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轉(zhuǎn)發(fā)自：《熱加工工藝》2016年9月第45卷第18期

作者：楊磊，夏明六，徐先滿，陳由熹

（銅陵市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽銅陵244000）

摘要：分析了GCr巧沖壓模具零件在成型電阻片過程中的失效原因，并采用軟氮化工藝對(duì)其表面進(jìn)行了強(qiáng)化 采用金相顯微鏡（0M）、掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、顯微硬度計(jì)、氧化試驗(yàn)等表征了失效特征、氮化層組織結(jié)構(gòu)及性能等。結(jié)果表明，氧化腐蝕是導(dǎo)致模具零件過早失效的重要原因，軟氮化處理可以有效減輕模具零件表面的氧化腐蝕，延長模具零件的使用壽命 關(guān)鍵詞：沖壓模具零件；失效分析；氧化腐蝕；軟氮化

DOI：10·1415 · cnki. 1001一3814．2016· 18· 069 中圖分類號(hào)：TG386；TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001 ·3814（2016）18·0255·03 Failure Analysis and Improvement Measures Of GCr15 Stamping Die Part

長周期內(nèi)用于沖壓加工。然而該沖壓模具零件

收稿日期：20巧0708

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Hot Working Technology 2016，v0L45，No，18

化處理的工序?yàn)椋呵疤幚韥^預(yù)熱乛液體軟氮化乛冷卻乛清洗。其中預(yù)熱溫度為350、380 ℃；軟氮化介質(zhì)為TJ-2基鹽，鹽浴成分范圍：（1％、2巧％）CN一+ （30％、35％）CNO一；滲氮溫度為560 ℃，保溫2，5h

沖壓模具零件失效主要發(fā)生在頭部機(jī)械截取、 用丙酮溶液超聲清洗8min后，采用JSM-6360LV 掃描電鏡及配套的GENESIS2000XMS60能譜儀對(duì)斷口進(jìn)行形貌觀察及成分分析。采用DM-ILM光學(xué)顯微鏡對(duì)斷口處金相組織及氮化層進(jìn)行觀察，并在 FM·700顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測試，測試載荷選用2．94N，加載保溫時(shí)間巧s，每組試樣在測試區(qū)域選取5個(gè)點(diǎn)，以平均值表征區(qū)域硬度，并根據(jù)GB仃 11354·2005對(duì)氮化層厚度及脆性進(jìn)行評(píng)級(jí)。用氧化試驗(yàn)對(duì)軟氮化處理后模具零件的抗氧化能力進(jìn)行評(píng)定，具體試驗(yàn)方法為：將稱好的試樣放人裝有電阻片 中，并將器皿放人電阻爐中加熱到280 ℃保溫72h， 取出觀察試樣的腐蝕情況，并稱重做好記錄，最后用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)腐蝕表面進(jìn)行觀察與分析

2試驗(yàn)結(jié)果

2· 1失效分析

經(jīng)常規(guī)熱處理（淬火+低溫回火）的GCr巧沖壓模具零件在使用過程中很容易失效，失效面形貌及 EDS分析如圖2所示從圖2（a）中可以看出，沖壓模具零件邊緣有輕微磨損，邊角成了圓弧狀，且表面存在較多黑色塊狀的粘著物，如箭頭所指處。采用 SEM仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，失效面上有明顯的切削痕跡以及腐蝕坑，可見其使用效果較差。通過EDS分析可以看出，粘著物由O、Fe、Cr、Mn等元素組成，說明

加工料粉末（由Cuo、NiO MnO等組成）的鐵制器皿

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 E/keV E/ kev

圖2失效面形貌及EDS分析

Fig.2 Failure surface morphologies and EDS analysis

圖3為沖壓模具零件的金相組織圖。從圖中可以看出，該組織主要由回火馬氏體、碳化物和少量殘余奧氏體組成，這與標(biāo)準(zhǔn)的金相組織圖譜中組織一致。同時(shí)測得沖壓模具零件的顯微硬度值達(dá)到 674．I HV（表1) ,滿足GCr巧鋼經(jīng)淬火+低溫回火后 的硬度要求，說明熱處理工藝正常。

綜上所述，沖壓模具零件失效主要與模具零件表面發(fā)生氧化腐蝕有關(guān)，其主要與模具零件加工工況有關(guān)。該模具零件用于成型電阻片時(shí)，而電阻片加工粉末由Cuo、NiO MnO等氧化物組成，在加工過

