汽車零部件的熱鍛模具失效分析

1、汽車零部件的熱鍛模具失效分析 Ryuichiro Ebara , Katsuaki Kubota (Ryuichiro Ebara：機械系統(tǒng)的工程，廣島技術學院， 2-1-1 ，三宅，佐伯區(qū)，日本，廣島731-5193Katsuaki Kubota ：14 nichidai公司， Shiotani ， Zenjoji ，町Ujitawara ，都筑郡，京都610-0201 ，日本2007年10月16日接收， 2007年10月19日被認可，2007年11月4日在線發(fā)表)摘要汽車零部件的熱鍛模具失效影響變量和原因已經(jīng)進行了總結。熱鍛模具的失效特性已經(jīng)被例證。工程失效分析中微觀斷口形貌成擠壓狀態(tài)對于

2、熱模鍛模具失效是一個重要因素。然后分析了熱鍛模具失敗的例子鍛模失效及其對策措施和相互影響的變量如模具材料、模具設計、模具制造、鍛造操作。最后一對夫婦的推薦工程失效分析工作熱鍛模失效是觸及了汽車零部件作了簡要介紹。 2007愛思唯爾有限公司保留所有權利。關鍵詞：熱鍛模具;微斷口形貌 ;拉伸區(qū);低周疲勞，熱疲勞1. 簡介 汽車零部件熱鍛模具失效由不足的變量造成，如模具材料，模具設計，模具制造和鍛造操作。為了防止模具失效，迄今已作出許多努力提高模具壽命。 在本文中對汽車零部件熱鍛模具的工程失效分析的幾個重要問題從作者的實驗結果進行了主要概括。汽車零部件模具失效的影響變量和原因進行了分類。汽車零部件熱

3、鍛模具失效的宏觀特征作為汽車零部件的熱鍛模具的典范代表。工程失效分析中微觀斷口形貌成擠壓狀態(tài)對于熱模鍛模具失效是一個重要因素。然后，然后分析了熱鍛模具失敗的例子鍛模失效及其對策措施和相互影響的變量如模具材料、模具設計、模具制造、鍛造操作。最后對汽車零部件的熱鍛模具工程失效分析中應解決存在的未來問題作了簡要描述。2. 失效熱鍛模具的宏觀特征和失效原因大部分的熱鍛模的失效是由于影響變量不足如模具材料,模具設計、模具制造、鍛造操作。熱鍛模失效的影響變量和原因可分類為如表1 1所示。 熱鍛模經(jīng)常在應力集中的拐角處失效。圖1顯示了一個典型的失效熱鍛模具關節(jié)。從表面宏觀斷口，它可以很容易判斷，脆性破壞從拐

4、角開始的。這些裂縫經(jīng)?？梢栽跓徨懩＞哧P節(jié)，連桿，曲柄軸和法蘭汽車零部件觀察到。然而，在低倍率觀察，大部分的脆性斷裂從機械和熱疲勞短裂紋拐角處開始。這些失效在熱鍛模關節(jié)，法蘭，凸輪軸和汽輪機葉片汽車零部件鍛模上觀察到2 。圖2顯示了2000鍛造操作3后SKT4鋼法蘭模具的斷裂面。它可以很容易地確定從表面發(fā)起沖擊破壞深度在2.6毫米。圖3顯示了一個典型連桿1在熱鍛模具的熱裂紋觀察。這些表面裂紋引起鍛件產品質量不足的原因。圖 4和5分別顯示帶關節(jié)的鍛模表面裂紋觀察和鍛造后關節(jié)表面的表面裂紋1。表1熱鍛模具失效的影響變量和原因1 影響變量失效的原因模具材料 鍛造比不足非金屬夾雜物清潔不合理熱處理不足模

