金林奎1,2，欧海龙1,2，黄持伟1,2，阮育煌,3，邹文奇1,2
（1.广东省东莞市质量监督检测中心，广东，523808；
2.国家模具产品质量监督检验中心，广东，523808；
3.东莞市奕东电子有限公司，广东，523808）
摘要：对Stavax ESR钢洗衣机面板模具开裂失效件，进行理化检测和分析。检测结果表明，由于模具裂纹源已经破坏，难以确定裂纹的首要原因。模具开裂的内在原因，是由于组织中沿晶界残留未溶颗粒状及薄片状碳化物，材料的强度急剧降低，脆性显著增大，最终造成模具的早期开裂失效。模具在热加工过程中工艺不规范，碳化物沿晶界析出形成网状碳化物。最终热处理加热保温过程中，网状碳化物经过固溶和聚集，形成未溶颗粒状及薄片状碳化物。热处理加热过程的热应力以及淬火过程的组织应力，在未溶颗粒状及薄片状碳化物周围产生内裂纹。模具冷却水孔的机加工过程，使沿晶开裂特征的内裂纹显露出来。模具服役承载时产生的工作应力，促使裂纹的进一步萌生和扩展。
关键词：网状碳化物；颗粒状碳化物；薄片状碳化物；热应力；组织应力。
Analysis of the causes of die cracking for Stavax ESR steel washing machine
Jin Linkui1,2，Ou Hailong1,2， Huang Chiwei1,2，Ruan Yuhuang 3，Zou Wenqi1,2
（1.Guangdong Dongguan Quality Supervision Testing Center, Dongguan 523808, China
2. National mold product quality supervision and inspection center, Dongguan 523808, China
3. Midea group household air-conditioning division, foshan 528311, China）
Abstract: The Stavax ESR steel washing machine panel mold cracking failure pieces, physical and chemical testing and analysis. The test results show that it is difficult to determine the primary cause of the crack because the mold crack source has been destroyed. The internal cause of the cracking of the mold is that the strength of the material decreases sharply and the brittleness increases significantly, resulting in the early cracking failure of the mold due to the residual insoluble granularity and flaky carbide along the grain boundary. Mold in the hot process is not standardized process, carbide precipitation along the grain boundary to form a network of carbide. The final heat treatment during heating and heating process, the network carbide through the solid solution and aggregation, the formation of undissolved granular and flaky carbide. Heat treatment The thermal stress during the heating process and the microstructural stress during the quenching process produce internal cracks around the undissolved granular and flaky carbides. Mold cooling water hole of the machining process, so that the characteristics of the cracks along the cracks exposed. Mold work load bearing the work stress, to promote the further initiation and expansion of the crack.
Key words: Keywords carbide; particulate carbide; flaky carbide; thermal stress; tissue stress.
中图分类号:TG147 文献标志码: B 文章编号:
Stavax ESR钢属于耐腐蚀的模具钢，它具有较高的耐腐蚀性和抛光性能，同时有优良的耐磨性和机加工性能。模具制品长期使用后，模腔表面仍然保持光滑状态。由于该钢种有较强的耐腐蚀性，模具可以潮湿的环境下存放和使用，不需要特别的�；�。模具冷却水道不受腐蚀的影响，冷却效率在模具使用过程中保持稳定，确保模具稳定的成形效果。模具钢在正常制造条件下，为了能够得到所规定的质量要求，必须严格控制材料中硫、磷元素的含量，并将锰元素含量保持在较低水平，以减少淬火过程的变形和开裂倾向。同时模具材料的热处理过程至关重要，它能保证模具制品的使用性能。
1.宏观检查