圖3試樣金相組織圖 2·2軟氮化處理

Fig.3 Microstructure Of the sample

表1模具零件的顯微硬度（HV） 為了提高沖壓模具零件表面的抗氧化能力，采用液體軟氮化對(duì)其表面進(jìn)行處理。圖4為氮化層與程中，模具零件周圍會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致溫度升高，此時(shí)模具零件表面的Fe將與氧化物反應(yīng)形成 Fe氧化物，而GCr巧鋼中又沒有足量Cr形成具有保護(hù)性的氧化鉻膜來抑制Fe氧化物為主的氧化膜形成。因此,GCr巧沖壓模具零件在長時(shí)間成型電阻時(shí)，將不斷發(fā)生氧化腐蝕，最終導(dǎo)致模具零件失效。

測量次數(shù) 平均值

1 2 3 4 5

685．6 675．7 667、5 669．1 672、7 674．1

基體組織圖。從圖4（a）中可以看出，經(jīng)液體軟氮化后，模具零件表面形成一層均勻的白亮層，厚度約 20 m；圖4（b）顯示軟氮化后模具零件基體中回火馬

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《熱加工工藝》2016年9月第45卷第18期

a氮化層

50 m 50 m

圖從圖中可看出，硬度隨距氮化層邊緣的距離先降低后趨于平穩(wěn)，基體的顯微硬度約473 · 8HV根據(jù) GB/T11354·2005標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，滲氮層深度約170 m 發(fā)現(xiàn)基體的顯微硬度較淬火+低溫回火后模具零件的硬度有所降低，這與氮化過程中回火馬氏體減少有關(guān)。

圖4氮化層與基體組織圖

Fig.4 Microstructure Of the nitndmg layer and substrate

氏體減少，析出較多的粒狀碳化物，這是由于軟氮化溫度在560 ℃，相當(dāng)于高溫回火，導(dǎo)致回火馬氏體溶解形成粒狀碳化物。氮化層除了白亮層外，還包括擴(kuò)散層，擴(kuò)散層在光學(xué)顯微鏡下不易觀察，氮化層深度需要采用硬度法確定。

圖5為顯微硬度與沿表面垂直距離的變化曲線 2·3抗氧化腐蝕性能

表2為未處理樣品與軟氮化后樣品的氧化腐蝕試驗(yàn)結(jié)果從表中可以看出，未處理的模具零件在氧化72h后，樣品增重14，8m以m，而經(jīng)軟氮化處理后，樣品僅增重1.3m cm2，說明軟氮化處理明顯改善了模具零件的抗氧化腐蝕能力。

表2氧化腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 The results of oxidation corrosion test

樣品 未處理 軟氮化后

樣品增重/(mg•cm3 14．8

0 50 100 150 200 250 300 350

沿表面垂直距離/pm 處理能夠減緩模具零件在加工過程中的氧化腐蝕

圖5顯微硬度與沿表面垂直距離的變化曲線

Fig.5 The change curve between microhardness and 模具零件抗氧化腐蝕性能的提高與其表面形成的氮

vertical distance along the surface 化層有關(guān)，氮化層中8相具有較強(qiáng)的抗氧化性和耐

圖6為未處理樣品與軟氮化后樣品的氧化腐蝕形貌及EDS結(jié)果。由圖可知，未處理的樣品表面氧化腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物主要由O、Fe、Cr Mn等元素組成，與失效樣品檢測結(jié)果一致。軟氮化處理后的樣品的表面僅發(fā)生輕微氧化腐蝕，進(jìn)一步說明軟氮化

Ni

氮處理，一

2 m

5叫

t 巳

Si

Al Cr

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 910 E/keV E/keV

圖6樣品氧化腐蝕形貌及EDS結(jié)果

蝕性，能夠阻礙氧向基體傳遞，從而延緩了氧化腐蝕速度。 力大大增強(qiáng)

參考文獻(xiàn)：

3結(jié)論 卩] Kuldeep Agarwal，Rajiv Shlvpun, Justin Vincent，et al• DC

pulsed plasma deposition Of nanocomposite coatings for

(1)用于成型電阻片的GCr巧鋼模具零件的失 Improved畝bolo Of gray cast Iron stamping dies卩]．Journal ofMatenals Processing Technology,2013，213：864·876，

效與其表面發(fā)生氧化腐蝕有關(guān)。 [2] 陳向榮．精密多孔沖模熱處理工藝的研究[J]．熱加工工藝，

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氮化層，白亮層厚度20 m，硬度測試顯示滲氮層深 卩] 郭曉紅．W18Cr4V沖孔冷沖模淬火工藝的改進(jìn)[J]，熱加工工

度約170 m 藝，2011，4002）：178· 179．

Fig.6 Oxidation corrosron morphologies Of the sample and EDS results

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