趙東

（成都市聯(lián)余精密機(jī)械有限公司材料檢測(cè)中心，成都 610000）

0 引言

型芯是某大輸液模具成型的關(guān)鍵零件，該零件的銹穿滲水會(huì)直接影響模具批量生產(chǎn)，并污染產(chǎn)品，使整批次的醫(yī)用耗材報(bào)廢。型芯材料一般為420系列馬氏體不銹鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。該零件存在冷卻水孔，在使用過程中會(huì)出現(xiàn)冷熱交替，不停地帶走零件成型表面的熱量，使注塑產(chǎn)品快速冷卻成型。在其使用過程中，型芯還受到零件產(chǎn)品的注塑脹模力和成型產(chǎn)品抱緊力，因而零件長時(shí)間服役后往往會(huì)出現(xiàn)滲水及開裂情況。本文對(duì)開裂原因、影響因素及如何預(yù)防進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1 型芯銹穿開裂情況分析

大輸液PP模具結(jié)構(gòu)：型芯成型產(chǎn)品內(nèi)壁，型腔成型外壁，型芯零件外表面需要拉絲紋，受產(chǎn)品成型抱緊力和產(chǎn)品成型注塑壓力，型芯縱向剖視圖如圖1所示。型芯內(nèi)孔通冷卻水，產(chǎn)品冷卻成型靠冷卻水帶走熱量實(shí)現(xiàn)。因而型芯內(nèi)孔一直處于冷熱交替，容易生長水垢，產(chǎn)生熱應(yīng)力。在長期使用過程中，水垢逐漸積累，形成銹蝕坑（如圖2），裂紋源產(chǎn)生，逐步延基體晶界擴(kuò)展（如圖3），隨著時(shí)間延長，最終產(chǎn)生貫穿型芯整個(gè)壁厚的裂紋（如圖4）。其裂紋源產(chǎn)生、擴(kuò)展，最終失效，其形態(tài)多樣化，主要表現(xiàn)為滲水、污染產(chǎn)品、型芯無法正常使用。型芯表面出現(xiàn)銹蝕點(diǎn)、折疊型裂紋、橫縱向裂紋擴(kuò)展等狀態(tài)。從種種形態(tài)表征判定其失效形式為應(yīng)力腐蝕開裂[1]。

圖1 型芯縱向剖視圖

圖2 銹蝕坑裂紋擴(kuò)展

圖3 銹蝕坑裂紋擴(kuò)展低倍

圖4 型芯縱向拋光橫向裂紋擴(kuò)展特征

2 型芯銹穿開裂及其影響因素

2.1 零件選用材料理化分析

2.1.1 化學(xué)成分分析

在型芯基體取樣一個(gè)15 cm×20 cm的小方塊進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可以看出，F(xiàn)S136鋼材成分符合GB 1298—1986標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 FS136鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.1.2 微觀檢驗(yàn)

觀察拋光后的試樣表面，裂紋起源于內(nèi)壁截面水垢銹蝕后產(chǎn)生的坑內(nèi)（如圖5），且裂紋由粗變細(xì)，向基體晶界不同方向擴(kuò)展（如圖6）。進(jìn)行SEM+EDS分析，分析結(jié)果如圖7～圖9所示。由分析結(jié)果可以看出：1）型芯樣品成分C、V碳化物偏多，基體與晶界均有產(chǎn)生，并存在富Cr與貧Cr區(qū)；2）基體組織有明顯的腐蝕氣孔產(chǎn)生，晶界碳化物囤積處腐蝕氣孔尤為明顯。

圖5 裂紋從銹蝕坑里面生長擴(kuò)展

圖6 裂紋在基體晶界中生長擴(kuò)展

圖7 掃描電子顯微鏡局部圖

圖8 能譜分析取樣點(diǎn)位局部

經(jīng)過上述分析，其晶界存在網(wǎng)狀碳化物和晶粒粗大現(xiàn)象，因而對(duì)此批原材進(jìn)行追溯，檢測(cè)結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 原材材料基體晶粒度檢測(cè)