5、具設計小圓角半徑形狀設計不合理模具的寬度和厚度的短缺鍛造形狀不足模具制造表面加工不合理表面處理不足電引發(fā)的不規(guī)則表面補焊鍛造操作不足預先加熱模具面不合理不足的鋼錠加熱潤滑不足圖1、一個汽車的關節(jié)鍛造模具宏觀斷口 1 。箭頭A和B顯示了裂紋的萌生點， SKD62R.圖2、鍛造法蘭軛斷裂表面失效3。箭頭顯示在沖擊破壞發(fā)起的硫化錳3、 熱鍛模具失效分析中失效分析過程和微觀斷口形貌的作用 失效的的熱鍛模的失效分析過程基本上是相同的傳統(tǒng)的機械部件。研究過程如圖 6 1 。起初熱鍛模具失效情況及其相關數(shù)據(jù)可以被捕捉到。然后對失效的熱鍛模進行宏觀觀察?？梢苑謩e對鍛壓設備，模具制造工藝和鍛造模具鋼的熱鍛模具失

6、效的影響變量進行調查進研究。對有針對性的失效原因進行了詳細的故障分析。如果需要進行熱鍛模具失效的模擬試驗。確認故障原因后的對策，制定了。 在詳細分析的過程進行顯微觀察。作為與故障分析經(jīng)常采用傳統(tǒng)的機械和結構微觀斷口的比較到目前為止還沒有經(jīng)常應用在熱鍛模具失效。被認為有兩個原因。第一，如上述提到的脆性斷裂可以很容易用宏觀觀測確定而不用微觀觀察。第二，有很少的基礎類型去確認硬質材料包括鍛造模具鋼的失效。圖3、連桿的熱鍛模具失效1 。圖4。熱鍛模具失效關節(jié) 1 。 “a ”顯示在鍛模出現(xiàn)小的撕裂 因此對熱鍛模鋼材進行拉伸，沖擊，低循環(huán)疲勞和熱疲勞試驗然后每個失效的基本微觀斷口數(shù)據(jù)可以從實驗中獲得4-

7、6 。對帶裂紋的2毫米U型缺口擺錘沖擊試進行沖擊試驗。圖7顯示SKD61鋼的動態(tài)沖擊斷裂韌性K1d作為測試溫度。最大K1d達到573 K.韌脆轉變溫度在423 K。圖8顯示SKD62鋼的沖擊斷裂面。解理斷裂在室溫下觀察（圖8a），而觀察韌窩在673 K （圖8b）。熱鍛模具鋼的韌脆轉變溫度一般在373 K至423范圍。斷裂和沿晶斷裂的混合模式主要是在溫度低于韌脆轉變溫度，而韌窩是在溫度高于韌脆轉變溫度。因此沖擊韌性或脆性斷裂是可使用這些微觀沖擊斷口表面特性定性鑒定。圖9展示錘鍛模具鋼SKT4的疲勞和沖擊失效表面的拉伸區(qū)間.疲勞斷口觀察顯示了較高的測試溫度具有更廣泛的伸展區(qū)寬度。圖10顯示K1d

8、等效延伸區(qū)寬度 。最后提到熱鍛模具失效的溫度通過測量拉伸斷口區(qū)寬度可以定量確定。.圖5、鍛造關節(jié) 1 處的小裂縫。箭頭指向小裂縫。圖6、熱鍛模失效分析過程 1 。圖7、動態(tài)斷裂韌性等效測試溫度 K1d 4。圖8、沖擊斷口， SKD62 4 ： （一） RT ;（二） 673 K。 對SKD62 鋼圓形缺口應力集中的圓棒試樣，在室溫下， 473度和723度的室溫和573 K和1CT試樣裂紋擴展試驗 進行2.3的低循環(huán)疲勞壽命試驗。在低循環(huán)疲勞壽命的斷裂表面觀察的結果測試標本失效條紋周期高于100（圖11D ） 。在循環(huán)次數(shù)低于10的情況下，疲勞裂紋源區(qū)域可觀察到韌窩 （圖11b）。在斷口裂紋擴展

