車輪鍛壓模具用下芯棒斷裂原因

龐晉龍,萬志健,李 新

(1.寶武集團 馬鋼軌交材料科技有限公司，馬鞍山 243000；2.馬鞍山鋼鐵股份有限公司 技術中心，馬鞍山 243000)

輾鋼車輪生產工藝包括較大的塑性變形，該工藝有助于提高產品的質量，是車輪制造廠采用的主要生產工藝。輾鋼車輪成形的工序為：預成形→成形→軋制擴徑→壓彎沖孔[1]。車輪成形所用鍛壓力較大，模具結構復雜，各模具受力較大。下芯棒是車輪成形工序所用的重要模具之一，材料為5CrMnMo鋼，在車輪成形過程中，下芯棒的主要作用是分配車輪金屬。

某廠作用的下芯棒模具頻繁發生斷裂，導致車輪生產線停產，造成重大經濟損失。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗、硬度測試等方法，分析了下芯棒的斷裂原因，并提出預防措施，以避免該類事故再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂下芯棒的宏觀形貌如圖1所示，可見下芯棒從R角處裂開，被撕裂成多塊。下芯棒尺寸及斷裂位置如圖2所示。

圖1 斷裂下芯棒的宏觀形貌

圖2 斷裂下芯棒尺寸及斷裂位置示意

在下芯棒斷口處取樣進行宏觀觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：斷裂為多源脆性斷裂，裂紋源起始于下芯棒R角區域；裂紋由下芯棒R角處向內擴展，裂紋快速擴展區的面積最大，導致芯棒斷裂為多塊[2]。

圖3 下芯棒斷口處宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在斷裂下芯棒上取樣，用直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示，可見下芯棒的化學成分符合GB/T 1299—2014 《工模具鋼》對5CrMnMo鋼的要求。

表1 斷裂下芯棒的化學成分分析結果 %

1.3 SEM分析

在下芯棒斷口處取樣，用SEM進行分析，結果如圖4所示。由圖4可知：斷裂起源于R角處表面，斷裂起源處局部區域呈沿晶斷裂；脆性區部分晶粒內部呈脆性解理斷裂,晶界附近有韌窩形貌；斷口絕大部分區域為快速擴展區，微觀形貌為準解理斷裂；斷口上未見明顯夾雜物等原始冶金缺陷，未發現明顯的其他缺陷。

圖4 下芯棒斷口處的SEM形貌

1.4 硬度測試

采用洛氏硬度計對下芯棒R角處的斷面進行硬度測試，結果如表2所示，可見R角處的斷面硬度都符合設計要求，未見異常。

表2 下芯棒R角處斷面的洛氏硬度測試結果 HRC

1.5 金相檢驗

在下芯棒斷口處取樣，并進行金相檢驗，結果如圖5所示。由圖5可知：斷裂起源處可見一些微裂紋，起源處未見冶金缺陷，裂紋內未見夾雜物；試樣顯微組織不均勻，可見黑白區，黑區顯微組織為索氏體，白區顯微組織為貝氏體；試樣內部可見鋸齒形裂紋，裂紋內未見非金屬夾雜物，裂紋處沒有發現明顯的缺陷；斷口的裂紋擴展形式為穿晶斷裂,判斷為脆性斷裂。

圖5 下芯棒斷口處的顯微組織形貌

2 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知，下芯棒的化學成分、硬度及顯微組織等都符合相關標準及技術要求。對下芯棒的服役環境進行調查可知，在車輪成形的鍛壓和脫模過程中，下芯棒都承受著瞬間大沖擊載荷。下芯棒是由芯棒桿體與尾部組成的階梯軸式工件，桿體與尾桿之間有較大的尺寸變化，在芯棒尾部受力時，發生尺寸變化的位置會產生應力集中。下芯棒多次在R角處發生斷裂，可推斷出下芯棒R角處是應力集中區，R角處一旦萌生裂紋，在多次受力的情況下，裂紋會快速擴展，最終導致下芯棒斷裂[3-6]。

3 改進措施

對于階梯軸類的工件而言，在其他條件相同的情況下，工件過渡圓角半徑與軸半徑之比越小，階梯兩側尺寸變化越大，有效應力集中因數越大，工件對應力集中越敏感[7]。采用增大尾桿直徑以及過渡圓角半徑等方法，可以減小應力集中對下芯棒尾部壽命的影響。對下芯棒R角尺寸進行優化設計，將倒圓角半徑由2 mm改為10 mm，可以避免下芯棒在R角處的應力集中。經過現場實際使用，改進后的下芯棒未再次發生斷裂。

4 結論與建議

下芯棒的化學成分、硬度、顯微組織等均符合要求。下芯棒斷裂原因為：R角尺寸偏小，在R角處產生應力集中導致下芯棒發生斷裂。下芯棒為多源脆性斷裂，裂紋由下芯棒R角處向內擴展。

對下芯棒R角處尺寸進行優化，減小R角半徑，可以避免再次發生該類芯棒斷裂事故。