圖11 原材材料基體網(wǎng)狀碳化物

樣品評(píng)級(jí)參照金屬平均晶粒度測(cè)定方法（GB 6394—2002）中5.5級(jí)(面積法)，平均直徑為0.046 67 mm。經(jīng)分析得到原材料基體存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物現(xiàn)象。符合上述晶界存在富Cr與貧Cr區(qū)的SEM+EDS分析。經(jīng)過對(duì)此批材料出廠狀態(tài)分析，原鋼廠反饋出廠前采用冷軋后拉拔成型工藝，這是導(dǎo)致材料組織的不穩(wěn)定性、晶粒粗大的主要因素。經(jīng)雙方一致討論得到技術(shù)協(xié)議，F(xiàn)S136鋼材電渣重熔后，開坯鍛造，細(xì)化晶粒，然后再熱軋成型圓棒，保證晶粒度8級(jí)以上，出廠前做高溫球化均值化退火，改善組織均勻性。

2.2 零件冷卻用水分析

對(duì)客戶水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表2所示。

表2 循環(huán)冷卻水的水質(zhì)檢測(cè)

參照GB 50050—1995《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，從表2檢測(cè)結(jié)果得出，主要參數(shù)均有超標(biāo)情況，其冷卻用水經(jīng)過一段時(shí)間使用后自然生成懸浮物，并鈣化生成Ca2+，循環(huán)水里面Cl-偏高是形成快速銹蝕的重要因素[2]。

3 分析討論

由水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果分析可知，其中水質(zhì)含Ca2+偏高，其水冷卻在冷熱交替情況使用時(shí)，內(nèi)壁易鈣化，且囤積懸浮物，在pH值為7.2的水質(zhì)下，由于Cl-大量存在侵蝕工件表面，形成銹蝕第一步，然后Cl-逐步擴(kuò)散到零件基體晶界，晶界中網(wǎng)狀碳化物為其提供了良好的擴(kuò)散通道。因而隨著時(shí)間的延長，銹蝕坑不停長大，其甲基橙堿度和懸浮物大量增加也導(dǎo)致其銹蝕坑不停增多，水質(zhì)不停地產(chǎn)生變化，因而出現(xiàn)水中鐵離子增多，檢測(cè)值為1.2 mg/L，水質(zhì)發(fā)黃，也可以論證零件在整個(gè)銹蝕過程中。水質(zhì)不停變質(zhì)，F(xiàn)e2+增多，發(fā)黃沉淀，也就是后期加速銹穿開裂的主要因素。

顯微組織檢驗(yàn)結(jié)果表明，零件基體晶粒度為5.5級(jí)，且存在晶界網(wǎng)狀碳化物是加速銹蝕過程和銹穿的重要因素。其晶界網(wǎng)狀碳化物偏聚會(huì)導(dǎo)致碳化物均勻性差，容易形成富Cr與貧Cr區(qū)，因而容易形成微電極電位差[3]，因此形成圖6所示的晶界微電極電位差晶間腐蝕裂紋，并形成圖8所示晶界碳化物囤積處的腐蝕氣孔。隨著時(shí)間延長，裂紋延晶界腐蝕氣孔穿透，在外界產(chǎn)生冷熱交替應(yīng)力和產(chǎn)品注射壓力作用，形成銹穿氣孔狀形態(tài)、橫縱裂紋形態(tài)。

鋼材晶粒偏大是由于出廠軋制工藝落后導(dǎo)致。從材料學(xué)上，晶粒度越小，沿晶開裂主力越大，越容易阻礙開裂擴(kuò)展速度，粗晶粒材質(zhì)基體也為裂紋擴(kuò)展提供了快速擴(kuò)散通道。由顯微組織分析可知，晶界處的碳化物集聚為材料裂紋提供顯微應(yīng)力開裂的動(dòng)力，加快了零件壁厚裂穿。

