车轮锻压模具用下芯棒断裂原因

庞晋龙,万志健,李 新

(1.宝武集团 马钢轨交材料科技有限公司，马鞍山 243000；2.马鞍山钢铁股份有限公司 技术中心，马鞍山 243000)

辗钢车轮生产工艺包括较大的塑性变形，该工艺有助于提高产品的质量，是车轮制造厂采用的主要生产工艺。辗钢车轮成形的工序为：预成形→成形→轧制扩径→压弯冲孔[1]。车轮成形所用锻压力较大，模具结构复杂，各模具受力较大。下芯棒是车轮成形工序所用的重要模具之一，材料为5CrMnMo钢，在车轮成形过程中，下芯棒的主要作用是分配车轮金属。

某厂作用的下芯棒模具频繁发生断裂，导致车轮生产线停产，造成重大经济损失。笔者采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜(SEM)分析、金相检验、硬度测试等方法，分析了下芯棒的断裂原因，并提出预防措施，以避免该类事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

断裂下芯棒的宏观形貌如图1所示，可见下芯棒从R角处裂开，被撕裂成多块。下芯棒尺寸及断裂位置如图2所示。

图1 断裂下芯棒的宏观形貌

图2 断裂下芯棒尺寸及断裂位置示意

在下芯棒断口处取样进行宏观观察，结果如图3所示。由图3可知：断裂为多源脆性断裂，裂纹源起始于下芯棒R角区域；裂纹由下芯棒R角处向内扩展，裂纹快速扩展区的面积最大，导致芯棒断裂为多块[2]。

图3 下芯棒断口处宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂下芯棒上取样，用直读光谱仪进行化学成分分析，结果如表1所示，可见下芯棒的化学成分符合GB/T 1299—2014 《工模具钢》对5CrMnMo钢的要求。

表1 断裂下芯棒的化学成分分析结果 %

1.3 SEM分析

在下芯棒断口处取样，用SEM进行分析，结果如图4所示。由图4可知：断裂起源于R角处表面，断裂起源处局部区域呈沿晶断裂；脆性区部分晶粒内部呈脆性解理断裂,晶界附近有韧窝形貌；断口绝大部分区域为快速扩展区，微观形貌为准解理断裂；断口上未见明显夹杂物等原始冶金缺陷，未发现明显的其他缺陷。

图4 下芯棒断口处的SEM形貌

1.4 硬度测试

采用洛氏硬度计对下芯棒R角处的断面进行硬度测试，结果如表2所示，可见R角处的断面硬度都符合设计要求，未见异常。

表2 下芯棒R角处断面的洛氏硬度测试结果 HRC

1.5 金相检验

在下芯棒断口处取样，并进行金相检验，结果如图5所示。由图5可知：断裂起源处可见一些微裂纹，起源处未见冶金缺陷，裂纹内未见夹杂物；试样显微组织不均匀，可见黑白区，黑区显微组织为索氏体，白区显微组织为贝氏体；试样内部可见锯齿形裂纹，裂纹内未见非金属夹杂物，裂纹处没有发现明显的缺陷；断口的裂纹扩展形式为穿晶断裂,判断为脆性断裂。

图5 下芯棒断口处的显微组织形貌

2 综合分析

由上述理化检验结果可知，下芯棒的化学成分、硬度及显微组织等都符合相关标准及技术要求。对下芯棒的服役环境进行调查可知，在车轮成形的锻压和脱模过程中，下芯棒都承受着瞬间大冲击载荷。下芯棒是由芯棒杆体与尾部组成的阶梯轴式工件，杆体与尾杆之间有较大的尺寸变化，在芯棒尾部受力时，发生尺寸变化的位置会产生应力集中。下芯棒多次在R角处发生断裂，可推断出下芯棒R角处是应力集中区，R角处一旦萌生裂纹，在多次受力的情况下，裂纹会快速扩展，最终导致下芯棒断裂[3-6]。

3 改进措施

对于阶梯轴类的工件而言，在其他条件相同的情况下，工件过渡圆角半径与轴半径之比越小，阶梯两侧尺寸变化越大，有效应力集中因数越大，工件对应力集中越敏感[7]。采用增大尾杆直径以及过渡圆角半径等方法，可以减小应力集中对下芯棒尾部寿命的影响。对下芯棒R角尺寸进行优化设计，将倒圆角半径由2 mm改为10 mm，可以避免下芯棒在R角处的应力集中。经过现场实际使用，改进后的下芯棒未再次发生断裂。

4 结论与建议

下芯棒的化学成分、硬度、显微组织等均符合要求。下芯棒断裂原因为：R角尺寸偏小，在R角处产生应力集中导致下芯棒发生断裂。下芯棒为多源脆性断裂，裂纹由下芯棒R角处向内扩展。

对下芯棒R角处尺寸进行优化，减小R角半径，可以避免再次发生该类芯棒断裂事故。