一种金属嵌件注塑磨具的失效分析

2018-08-05胡白桃陆中平宁铁晖丁丰彪

世界有色金属 2018年10期

胡白桃，陆中平，宁铁晖，丁丰彪

（1.杭州娃哈哈集团有限公司，浙江杭州 310017；2. 杭州百斯特模具技术有限公司，浙江杭州 310017）

模块是磨具的重要组成部分。其工作可靠性直接影响嵌件的成型质量和模具的正常工作和使用寿命。注塑过程中，注塑模要承受熔化粒子施加的压力，融化时温度可达到180-230℃。因此型腔承受着巨大的注塑压力和温度，这就对型腔的耐磨性、耐热疲劳性能提出了很高的要求。再加上粒子在熔融状态下会分解出氯化氢、氟化氢和二氧化硫等气体，对模具型腔具有腐蚀作用，因此需要一定的耐腐蚀性。由于Cr13型马氏体不锈钢热处理后能获得较高的硬度和表面光洁度，较好的机械性能，并具有较好的抗大气和水蒸气腐蚀性能，被广泛应用于制作高耐磨、高精度和高耐蚀性的模具[1-3]。本公司制作型腔的材质1.2083即为此类金属材料。此零件加工工艺过程为：下料→精车→铣型腔→铣冷却水槽缺口→真空热处理→磨外圆、锥孔→模腔抛光。某批型腔投入使用后不久即发生失效，腔体开裂，数量占50%左右。失效零件使用时间为2-3个月，而正常零件平均使用寿命为2-4年，现从断口形貌、化学成分、金相组织、硬度等方面进行分析，探索失效型腔的失效原因[4]。

1 失效零件的宏观形貌

图1 型腔外观及裂纹位置示意图

图2 裂纹源示意图

图1所示为型腔外形，外表螺纹为冷却水道。由图中可知水道表面被一层厚厚的黄色的水锈覆盖，竖直的裂纹清晰可见。图2所示为裂纹的位置图，图中所示裂纹头口部起始，几乎纵向贯穿整个腔体[5]。

2 试样检测

使用SPECTRO光谱仪对试样进行能谱分析，分析前进行标准块测试。结果见表1，成分符合厂家供货标准。由成分检测结果可知，原材料的杂质含量控制在了较低的水平，金属材料的纯净度较好，金属材料中含有一定量的Si，在耐蚀性塑料模具中，Si可显著提高铁基和镍基耐蚀合金在氧化介质中的耐蚀性，同时还可降低合金在高温含Cl-环境中的点蚀倾向。

表1 失效型腔的能谱分析结果

在裂纹附近及远离裂纹的基体取样进行洛氏硬度检测，硬度为52.1HRC，52.5HRC，52HRC，硬度符合热处理及使用要求。观察水道表面，可以发现许多表面的腐蚀凹坑。在裂纹源的位置垂直于凹坑的截面取样，可以发现靠近表面的位置分布着较多的蚀坑。金相观察可知，蚀坑附近存在大量的沿晶微裂纹。观察500倍金相照片，组织为回火马氏体+碳化物。

图3 表面蚀坑截面取样图

图4 蚀坑附近的表面微裂纹100X

图5 裂纹附近微观组织500X

3 结果分析

马氏体不锈钢耐蚀的最重要因素在于金属材料表面保护性钝化膜的自愈性。金属材料基体中必须由足量的Cr以形成主要由Cr2O3组成的“表面膜层”，以使钝化膜在被破坏的情况下还能有足够数量的Cr3+离子重新与氧结合在材料表面形成保护性钝化膜。如果金属材料中的Cr含量不足以形成自钝化保护膜，或由于某些原因造成金属材料的局域出现贫Cr现象，有效保护膜就不能在材料表面形成。回火状态下马氏体金属材料的耐蚀性能与回火温度密切相关。回火初期，渗碳体型碳化物（Fe,Cr）3C首先析出，随着回火温度的升高，析出碳化物的类型逐步转化为M7C3类碳化物，基体的贫铬表现得并不明显。而当回火温度进一步提高，碳化物转变为M23C6后，这时碳的扩散速度大而铬的扩散速度还很低，导致碳化物周围出现贫铬区，并且由于在碳化铬颗粒与基体之间会形成许多微电池，富铬碳化物为阴极，而碳化物周围的贫铬固溶体为阳极，会引起电化学腐蚀，加速钢的腐蚀。鲁思渊等已经由实验证明经过500℃回火后，Cr13型模具钢的钝化膜整体性遭到极大破坏，其耐蚀性因为“失钝”而大幅降低。经调查，这批型腔的回火温度为500℃，由于自来水中含有大量Cl-，而Cl-通常是引起钝化金属点蚀的主要腐蚀性离子。一旦点蚀发生，基体中的贫铬区会使腐蚀迅速加剧，晶间腐蚀产生微裂纹，引起模具的断裂失效。后来，把这类零件的回火温度改成250℃，未再发生严重的腐蚀断裂现象。