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顶锻模失效分析.doc

花匠小妙招
2025-12-13 08:38

顶锻模失效分析【摘要】本文对生产某高速机顶杆的顶锻模的失效原因进行了分析。通过理化分析、宏观断口检查及调整热处理工艺对比试验等方法，发现原设计的热处理工艺和加工后的表面粗糙度高，是造成该顶锻模破断失效的主要原因。我公司生产的某高速机顶杆零件材料为45钢、ψ8mm冷拉退火供应，要在炽热状念下镦成如图1所示的零件。加工该高速机顶杆的顶锻模选用5CrNiMo钢制造，成品要求硬度为60～64HRC，经第一次淬火、回火后，冈硬度达不到规定耍求(实测硬度为43～45HRC)而晕淬。重淬、回ui回火后硬度虽已达到要求，但往使用的初期，只生产100多件零件后锻模就断成了两半(见刚2、图3)。其中重淬工艺为：淬火+(180～200)℃煮油回火。图2中，箭头所指为焊接部位及热影响区(热影响区颜色灰暗)。需要指出的是，图2只给出了整套锻模完全破断的1/2形貌，另外的1/2面与之对称。 nextpage一、原因分析 1．宏观断口分析顶锻模的破裂起源于ψ9mm和ψ16mm陌孔连接的内壁，断裂面断口绝大部分呈灰色瓷状脆性断裂，有局部断口被污染成黑色，其中手柄接头焊接部位(见图4)与焊接热影响区的断口颜色较深，整个断面呈现有二种不同颜色的分界区(黑色、灰色和蓝色)。此外，ψ9mm内孔壁可见明显的横向加工痕迹，表面粗糙度不符合图4的规定要求。而在ψ9mm孔和ψ16mm孔的连接处，发现有一纵向裂纹，且已裂通至模具的横截面。在ψ9mm孔和ψ16mm孔边缘，可见明显的断裂源应力线，且大多起源于两孔(ψ9mm和ψ16mm)孔壁加工的刀痕处，并很吻合。 2．硬度检测（1）在模具的顶平面上，进行硬度检测，硬度为55～57HRC（此区为蓝、黑色）。（2）沿模具工作面进行硬度均匀性检测（从内到外），硬度为57～64HRC，不够均匀。（3）在焊接热影响区检测硬度为57～59HRC，而工作部位硬度为60～64HRC。 3．金相组织检查在破断部位取样做金相组织检查，证明为回火马氏体组织，并且明显可见针状少量残留奥氏体，还可见过热和严重回火不充分的特征，因此怀疑实际淬火加热温度偏高。而淬火裂纹壁已被污染，说明模具在使用前就产生了小裂纹，经工作负荷冲击后慢慢扩张而破断。 4．分析结论综上所述，破断属于低度疲劳断裂，显然热处理工艺选择不当是至关重要的直接原因。对顶锻模而言，选择这样高的硬度(60～64HRc)是不合适的，淬火后因煮油、回火温度低(＜200℃)，不仅硬度降不下来，就连淬火应力也不能完全消除，因此在使用前就产生了小裂纹。又因内孔壁有较明显的刀痕，表面粗糙度高，负荷时在刀痕处容易引起应力集中而产生裂纹源，从图4中可见刀痕与破断源极为吻合，按图4中公差的规定标准，是不允许有宏观可见的痕迹，但破断锻模上却明显存在痕迹。 nextpage应当指出，在成品热处理工艺上，选择这样高的硬度是不合适的，从5CrNiMo钢的回火温度与力学性能的关系图中(见图5)，可以推测采用回火煮油工艺的冲击韧度极低。按照常规要求，对材质为5CrNiMo钢的锻模，由于其具有很高的淬透性，一般采用油中淬火、硝盐槽中分级或等温淬火。为减少应力，在淬火冷却中先采用空气预冷却至750～780℃，再淬火40～70℃的全损耗系统用油中，当冷至150～200℃左右出油，然后立即进行回火处理，否则有开裂的危险。此次顶锻模由于未及时回火或回火温度很低，实际上在使用前就产生了淬火小裂纹。就锻模的硬度选择而言，硬度44～47HRc，回火温度选用490～510℃较为适宜。现破断顶锻模的硬度已高达60～64HRc，而且回火煮油温度太低，故应力不能彻底消除。由于残留应力大，内孔表面有加工刀痕，所以只生产100多件就提前失效了。 5．验证试验因当时生产急需，工厂又及时赶做了1副顶锻模。该顶锻模选用3Cr2W8V钢，将成品硬度降至47～50HRC内，并采用950℃亚温淬火工艺。经生产检验，效果良好，消除了疲劳失效现象。这就证明，前面对顶锻模失效的原因分析是正确的。二、改进措施在正常的批量生产中，今后顶锻模仍将采用5CrNiMo材料，只是要将硬度调剑45～50HRC(以前要求硬度为60～64HRC)，并采用高淬温度910℃淬火+(420～440)℃刚火，控制硬度44～48HRC。新的顶锻模经使用效果良好，消除了疲劳破断的失效现象。三、结语热顶锻模工作时，以很大的冲击力作用于处于炽热状态的工件，发生热塑性变形。故模具应具有高强度、高韧性、一定的耐磨性及高的回火稳定性和热疲劳性。生产中应对不同大小的热锤锻模，选用不同的硬度要求：小型的为44～47HRC，中型的为38～42HRC，大型的为34～37HRC；而且都要充分回火后再使用，一般用3～5h。为防止第二类回火脆性的产生，同火后应在油中冷却至100