该模具失效件的材料一胜百公司提供的Stavax ESR塑料模具钢，并由该公司负责模具的热处理加工。该模具的整体外形尺寸为长700mm×宽300mm×厚100mm，模具开裂部位位于壁厚处的冷却水孔边缘。模具发生早期开裂失效后，材料及热处理加工的厂家派员前来处理，并在模具开裂部位取样进行检测（见图1）。在截取样块后的残留部位，仍然可以看到冷却水孔边缘的裂纹，该裂纹已经穿透模具的整个壁厚并向下延伸。经测量，裂纹的扩展深度达100mm，且裂纹呈刚直的脆性开裂特征形貌（见图2）。
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由模具冷却水孔边缘壁厚处开裂的样块，观察到裂纹呈笔直的开裂状态。对应冷却水孔另一侧的开裂样块，已经被材料供应商厂家取走（见图3）。打开冷却水孔开裂样块，目测断口表面平坦，断面的上下两侧有数条放射状人字形条纹，人字纹收敛处指向冷却水孔开口处，该部位属于裂纹扩展的起始部位。放射状条纹附近隐约可见二次裂纹，断口呈现脆性开裂的特征形貌⑴（见图4）。由于裂纹源已经在机械切削加工过程中被人为破坏，无法确认模具开裂的首要原因。因而只能从断口形貌分析及金相组织检测，分析模具开裂的内在原因。
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2.结果与讨论
2.1化学成分分析
从该模具上截取样块进行化学成分检测，采用德国牛津FOUNDRY-MASTERPRO直读光谱仪进行检测，依据一胜百模具Stavax ESR材料成分范围要求判定。检测结果表明，化学成分符合规范要求(见表1)。
表1原材料化学成分（％）
Table1 Chemical composition of raw materials（%）
Stavax ESR | C | Si | Mn | Cr | V | P | S |
标准值 | 0.35～0.42 | 0.60～1.40 | 0.20～0.80 | 13.1～14.1 | 0.10～0.40 | ≤0.03 | --- |
实测值 | 0.384 | 0.945 | 0.466 | 13.32 | 0.250 | 0.0025 | 0.0014 |
评 价 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 |
2.2表面硬度检测
从该模具上截取样块进行硬度检测，采用奥地利ONESS Q150R全自动数显洛氏硬度计进行检测，检测结果表明，实测硬度值符合规范要求(见表2)。
表2 硬度检测结果(HRC)
Table2 Hardness test result（HRC）
检测点 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
实测值 | 51.0 | 50.5 | 50.0 | 51.0 | 50.5 |
要求值 | 50～52（客户要求） |
评 价 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 | 符合 |
2.3扫描电镜检测
模具冷却水孔裂纹开口处经过机加工，难以确定裂纹源的开裂特征。采用蔡司SIGMA 300扫描电子显微镜检测，断口的整体形貌都是以沿晶开裂为主，并存在少量的解理断裂特征⑵。沿晶断面镶嵌有大量的颗粒状第二相组织，并沿晶界存在较多的二次裂纹。由于截取的样件放置时间较长，断口局部覆盖电化学腐蚀产物（见图5）。采用电子束浅层溅射，沿晶断面的颗粒状第二相组织及二次裂纹更为明显。为了检查第二相形成的原因，对该类颗粒状第二相组织进行微区能谱分析（见图6）。
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2.4微区能谱测试
采用布鲁克Quantax 400能谱仪，对沿晶界面基体组织及颗粒状第二相组织进行微区能谱测试，测试区如图所示，谱图1区域为沿晶界面（见图7），谱图2区域为第二相颗粒（见图9）。能谱仪测试结果表明，谱图1区域的沿晶界面含有C、O、Si、Cr、Fe等合金元素，成分显示与模具材料相符合（见图8）。谱图2区域的第二相颗粒含有C、O、Si、Cr、Fe、Cu等合金元素，能谱测试结果显示高碳高铬的合金元素，表明第二相颗粒是由Cr、Fe碳化物构成。较高氧含量形成的原因，是由于模具断口裸露时间过长，形成了电化学腐蚀产物⑶（见图10）。
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表3能谱测试结果（％）
Table3 Spectral test results（%）
项 目 | C | O | Si | Cr | Fe | Cu |
谱图1 | 1.84 | 4.10 | 0.92 | 9.00 | 81.14 | --- |
谱图2 | 8.26 | 18.09 | 1.01 | 20.61 | 51.73 | 0.82 |
2.5金相组织分析
采用蔡司Axio Observer 7m金相显微镜，在如图2所示的裂纹尾部样件进行检测，裂纹的扩展路径较为平直，裂纹尾部上侧的裂纹有一点曲折，延伸处基本呈笔直的形貌特征。表层凹凸不平的白亮色区域，属于线切割影响层（见图11）。金相显微镜倍率经放大，明显观察到曲折的沿晶开裂形貌，主裂纹存在多条二次裂纹，并沿碳化物颗粒扩展，显示脆性开裂特征⑷。裂纹附近的颗粒状碳化物，已经形成沿晶分布的断续网状（见图12）。
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裂纹尾部中侧的裂纹同样显示曲折的沿晶开裂，以及沿晶扩展的二次裂纹。图片下部平直的主裂纹，几乎沿颗粒状碳化物开裂延伸，主裂纹两侧的二次裂纹沿网状碳化物形成（见图13）。裂纹尾部下侧的沿晶开裂特征更为明显，裂纹附近的基体组织中，颗粒状碳化物大多呈网状分布，局部区域已经形成封闭的连续网状碳化物（见图14）。
