大输液PP模具型芯失效分析及预防措施

赵东

（成都市联余精密机械有限公司材料检测中心，成都 610000）

0 引言

型芯是某大输液模具成型的关键零件，该零件的锈穿渗水会直接影响模具批量生产，并污染产品，使整批次的医用耗材报废。型芯材料一般为420系列马氏体不锈钢，经调质后使用。该零件存在冷却水孔，在使用过程中会出现冷热交替，不停地带走零件成型表面的热量，使注塑产品快速冷却成型。在其使用过程中，型芯还受到零件产品的注塑胀模力和成型产品抱紧力，因而零件长时间服役后往往会出现渗水及开裂情况。本文对开裂原因、影响因素及如何预防进行了详细的阐述。

1 型芯锈穿开裂情况分析

大输液PP模具结构：型芯成型产品内壁，型腔成型外壁，型芯零件外表面需要拉丝纹，受产品成型抱紧力和产品成型注塑压力，型芯纵向剖视图如图1所示。型芯内孔通冷却水，产品冷却成型靠冷却水带走热量实现。因而型芯内孔一直处于冷热交替，容易生长水垢，产生热应力。在长期使用过程中，水垢逐渐积累，形成锈蚀坑（如图2），裂纹源产生，逐步延基体晶界扩展（如图3），随着时间延长，最终产生贯穿型芯整个壁厚的裂纹（如图4）。其裂纹源产生、扩展，最终失效，其形态多样化，主要表现为渗水、污染产品、型芯无法正常使用。型芯表面出现锈蚀点、折叠型裂纹、横纵向裂纹扩展等状态。从种种形态表征判定其失效形式为应力腐蚀开裂[1]。

图1 型芯纵向剖视图

图2 锈蚀坑裂纹扩展

图3 锈蚀坑裂纹扩展低倍

图4 型芯纵向抛光横向裂纹扩展特征

2 型芯锈穿开裂及其影响因素

2.1 零件选用材料理化分析

2.1.1 化学成分分析

在型芯基体取样一个15 cm×20 cm的小方块进行化学成分分析，结果如表1所示，可以看出，FS136钢材成分符合GB 1298—1986标准要求。

表1 FS136钢的化学成分质量分数 %

2.1.2 微观检验

观察抛光后的试样表面，裂纹起源于内壁截面水垢锈蚀后产生的坑内（如图5），且裂纹由粗变细，向基体晶界不同方向扩展（如图6）。进行SEM+EDS分析，分析结果如图7～图9所示。由分析结果可以看出：1）型芯样品成分C、V碳化物偏多，基体与晶界均有产生，并存在富Cr与贫Cr区；2）基体组织有明显的腐蚀气孔产生，晶界碳化物囤积处腐蚀气孔尤为明显。

图5 裂纹从锈蚀坑里面生长扩展

图6 裂纹在基体晶界中生长扩展

图7 扫描电子显微镜局部图

图8 能谱分析取样点位局部

经过上述分析，其晶界存在网状碳化物和晶粒粗大现象，因而对此批原材进行追溯，检测结果如图10、图11所示。

图10 原材材料基体晶粒度检测

图11 原材材料基体网状碳化物

样品评级参照金属平均晶粒度测定方法（GB 6394—2002）中5.5级(面积法)，平均直径为0.046 67 mm。经分析得到原材料基体存在严重网状碳化物现象。符合上述晶界存在富Cr与贫Cr区的SEM+EDS分析。经过对此批材料出厂状态分析，原钢厂反馈出厂前采用冷轧后拉拔成型工艺，这是导致材料组织的不稳定性、晶粒粗大的主要因素。经双方一致讨论得到技术协议，FS136钢材电渣重熔后，开坯锻造，细化晶粒，然后再热轧成型圆棒，保证晶粒度8级以上，出厂前做高温球化均值化退火，改善组织均匀性。

2.2 零件冷却用水分析

对客户水质进行检测，结果表2所示。

表2 循环冷却水的水质检测

参照GB 50050—1995《工业循环冷却水处理设计规范》中的水质标准，从表2检测结果得出，主要参数均有超标情况，其冷却用水经过一段时间使用后自然生成悬浮物，并钙化生成Ca2+，循环水里面Cl-偏高是形成快速锈蚀的重要因素[2]。

