摘要
下面是工具钢失效实例和金相图。 |
用于工具和模具的钢在几个方面不同于大多数其他钢。首先,它们通过各种成型工艺被用于制造其他产品。其次,工具和模具通常使用比大多数其他钢材产品更高的硬度;58到68洛克威尔C是一个典型的范围。用于塑料成型或热加工的模具通常在较低的硬度下使用,通常为洛氏30 - 55℃。
这些高硬度值需要抵抗预期的使用应力,并提供耐磨性。然而,钢也必须有足够的韧性,以适应使用应力和应变而不开裂。必须避免或至少尽量减少由开裂引起的过早失效,以保持最低的制造成本。意外的工具和模具故障可以关闭生产线和打乱生产计划。
工具和模具也必须在硬化后以适当的尺寸和形状生产,这样就不需要过多的精加工工作。热处理变形必须得到控制,表面化学成分不能被改变。由于热处理过程中必须保持谨慎的平衡,因此热处理过程的控制是生产成功的工具和模具的最关键步骤之一。除了控制热处理工艺外,刀模设计和钢材选择也是实现刀模完整性的重要因素。
由破损引起的工具和模具故障,通常是灾难性的,是最引人注目的,并引起故障分析人员的最多关注。这种故障通常是最容易诊断的,但是当发现一个明显的问题时,分析人员不应该停止调查。有几个因素可以在不同程度上导致失败。任何失效分析的目标都应该是提供当前所有问题的总体情况,以便对未来的部件采取完整的纠正措施。
除了裂纹之外,还会遇到各种各样的问题,导致工具或模具寿命有限。这些问题包括但不限于在热处理、加工或使用期间的过度磨损、擦伤、起皱、侵蚀、点蚀、表面问题、腐蚀问题和变形。
收集证据
了解失效部件的制造和使用历史可以帮助分析刀具和模具故障。然而,在许多情况下,这样的信息是粗略的,分析人员必须依靠经验和工程判断。对于大多数工具和模具故障,可以遵循一种基本方法,以最大限度地确定故障原因的可能性。然而,有时却找不到失败的原因。在这种情况下,故障通常归因于未知的使用条件。
在开始调查之前,如果可能的话,应编制一份完整的制造历史和使用寿命。接下来,应仔细检查、测量和拍照,以记录损坏的程度和位置。经过研究,相关的设计特点以及一些加工问题总体上比较明显。如果是由断裂引起的,破坏的起因通常也会被确定。
只有在完成仔细的目视检查后,才应考虑任何破坏性工作。在某些情况下,应在切割前采用各种无损检查技术——超声波、x射线或磁粉检查,以获得更完整的内部或外部损伤情况。
这项工作完成后,研究的其他几个阶段就可以开始了。首先,应通过可靠的方法验证部件的组成。工具和模具的故障有时是由于意外使用了错误等级的钢材造成的。
当这项工作正在进行时,分析人员可以继续通过打开紧密裂缝来宏观检查断裂特征,如果它们存在的话。由于淬火裂纹是导致失效的常见原因,因此应始终检查断口表面的回火颜色。裂缝壁上的水垢表明它暴露在比回火时更高的温度下。
目测刀具和模具的损坏情况通常足以对故障类型进行分类。只有一小部分病例需要进行高倍断口造影检查。简单的立体显微镜检查通常就足够了。如果这表明在起始部位可能存在某种物质,则需要进行SEM检查和EDS或WDS分析。
在损伤部位及损伤部位以外和损伤部位的显微结构检查是必要的。这通常需要良好的保边制备,这对于工具钢来说是相对容易的。很大比例的刀具和模具故障是由热处理问题引起的;正确的金相程序的价值再怎么强调也不为过。
其他技巧也很重要。硬度测试是用来确认热处理质量的,经常会发现问题。宏观结构检查,无论是冷蚀刻或热蚀刻,是有用的检测重大问题。先前奥氏体晶粒尺寸通常采用Shepherd断裂晶粒尺寸技术进行评估,这是一种简单而准确的方法。x射线衍射可用于测定残余奥氏体的数量。
在某些情况下,进行模拟或进行实验热处理,例如,以确定零件是否经过回火,是必要的。从表面对铣削或车削进行化学分析将确定表面碳含量的变化。使用波长色散或能量色散x射线分析的电子金相设备可用于识别夹杂物或隔离物。在一些研究中,将好零件的特性与坏零件的特性进行比较也是有帮助的。