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沿开裂的冷却水孔横截面截取样件进行金相检测，内孔边缘出现台阶式的开裂特征，裂纹几乎沿水平线开裂（见图15）。图片经放大，垂直于内孔的台阶处显示曲折的沿晶开裂，与冷却水孔内壁连接处呈锲形开口（见图16）。
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平行于冷却水孔内壁的横向台阶表面平直，垂直于冷却水孔内壁的纵向台阶表面，呈曲折的沿晶开裂特征。横向与纵向台阶交接处的裂纹，显示沿晶开裂特征，并张开呈锲形开口裂纹（见图17）。如图所示，整个开裂的台阶是在一个原有的平面上撕裂成锲形开口，裂纹的尾端两侧各有一条分叉的二次裂纹，显示脆性开裂特征（见图18）。
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在冷却水孔边缘的次表层，有一条与表面平行的横向裂纹，内层存在脆性开裂的沿晶二次裂纹。内层的二次裂纹都是沿碳化物颗粒延伸扩展（见图19）。冷却水孔内壁表层，存在横向侧生的丁字形裂纹，裂纹纵向深度为0.25mm，横向长度为0.60mm。纵向裂纹与横向裂纹交接处两侧都呈圆弧状，这是裂纹受挤压变形的特征形貌⑸。水孔内壁表面的加工挤压层，恰好应证了机加工对原始裂纹的挤压过程。由此进一步表明，材料的脆性沿晶开裂，不但形成于机加工过程，而且在机加工前即已形成（见图20）。
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对冷却水孔开裂的附近基体组织进行检测，金相组织为回火马氏体＋较多量碳化物，碳化物大多沿晶界呈网状分布。依据GB/T 1299-2014《工模具钢》标准中附录A.3.1进行检测和评定，基体组织中网状碳化物级别达4级，属于严重的网状碳化物级别。组织中沿晶分布大量黑色网状条纹，这种黑色条纹属于沿晶开裂的内裂纹⑹。组织中的碳化物不但呈颗粒状，甚至存在脆性更大的长条状碳化物，材料组织的强度显著降低，脆性进一步增大（见图21～22）。
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2.6金相组织扫描电镜检测
为了进一步分析沿晶内裂纹的形成原因，对金相组织进行扫描电镜检测和能谱测试。经扫描电子显微镜观察，金相组织为板条马氏体及位向组织＋大量颗粒状碳化物，大多数颗粒状碳化物沿晶分布。如图所示，沿晶分布的碳化物颗粒两侧，各有一个细长的白色长条，呈角状分布。图示下侧两个颗粒状碳化物之间连接一条薄片状碳化物，碳化物周围存在明显的缝隙，显示沿晶开裂的内裂纹（见图23～24）。
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如图所示，颗粒状碳化物两侧的薄片状碳化物，已经被拉扯呈直线状。沿晶界处分布一排类似椭圆形的孔洞，孔洞的间隙布满了细小的薄片碳化物，显示沿晶开裂的内裂纹。在热处理加热过程中，沿晶分布的网状碳化物发生聚集和固溶，残留的未溶颗粒状及薄片状碳化物。在热应力及组织淬火应力的影响下，形成沿晶开裂的内裂纹（见图25～26）。
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2.7金相组织微区能谱测试
对未溶颗粒状碳化物及基体组织进行能谱测试。谱图1区域为未溶颗粒状碳化物（见图27），谱图2区域为基体组织（见图29）。能谱测试结果显示，颗粒状碳化物由高C高Cr元素构成，形成Cr、Fe碳化物�；遄橹腃r元素明显低于材料的平均含量，这是由于颗粒状碳化物大量析出，使基体Cr元素含量显著降低�；遄橹慕细逤含量，是由于含C的浸蚀剂对表面影响造成的（见表4）。
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表4能谱测试结果（％）
Table 4 Spectral test results（%）
项 目 | C | Cr | Fe | Si |
谱图1 | 38.26 | 35.99 | 25.74 | --- |
谱图2 | 38.51 | 9.96 | 50.52 | 1.02 |
3.结论
模具裂纹源已被破坏，难以确定模具开裂的首要原因。模具开裂的内在原因，是因为材料组织中存在大量沿晶界开裂的内裂纹，材料的强度大幅度降低，脆性增大，造成模具早期开裂失效⑺。
沿晶开裂内裂纹的产生，是因为模具材料热加工工艺不当，组织中残留未溶颗粒状及薄片状碳化物。热处理过程中，在热应力及组织应力的影响下，形成大量的沿晶开裂内裂纹。模具在服役承载过程中，工作应力促使裂纹进一步萌生和扩展。
4.改进建议
模具在热加工过程中，必须严格按照工艺执行，控制模具的锻后冷却速度，避免组织中沿晶析出网状碳化物，造成沿晶开裂的内裂纹⑻。
最终热处理加热过程中应缓慢加热，同时淬火后应及时回火，防止热应力及组织应力造成模具开裂，或模具的延迟开裂⑼。
参考文献：
⑴吴振海．常用模具钢热处理性能[M]．北京：中国水利水电出版社，2006：122～126.
⑵钟群鹏，赵子华．断口学[M]．北京：高等教育出版社，2005：78～93.
⑶崔约贤、王长利．金属断口分析[M]．黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1998：77～92.
⑷田继红，万志远，郭丰伟.基于大型筒体锻件开坯锻造研究[J]. 锻压技术，2015，40（2）：15-21.
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⑹钟群鹏，赵子华．断口学[M]．北京：高等教育出版社，2005：228～235.
⑺周敏.5CrNiMo钢热环轧芯辊断裂失效分析[J]. 锻压技术，2015，40（5）：145-148.
⑻马鹏飞、李美兰、戈晓岚．热处理技术[M]．北京：化学工业出版社，2008：108～114.
⑼史美堂．常用模具钢热处理性能[M]．上海：上�？蒲Ъ际醭霭嫔�，1981:128～142.