9、測試標本在室溫下， 473 K和723 K時出現(xiàn)裂紋。 圖9、拉伸區(qū)， SKD62 2： （a）逆轉錄（b） 673 K。SZ：拉伸區(qū)，F(xiàn)：疲勞， ：C:解理，D：酒窩。圖10、動態(tài)斷裂韌性K1d的等效延伸區(qū)的寬度。 在實驗室當加熱溫度的升高，SKD62鋼板試樣的熱疲勞試驗熱疲勞測試儀器的裂紋萌生周期數(shù)量減少。熱疲勞裂紋伴隨穿晶傳播路徑和紋狀的圖案出現(xiàn)（圖12） 。圖13所示經(jīng)過1000熱鍛操作的齒輪熱鍛模具失效斷裂面。熱疲勞裂紋主要出現(xiàn)表面上。此外，觀察斷裂面可以辨別條紋或條紋狀花紋。這些條紋或條紋狀花紋是和圖12觀察的非常相似。熱疲勞失效可以定量確定條紋狀花紋。利用熱模鍛失效的周期疲勞和熱

10、疲勞條紋間距的定量分析是未來的問題。圖11、低周疲勞斷裂表面2。 （a，b ）軸向應力： 1274.9 MPa和循環(huán)次數(shù)： 7 。 （ c，d）軸向應力： 1029.7 MPa和周期數(shù)： 1.4 103 。 （ b，d）是（ a，c）分別擴大 。 箭頭顯示裂紋擴展方向。4、熱鍛模具失效及對策分析實例4.1、鍛造模具鋼引起的熱鍛模具失效熱鍛模具鋼的一個重要的力學性能是斷裂韌性。眾所周知斷裂韌性是與鋼錠的各向異性不同。在鍛錘模具鋼SKT4沖擊測試結果中 ，2毫米U型缺口擺錘在573k的影響值的差異表明在不同的方向的401 。因此，在熱鍛模具模具設計重力方向必須考慮到鍛造模具鋼的比例和流動方向。圖2

11、中1毫米的長度的非金屬夾雜物硫化錳可以在沖擊失效的的啟點觀察到。這種鋼的清潔度D6 400 是0.083 ，表明值正常。這種鋼的微觀結構也正常。據(jù)說這種失效由不當鍛件和鍛造比不足造成。鍛件鍛造比和數(shù)量的控制可阻止這種失效。耐磨損性和可加工性也熱鍛模具鋼的重要性能。通過嚴格控制熔化到加熱熱鍛模具鋼可以防止熱鍛模具的失效。圖12、CT試樣的熱疲勞斷裂表面 5 （a）加熱溫度： 673 K和循環(huán)次數(shù)：100（b）加熱溫度： 873 K和周期數(shù)：100 4.2。熱鍛模模具設計引起的失效大多數(shù)熱鍛模具失效從壓痕拐角開始。因此在模具設計中壓痕拐角決定圖其尺寸是非常重要的。 可以對SKD62鋼圓棒應力集中系

12、數(shù)為1.4-2.6 u的缺口試樣進行低循環(huán)疲勞試驗。圖14顯示了104次的疲勞強度和應力集中系數(shù)之間的關系。在104周期下提高應力集中系數(shù)疲勞強度降低。熱鍛模具鋼的低周疲勞強度與熱鍛模具是不完全重合。然而熱鍛模具幾乎要考慮重復機械加載引起的裂紋源和在壓痕拐角的應力集中之間的關系。為了防止熱鍛模具失效和壓痕拐角尺寸必須非常仔細地確定1。4.3、模具制造一起熱鍛模失效如擴散氮化和離子氮化等表面處理經(jīng)常用于熱鍛模，以防止模具失效，延長模具壽命。很明顯，表面處理效果如擴散氮化和離子氮化不能在高應力區(qū)域預期（圖15） 。反復的壓力和預期改善的周期數(shù)列于表2 。表面處理的疲勞強度取決于表面硬度，淬火硬化層

