CrWMn钢遇水炸裂原因分析_谭蕴.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c nC r WM n钢遇水炸裂原因分析谭 蕴,王世鹏,刘国清,赵峰,杨 烈,乔 宇(中国航发贵州黎阳航空动力有限公司,贵阳 5 5 0 0 1 4)摘 要:某厂使用C r WM n制造凸模经热处理后,在清洗表面的过程中发生炸裂现象,该情况连续发生两次,为查明其原因,对该模具进行金相组织、宏观断口以及硬度等分析,并采用仿真对其进行验证。针对炸裂的原因制定出相应的改进措施与方案,并取得效果完成产品的交付。结果表明,模具尺寸太大,没有淬透,使碳化物尺寸较大并在晶界聚集,加之内部产生的残余拉应力,则使裂纹扩展导致凸模炸裂。关键词:C r WM n;炸裂;残余应力;有限元仿真 中图分类号:T F 7 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 4 9-0 3C r a c k i n gA n a l y s i sC r WM nS t e e l i nW a t e rT a nY u n,W a n gS h i-p e n g,L i uG u o-q i n g,Z h a oF e n g,Y a n gL i e,Q i a oY u(A E C CG u i z h o uL i y a n gA v i a t i o nP o w e rC o.,L t d.,G u i y a n g5 5 0 0 1 4,C h i n a)A b s t r a c t:Af a c t o r yu s e dC r WM n t om a k ep u n c h,a f t e rh e a t t r e a t m e n t,t oc r a c kd u r i n gs u r f a c e c l e a n i n g,w h i c ho c-c u r r e d t w i c e i na r o w.I no r d e r t of i n do u t t h ec a u s e,t h em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e,m a c r of r a c t u r ea n dh a r d n e s so f t h em o l dw e r e a n a l y z e d,a n d t h e s i m u l a t i o nw a su s e d t ov e r i f y i t.T h e c o r r e s p o n d i n g i m p r o v e m e n tm e a s u r e s a n dp l a n sw e r ed e v e l o p e d f o r t h e c a u s eo f t h e e x p l o s i o n,a n d t h ep r o d u c td e l i v e r yw a sc o m p l e t e dw i t hr e s u l t s.T h e r e s u l t ss h o wt h a t i ft h ed i e s i z e i s t o o l a r g e a n d t h e c a r b i d e i s n o t q u e n c h e d,t h e c a r b i d ew i l l b e l a r g e r a n dg a t h e r a t t h e g r a i nb o u n d a r y.I n a d-d i t i o n,t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e s sg e n e r a t e d i n s i d e t h ed i ew i l lm a k e t h e c r a c ke x p a n da n dc a u s e t h ep u n c ht oe x p l o d e.K e yw o r d s:C r WM n;C r a c k;R e s i d u a l s t r e s s;F i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n作者简介:谭蕴(1 9 9 4),女,汉族,贵州遵义人,助理工程师,研究生,中国航发贵州黎阳航空动力有限公司,研究方向为金属材料热处理。0 引言C r WM n钢(0.91.0 5%C、0.91.2%C r、0.81.1 0%M n、1.21.6%W)属于低合金刃具钢,具有较高的淬透性,一般零件有效厚度小于5 0 mm时基本能在硝盐中淬透,同时具有较高的碳含量。一方面满足了碳化物形成元素形成定量的过剩碳化物的需要;另一方面在淬火加热时又有足够的C溶入奥氏体,从面保证钢有高的硬度和耐磨性。W能细化晶粒,改善韧性。由于该钢淬火后残留奥氏体较多,可以抵消马氏体相变引起的体积膨胀,故淬火变形小。因此C r WM n钢适于制造要求耐磨和淬火变形小的刃具,如拉刀、长丝锥、长铰刀等,也可作量具包括量规、块规以及冷冲模等。在C r WM n钢的广泛运用中,也遇到一些问题。周裕强等1,在使用C r WM n钢制造零件时,发现在线切割的过程中槽面产生裂纹,通过分析是由于回火不充分造成的。王勇等2研究了C r WM n钢用作大尺寸模具时,由于淬不透在内部产生残余拉应力而导致裂纹产生。孙德慧3等分析了C r WM n凸模淬火热处理开裂原因,发现网状碳化物是导致C r WM n凸模淬火开裂的主要原因,并采用正火、强制空气冷却的方式消除网状碳化物,防止开裂的再次发生。