当对这些数据进行编译和分析时,分析人员就可以准备一份报告,详细说明故障原因和支持事实。在许多情况下,对未来或现有部件的纠正措施提出建议是必要的。
需要考虑的因素
刀具和模具失效的原因有很多。它们包括:
1.机械设计。设计必须与所选择的钢材等级、制造工具或模具所需的程序以及工具或模具的使用相兼容。
任何刀具或模具故障的检查都必须从仔细的重新检查设计开始,以确定是否存在缺陷,是否可以进行改进。如果采用新的制造工艺、改变等级或改变使用条件,在预期使用寿命内表现令人满意的工具和模具可能无法正常工作。因此,必须获得组件历史的完整细节。
好的设计的重要性怎么强调都不为过。糟糕的设计可能会导致或促进热处理失效,在获得任何使用寿命之前,或者可能会大大降低使用寿命。
在设计工具或模具时,必须考虑许多因素。在实践中,将设计阶段与等级选择分开是困难的,因为这两个步骤是相互依赖的。选择某种等级的钢材,例如必须采用盐水或水淬的钢材,将对设计和制造的各个方面产生重大影响。一般来说,任何需要液体淬火的钢种都需要非常保守、谨慎的设计。
空气淬火等级容忍一些设计和制造方面的考虑,这是液体淬火等级永远不能容忍的。设计还必须与现有设备兼容,例如热处理炉和表面处理设备。
由于难以预测使用应力,设计工具和模具比设计结构钢制造的部件更困难。尽管设计程序取得了进步,但许多设计工作仍然是基于经验的。经验主要来源于过去的失败;因此,失效分析人员的发现必须纳入到未来的工作中。尽管经验方法有缺点,但有大量的常识性工程知识可供指导。
2.品位的选择。所选钢的等级必须与所选的设计、用于生产工具或模具的制造工艺以及预期的使用条件和预期寿命相一致。
对于特定的应用,最佳等级的选择通常是韧性和耐磨性之间的妥协,尽管在某些情况下,其他因素可能更重要。因为大多数工具和模具在高应力条件下工作,韧性必须足以防止脆性断裂。对于工具或模具来说,磨损通常比过早地在使用中损坏要好。
因此,在新的应用中,选择一定具有足够韧性的牌号是最好的。随着经验的积累,可以通过平衡所需的韧性和耐磨性来选择最佳的等级。如果经验表明工具或模具没有破损,但持续过度磨损,例如,可以选择不同的等级,以提供更好的耐磨性,但韧性稍差。
3.钢的质量。材料必须具有良好的宏观结构,没有应用所需的有害夹杂物,并且没有有害的表面缺陷。
尽管在工具钢的制造和检验中采取了谨慎措施,但有缺陷的材料偶尔会导致刀具和模具故障。然而,这样的问题很少见。这些缺陷中最常见的是来自二次管的空隙、氢薄片、表面裂纹、孔隙或微孔、冷却裂纹、偏析和碳化物分布不良。退火控制不当也可能产生不均匀的碳化物分布或碳化物网络,从而影响热处理均匀性、降低延展性或损害可加工性。
4.加工过程。用于生产刀具或模具的加工过程不得改变表面微结构或表面光洁度,不得产生过多的残余应力,从而导致热处理问题或使用故障。
加工问题是刀具和模具故障的常见原因。通常最好避免直接加工到成品尺寸,除非使用预硬化模具钢。热处理过程中对表面化学性质和尺寸的控制是很困难的。因此,热处理后通常需要进行一些最终研磨。脱碳的存在通常是非常有害的。此外,由于热处理和使用中的应力较高,必须避免粗糙的加工痕迹。识别印记是热处理和使用中另一个常见的故障来源;应该避免。
5.热处理操作。刀具和模具的热处理必须在表面和内部产生所需的微结构、硬度、韧性和硬度。
不恰当的热处理程序是热处理过程中、后续加工步骤中或使用中失效的最大单一来源。每种工具钢都有一个推荐的奥氏体化温度范围,这个范围通常相当狭窄;推荐的淬火介质;并推荐回火温度和时间,以获得最佳性能。有些年级比其他年级更宽容。