3 分析讨论

由水质检测结果分析可知，其中水质含Ca2+偏高，其水冷却在冷热交替情况使用时，内壁易钙化，且囤积悬浮物，在pH值为7.2的水质下，由于Cl-大量存在侵蚀工件表面，形成锈蚀第一步，然后Cl-逐步扩散到零件基体晶界，晶界中网状碳化物为其提供了良好的扩散通道。因而随着时间的延长，锈蚀坑不停长大，其甲基橙碱度和悬浮物大量增加也导致其锈蚀坑不停增多，水质不停地产生变化，因而出现水中铁离子增多，检测值为1.2 mg/L，水质发黄，也可以论证零件在整个锈蚀过程中。水质不停变质，Fe2+增多，发黄沉淀，也就是后期加速锈穿开裂的主要因素。

显微组织检验结果表明，零件基体晶粒度为5.5级，且存在晶界网状碳化物是加速锈蚀过程和锈穿的重要因素。其晶界网状碳化物偏聚会导致碳化物均匀性差，容易形成富Cr与贫Cr区，因而容易形成微电极电位差[3]，因此形成图6所示的晶界微电极电位差晶间腐蚀裂纹，并形成图8所示晶界碳化物囤积处的腐蚀气孔。随着时间延长，裂纹延晶界腐蚀气孔穿透，在外界产生冷热交替应力和产品注射压力作用，形成锈穿气孔状形态、横纵裂纹形态。

钢材晶粒偏大是由于出厂轧制工艺落后导致。从材料学上，晶粒度越小，沿晶开裂主力越大，越容易阻碍开裂扩展速度，粗晶粒材质基体也为裂纹扩展提供了快速扩散通道。由显微组织分析可知，晶界处的碳化物集聚为材料裂纹提供显微应力开裂的动力，加快了零件壁厚裂穿。

如何从以上几个方面去寻找有效解决办法，是避免此类零件低寿命失效的关键。在此我们通过多渠道去改进各方面工艺参数。首先从水质入手，按照国家标准GB 50050—1995工业循环冷却水要求，客户通过采用Ro（去离子化）水源，然后再进行碱性中和，让水源达到pH值8.0～8.5标准，大大提高型芯使用寿命。针对此批换新零件，我们做了一个时间统计，2017年5月更换零件，至2022年12月未出现类似直接锈穿情况。

其次，从材料角度我们根据客户要求，提高了供应商的出厂工艺要求。420系列塑胶不锈钢用于成型零件，特别是有水孔的零件增加锻造工艺和高温均质化处理，从而减小晶粒度大小，增加碳化物均匀性，彻底改善了晶界碳化物析出，减小了材料应力集中。从材料改善到应用，寿命得到大大提高。材料基体改善也是保证零件延迟失效的一个重要方面。

针对个别客户水循环系统老化，水质改善困难，我们做了新工艺的开发，让零件冷却水道内壁增加一层保护膜方式，隔断腐蚀介质与零件基体接触方式[4]：1）通过对零件冷却水内壁进行不锈钢钝化处理，形成1～2 μm钝化膜，隔断钙化粒子和悬浮黏附，让基体得到较好的保护。2）采用封闭剂对冷却水道表面进行封闭膜保护，让零件基体不直接与冷却水接触。针对以上新工艺，需要根据零件水道形貌及表面要求做具体方案，实验几批零件后其效果显著，短时间内形成保护膜不会被破坏，但是用到1～2 a保护膜在水压与冷热交替复杂应力下逐渐脱落，不过这种保护方式还是会大大延长模具失效时间。虽然加工周期、工艺实现所需成本增加，但是对于冷却系统老化水质较差的客户也是一种很大的改善。采用保护膜防护方式是一种可取的方式，能延长使用寿命。

4 结语

由以上分析可知，型芯开裂是属于晶间腐蚀应力开裂类型，其裂纹源来自钙化后不锈钢局部腐蚀[5]产生的锈蚀坑，裂纹扩散，晶界网状碳化物形成富Cr与贫Cr微电极电位差，晶粒较粗大，加之碳化物不均性形成内应力，加速了速晶间腐蚀开裂。针对腐蚀机理形成原因，后期采取防护措施方案，得到不错的改善，大大延长了此类模具零件使用寿命。

针对的预防措施如下：

1）优化注塑机设备水质，需有软化和纯化水源，定期更换和清理冷却水质。

2）隔断腐蚀介质与零件基体。a.可以通过对零件冷却水内壁进行不锈钢钝化处理，形成1～2 μm钝化膜，隔断钙化粒子和悬浮黏附，让基体得到较好的保护；b.可以使用封闭剂对冷却水道表面进行封闭模保护，让零件基体不直接与冷却水接触。

3）改善基体材料组织结构，可以通过对FS136进行开坯锻造然后热轧成圆棒材料，改善组织晶粒度，然后出厂前进行高温均质球化退火，以消除网状及链状不均匀分布碳化物。