某厂使用C r WM n制造凸模经热处理后,在清洗表面的过程 中 发 生 炸 裂 现 象,本 文 主 要 以 某 厂 里 发 生 的C r WM n凸 模 失 效 热 处 理 分 析 课 题 为 背 景,在 分 析C r WM n钢工艺参数、金相组织及硬度的基础上对模具在清洗过程中发生的炸裂现象进行分析,最后研究了改进方案,并进行有限元模拟,综合讨论C r WM n钢遇水炸裂原因,为之后的工艺优化提供依据。保证产品的合格交付。1 检验方法图1 C r WM n凸模设计图1.1 凸模制造工艺及理化检验内容C r WM n凸模的外形尺寸如图1所示,C r WM n凸模原材料为锻件,其加工过程是:机加工一淬火+回火热处理一装配、钳修工序,热处理时先将C r WM n钢在6 0 0时进行预热处理保温1 h,再升温至8 2 0 C进行率火保温,保温时间约3.5 h,冷却方式:油冷。回火采用的是低温回火工艺,回火温度为1 8 02 0 0,先后两次的保温时间不同,第一次的保温时间为9 h,由于第一次炸裂考虑是由于回火保温时间不够而引起的模具内部残余应力过大而开裂,因此将第二次的保温时间延长至1 8 h,均采用空冷。该模具的技术要求为:尺寸及精度符合图纸要求,硬度5 56 0 HR C。为了研究模具炸裂原因并进行方案改进,我们将炸裂的凸模试样进行以下检验工作:1)借助目视对炸裂模具的断口进行宏观观察,并初步分析断口产生94DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0062 0 2 3年第5期原因;2)对试样进行硬度检测;3)采用光学显微镜、扫描电镜对试样的组织进行观察;4)利用N XN a s t r o n有限元仿真软件进行仿真分析。1.2 凸模检测试样的选取与制备由模具的表面及心部位置,截取两次炸裂模具试样。选取两次炸裂模具表面及心部位置,用于加工8个金相组织试样(金相组织试样尺寸1 0 mm1 0 mm1 0 mm)。并对两次炸裂模具试样进行编号,1-1、1-2、1-3、1-4分别表示第一次炸裂试样表面到心部取的试样;另一组2-1、2-2、2-3、2-4也表示表面到心部取的试样。2 试验过程2.1 宏观断口图2 炸裂模具图从断口宏观形貌可知,两个炸裂模具裂纹起源于模具内部,端口大致沿模具的径向开裂,而断口较为齐整、略带弧形,断面贴合较好,无明显的塑性断裂倾向,表现出脆性断裂的特征,如图2所示。2.2 硬度检测分别检测两次炸裂模具的试样由表层至心部的洛氏硬度值,其结果如图3所示。由图3可知,模具的硬度远低于设计要求的5 56 0 HR C,其硬度由表层至心部依次降低。单从硬度的曲线来看淬硬层的厚度大约有5 mm。图3 C r WM n模具梯度硬度检测结果2.3 金相检验图4第1组试样组织形貌将试样磨抛后,腐蚀前观察,未见异常;腐蚀后观察,两组试样的组织相近,其中靠表层部分1-1、1-2、2-1、2-2组织主要为回火隐针马氏体+颗粒状碳化物;靠心部部分1-3、1-4、2-3、2-4组织主要为珠光体+颗粒状碳化物,见图4图6。主要是在冷却的过程中,C r WM n钢的A c 1为7 5 0,A C c m为9 4 0,其淬火温度为A c 1+(3 05 0),因此加热到8 2 0 是得到奥氏体,在油冷的过程中奥氏体转变为马氏体,得到马氏体、残余奥氏体以及碳化物。另外利用Z E I S S型扫描电镜对个试样进行扫描分析,得到如图6所示的组织形貌,在靠近表层部分的组织由于冷速较快,得到回火隐针马氏体。说明模具内部未能完全淬透,并且其碳化物还有沿着晶界分布的特征。图5 第2组试样组织形貌图6 第1组试样S EM电镜下组织形貌3 原因分析及解决方案3.1 原因分析通过金相分析证明,由于模具尺寸较大,在淬火时不同部位的冷却速度不同,造成模具整体并未完全淬透,且淬透层较薄,从硬度看只有5 mm左右的淬透层,内部冷速慢,产生较大的内部残余拉应力,导致成为裂纹产生的主要原因3-5。根据上述检查分析结果,得知由于模具整体较大并没有完全淬透,淬透层较薄,因此具备“大型非淬透性件”的特征6。在清洗的过程中,内部产生的I I I型残余拉应力由于外部因素的影响以及内部的大量碳化物,而引起应力集中致使其材料在此处成为裂纹源,进而导致其遇水炸裂。在淬火时,表层冷速快得到马氏体;内部冷速慢,得到珠光体。在冷速合适的情况下,还有大量的碳化物颗粒析出。沿晶界分布的碳化物降低了晶界的强度,使裂纹更容易沿着晶界扩展7-8。随着裂纹的扩展,其残余应力逐渐释放,但是由于模具尺寸大的原因,裂纹在用热水进行清理时出现炸裂现象。另外对于有效厚度尺寸较大的零件,为了保证淬火的硬度,应提高正常的淬火加热温度,同时减少热应力带来的加热变形。回火热处理作为率火后的工序,是将淬火后的C r WM n凸模在A 1以下温度进行加执保温,使组织转变为稳定的回火组织,其主要作用是稳定钢的组织和性能,消除淬火产生的应力9。对于高温回火的零件来说,容易消除应力,但是对于尺寸较大的模具来说,低温回火消除应力需要长时间。另外,由C曲线可知,C r WM n淬火得到马氏体时,并不需要全程进行快速冷却,在开始的时候由于奥氏体较为稳定,冷却速度应该慢一些,降低由于温度差而引起的热应力1 0-1 1。特05内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n别是对于较复杂、尺寸较大的零件来说,更应该添加淬火前的预冷工序。3.2 解决方案(1)为防止C r WM n凸模淬不透现象的产生,可改变模具结构,如图7所示。图7 C r WM n凸模(2)增加淬火保温时间与冰冷处理,增加淬透层深度。(3)该模具主要用于拉伸模,替换新的材料,使用球墨铸铁。a.原凸模 b.优化后凸模图8 原凸模及优化后凸模有限元模型3.3 仿真验证为验证优化后的凸模结构强度及稳定性,降低实验成本,本文采用有限元仿真分析的方法,通过N XN a s t r o n有限元仿真软件,建立凸模及优化后的有限元模型如图8所示,其中图8 a为原凸模,图8 b为内部减轻后的凸模。两个模型均在液压机41 03k N载荷下,约束条件为底面支承,网格采用自由四面体网格,该网格对曲面复杂模型具有较好的