)象，有效保護(hù)膜就不能在材料表面形成。回火狀態(tài)下馬氏體金屬材料的耐蝕性能與回火溫度密切相關(guān)。回火初期，滲碳體型碳化物（Fe,Cr）3C首先析出，隨著回火溫度的升高，析出碳化物的類型逐步轉(zhuǎn)化為M7C3類碳化物，基體的貧鉻表現(xiàn)得并不明顯。而當(dāng)回火溫度進(jìn)一步提高，碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6后，這時(shí)碳的擴(kuò)散速度大而鉻的擴(kuò)散速度還很低，導(dǎo)致碳化物周圍出現(xiàn)貧鉻區(qū)，并且由于在碳化鉻顆粒與基體之間會(huì)形成許多微電池，富鉻碳化物為陰極，而碳化物周圍的貧鉻固溶體為陽(yáng)極，會(huì)引起電化學(xué)腐蝕，加速鋼的腐蝕。魯思淵等已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過(guò)500℃回火后，Cr13型模具鋼的鈍化膜整體性遭到極大破壞，其耐蝕性因?yàn)椤笆рg”而大幅降低。經(jīng)調(diào)查，這批型腔的回火溫度為500℃，由于自來(lái)水中含有大量Cl-，而Cl-通常是引起鈍化金屬點(diǎn)蝕的主要腐蝕性離子。一旦點(diǎn)蝕發(fā)生，基體中的貧鉻區(qū)會(huì)使腐蝕迅速加劇，晶間腐蝕產(chǎn)生微裂紋，引起模具的斷裂失效。后來(lái)，把這類零件的回火溫度改成250℃，未再發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）冷卻水中的Cl-使模具鋼發(fā)生點(diǎn)蝕，而采用較高的回火溫度，析出了M23C6型碳化物加劇了腐蝕的速度。

（2）降低回火溫度，防止M23C6型碳化物的產(chǎn)生，可以提高馬氏體模具耐蝕性。