6.研磨和精加工作业。研磨和精加工操作不得损害部件的表面完整性。
7.工具和模具设置。工具和模具的对准必须精确,以防止不规则的,过度的应力,将加速磨损或导致开裂。
8.工具和模具操作。在操作过程中必须避免过载,以确保达到预期的组件寿命。
工具和模具,虽然由正确的等级,良好的设计,适当的加工和热处理,也可能在有限的使用后失效,因为操作不当或机械问题。在这种情况下,故障分析人员可能会花费大量的精力评估设计、等级选择、加工和热处理,而没有发现任何异常。在许多情况下,分析人员几乎没有关于工具使用的信息,只能得出服务问题是导致失败的结论。在某些情况下,可能存在机械或服务问题的证据。
可能导致过早失效的机械因素包括过载、应力过大、对准或间隙问题。过高的温度可能是热加工模具故障的一个因素,可能是因为操作之间的冷却不足。在装配过程中也会发生故障,例如,在将一个部件收缩到另一个部件上时。印痕除了会导致热处理失效外,还会由于应力集中而导致使用失效。
对中问题是剪剪作业中工具失效的常见原因。虽然大多数工具和模具以脆性的方式失效,但有时会遇到疲劳失效。在大多数情况下,疲劳破坏位于截面尺寸的变化处、尖角处或印痕处。
相互依存
这种因素分类有助于对问题进行分类,但不一定能推断出特定故障的原因。由一个问题引起的失败可能是由处理序列中较早的其他问题引起的。
例如,许多归咎于滥用磨削实践的开裂问题是由于零件未能回火或过度奥氏体化引起的。这两个问题将使工具钢几乎不可能在不产生表面燃烧和开裂的情况下进行磨削,无论在磨削过程中采取何种小心措施。
因此,这些因素是相互依存的,就像链条的各个环节一样。如果一个步骤执行得不好,无论所有其他步骤执行得多么仔细,工具或模具的使用寿命都会有限。这种对加工的敏感性源于使用硬度非常高的工具和模具,在这种情况下,加工中的微小缺陷会对性能产生重大影响。
工具钢失效实例
aisia2模具钢模具抛光面上的凹坑。 | 碳化物偏析区域的孔,100x |
A2冲压模因意外渗碳而破裂- 8英寸直径模具 |
A2冲模因意外渗碳- 3%氮而破裂 |
无意的渗碳导致这个S7塑料模具失效。 | 高碳表面严重过度奥氏体化,产生大量残余奥氏体和粗糙的马氏体,在初始使用时产生开裂,3%的氮 |
S7角剪切叶片-由于表面微观结构不稳定导致的磨削滥用导致S7角剪切叶片过早失效。 |
S7角剪切叶片-表面 | S7角剪切叶片-内部. |
表面意外渗碳,奥氏体化温度过高,导致内部出现粗晶粒和粗板状马氏体,表面残留奥氏体(氮)。 |
过度奥氏体化A2旋转刀失败。 |
残余奥氏体和极粗板马氏体微裂纹(箭头),3%硝酸,700x。 |
D2拉模插入-初熔-外径损坏 | D2拉模插入-初始熔化- ID损坏 |
D2拉模插入-初熔-外径损坏 | 内部,大理石试剂 |
内径和外径表面损伤是由于合金在热处理过程中开始熔化造成的。 |
奥氏体化不足- L6冲床 | 这款AISI L6冲床用于研磨咖啡豆,但由于奥氏体化不足,低于规定的硬度,使用寿命很短后就失败了。 |
aisis7重载减速车轴扭转扭转失效 埃克斯利从来没有热处理过! |
乔治·范德·沃特具有物理、工艺和机械冶金方面的背景,从事金相研究48年。他是ASTM委员会E-4金相学的长期成员,并在金相学和失效分析方面发表了大量文章。他定期为ASM International教授MEI课程,现在正在做网络研讨会。他是斯特鲁尔斯公司的顾问,不久将为他们教授课程。可以通过1-847-623-7648,EMAIL: georgevandervoort@yahoo.com和他的网站联系到他:www.georgevandervoort.com
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