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轉發自：《熱加工工藝》2016年9月第45卷第18期失效分折

作者：楊磊，夏明六，徐先滿，陳由熹

（銅陵市特種設備監督檢驗中心，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其表面進行了強化 采用金相顯微鏡（0M）、掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）、顯微硬度計、氧化試驗等表征了失效特征、氮化層組織結構及性能等。結果表明，氧化腐蝕是導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 關鍵詞：沖壓模具零件；失效分析；氧化腐蝕；軟氮化

2試驗結果

2· 1失效分析

經常規熱處理（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仔細觀察發現，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，這與標準的金相組織圖譜中組織一致。同時測得沖壓模具零件的顯微硬度值達到 674．I HV（表1) ,滿足GCr巧鋼經淬火+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生氧化腐蝕有關，其主要與模具零件加工工況有關。該模具零件用于成型電阻片時，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

Tab.1 Microhardness of the die part (HV) 用液體軟氮化對其表面進行處理。圖4為氮化層與

程中，模具零件周圍會產生大量的熱量，導致溫度升高，此時模具零件表面的Fe將與氧化物反應形成 Fe氧化物，而GCr巧鋼中又沒有足量Cr形成具有保護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間成型電阻時，將不斷發生氧化腐蝕，最終導致模具零件失效。

測量次數 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，基體的顯微硬度約473 · 8HV根據 GB/T11354·2005標準評判，滲氮層深度約170 m 發現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。

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 ℃，相當于高溫回火，導致回火馬氏體溶解形成粒狀碳化物。氮化層除了白亮層外，還包括擴散層，擴散層在光學顯微鏡下不易觀察，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結果從表中可以看出，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氧化腐蝕試驗結果

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，氮化層中8相具有較強的抗氧化性和耐

圖6為未處理樣品與軟氮化后樣品的氧化腐蝕形貌及EDS結果。由圖可知，未處理的樣品表面氧化腐蝕嚴重，腐蝕產物主要由O、Fe、Cr Mn等元素組成，與失效樣品檢測結果一致。軟氮化處理后的樣品的表面僅發生輕微氧化腐蝕，進一步說明軟氮化

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

參考文獻：

3結論 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，

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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[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

（3）軟氮化處理后的模具零件的抗氧化腐蝕能 [4] 液丁壓海，，2014沖壓，42模（4具）：零120件· 失124效．分析及壽命的提高措施[J]．機床與

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