如何從以上幾個(gè)方面去尋找有效解決辦法，是避免此類零件低壽命失效的關(guān)鍵。在此我們通過多渠道去改進(jìn)各方面工藝參數(shù)。首先從水質(zhì)入手，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50050—1995工業(yè)循環(huán)冷卻水要求，客戶通過采用Ro（去離子化）水源，然后再進(jìn)行堿性中和，讓水源達(dá)到pH值8.0～8.5標(biāo)準(zhǔn)，大大提高型芯使用壽命。針對(duì)此批換新零件，我們做了一個(gè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，2017年5月更換零件，至2022年12月未出現(xiàn)類似直接銹穿情況。

其次，從材料角度我們根據(jù)客戶要求，提高了供應(yīng)商的出廠工藝要求。420系列塑膠不銹鋼用于成型零件，特別是有水孔的零件增加鍛造工藝和高溫均質(zhì)化處理，從而減小晶粒度大小，增加碳化物均勻性，徹底改善了晶界碳化物析出，減小了材料應(yīng)力集中。從材料改善到應(yīng)用，壽命得到大大提高。材料基體改善也是保證零件延遲失效的一個(gè)重要方面。

針對(duì)個(gè)別客戶水循環(huán)系統(tǒng)老化，水質(zhì)改善困難，我們做了新工藝的開發(fā)，讓零件冷卻水道內(nèi)壁增加一層保護(hù)膜方式，隔斷腐蝕介質(zhì)與零件基體接觸方式[4]：1）通過對(duì)零件冷卻水內(nèi)壁進(jìn)行不銹鋼鈍化處理，形成1～2 μm鈍化膜，隔斷鈣化粒子和懸浮黏附，讓基體得到較好的保護(hù)。2）采用封閉劑對(duì)冷卻水道表面進(jìn)行封閉膜保護(hù)，讓零件基體不直接與冷卻水接觸。針對(duì)以上新工藝，需要根據(jù)零件水道形貌及表面要求做具體方案，實(shí)驗(yàn)幾批零件后其效果顯著，短時(shí)間內(nèi)形成保護(hù)膜不會(huì)被破壞，但是用到1～2 a保護(hù)膜在水壓與冷熱交替復(fù)雜應(yīng)力下逐漸脫落，不過這種保護(hù)方式還是會(huì)大大延長模具失效時(shí)間。雖然加工周期、工藝實(shí)現(xiàn)所需成本增加，但是對(duì)于冷卻系統(tǒng)老化水質(zhì)較差的客戶也是一種很大的改善。采用保護(hù)膜防護(hù)方式是一種可取的方式，能延長使用壽命。

4 結(jié)語

由以上分析可知，型芯開裂是屬于晶間腐蝕應(yīng)力開裂類型，其裂紋源來自鈣化后不銹鋼局部腐蝕[5]產(chǎn)生的銹蝕坑，裂紋擴(kuò)散，晶界網(wǎng)狀碳化物形成富Cr與貧Cr微電極電位差，晶粒較粗大，加之碳化物不均性形成內(nèi)應(yīng)力，加速了速晶間腐蝕開裂。針對(duì)腐蝕機(jī)理形成原因，后期采取防護(hù)措施方案，得到不錯(cuò)的改善，大大延長了此類模具零件使用壽命。

針對(duì)的預(yù)防措施如下：

1）優(yōu)化注塑機(jī)設(shè)備水質(zhì)，需有軟化和純化水源，定期更換和清理冷卻水質(zhì)。

2）隔斷腐蝕介質(zhì)與零件基體。a.可以通過對(duì)零件冷卻水內(nèi)壁進(jìn)行不銹鋼鈍化處理，形成1～2 μm鈍化膜，隔斷鈣化粒子和懸浮黏附，讓基體得到較好的保護(hù)；b.可以使用封閉劑對(duì)冷卻水道表面進(jìn)行封閉模保護(hù)，讓零件基體不直接與冷卻水接觸。

3）改善基體材料組織結(jié)構(gòu)，可以通過對(duì)FS136進(jìn)行開坯鍛造然后熱軋成圓棒材料，改善組織晶粒度，然后出廠前進(jìn)行高溫均質(zhì)球化退火，以消除網(wǎng)狀及鏈狀不均勻分布碳化物。