13、深度和性質的差異。圖16顯示改善表面處理的預期應力的和應力集中系數(shù)之間的關系。表面處理可以降低預計應力集中系數(shù)。圖13、倒檔熱鍛模具的熱疲勞斷裂面5： （a）啟始; （b）從表面0.75毫米。圖14、 104次的疲勞強度和應力集中系數(shù)之間的關系 1 。圖15、表面硬化SKD62 鋼對低循環(huán)疲勞強度的影響4。表2表面硬化對低循環(huán)疲勞強度影響4 表面處理rc/rBNC 周期離子氮化(773 K *30 h)0.793 * 103離子氮化(723 K *30 h)0.735 * 103擴散滲氮(823 K *12 h)0.637 * 103rc：抗拉強度，rb：預計應力， NC ：預期的表面硬化效果

14、的周期數(shù)。圖16、預計表面硬化效應的應力和應力集中系數(shù)之間的關系。4.4、鍛造操作引起的熱鍛模具失效正如上述提到的熱鍛模具鋼的斷裂韌性被設計成約573 K具有最大疲勞韌性.這意味著鍛造操作前進行預熱是絕對必要的。到目前為止，熱鍛模預熱溫度不足造成的失效被當做鍛造操作。 最近測量斷裂表面的伸展區(qū)寬度能定量假設熱鍛模失效的預熱溫度。圖17顯示連桿和倒檔的熱鍛模具斷裂表面觀察的拉伸區(qū)。疲勞和沖擊斷裂面可以清楚地觀察伸展區(qū)。利用如圖 6中的關系，動態(tài)斷裂韌性K1d可以從測得的延伸區(qū)寬度建立。然后加熱溫度可以從如圖7所示的關系獲得。連桿的熱鍛模， SZW ; 12.5lm， K1d ; 34.1MN m

15、3/2和失效溫度328 K.在這種情況下，預熱溫度不足和失效溫度被認為是低于373 K。由于預熱不夠在10次鍛造操作后可以再模具表面發(fā)現(xiàn)裂紋。對于倒檔熱鍛模具， SZW; 41lm， K1d ; 47.4MN m3/2和失效的溫度; 473 K。在這種情況下的預熱是有足夠的和失效的原因被認為是不當?shù)哪＞咴O置。在如圖2中熱鍛在法蘭模具失效情況，伸展區(qū)寬度也被測量。失效溫度被確定為373 K。圖17、熱鍛模的斷裂表面拉伸區(qū)間1 ： （a）連桿（b）倒檔的C：裂解，F(xiàn) ：疲勞;SZ：拉伸區(qū)域。5、 結束語 在這個文章中熱鍛模具失效的影響變量和原因，模具失效特征，失效熱鍛模具及其對策的分析例子都做了簡

16、要分析。熱鍛模失效是復雜的，因為存在多種影響變量如模具材料，模具設計，模具制造和鍛造操作。當然必須對每個失效的熱鍛模進行失效分析。模具鋼，表面處理及應力分析的最新進展，使發(fā)展的一般失效分析方法。熱鍛操作更加趨于溫鍛。除了開裂問題，耐磨性必須進行評估7。模具設計和潤滑方法是必需要改善。積累的科學分析知識，必須有效地運用到現(xiàn)代技術中，以防止熱鍛模失效，延長模具壽命。參考文獻1 荏原R，久保田光J JPN SOC TECHNOL PLAST 1982年; 23:977-83 。2 荏原，久保田K.在 ：尼斯比特的EG ， Melilli的AS ，編輯。鋼鍛件。 ASTM STP的903 ; 1987年，P 。 583-92 。3 荏原河：西田的S-我的編輯。宏觀和微觀的方式斷裂。武漢陽邏