熱鍛模具的主要失效形式

文/包衛(wèi)平·壹勝百模具（北京）有限公司

熱鍛模具的主要失效形式

文/包衛(wèi)平·壹勝百模具（北京）有限公司

鍛模是實(shí)現(xiàn)模鍛工藝的工裝，是進(jìn)行模鍛生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。模具屬于耗損件。模具的失效是指在規(guī)定的壽命期內(nèi)其喪失使用功能的現(xiàn)象；模具的使用壽命則是指自投入使用直至正常耗損失效期內(nèi)，所生產(chǎn)零件的數(shù)量。模具提前失效，不僅會(huì)造成生產(chǎn)停頓，而且會(huì)使成本增加，影響產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，如何充分發(fā)揮模具材料的性能、提高鍛模質(zhì)量和使用壽命、降低模具的生產(chǎn)成本是鍛造行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文主要討論鍛模的主要失效形式及鍛造模具鋼的選擇，并從中找到一些提高鍛模使用壽命的有效途徑。

熱鍛模具的主要失效形式

熱鍛模具的失效形式

錘鍛模、機(jī)鍛模是在自由鍛錘、模鍛錘和壓力機(jī)上使用的熱成形模具，是典型的熱作模具，工作過(guò)程中既承受機(jī)械負(fù)荷，又承受熱負(fù)荷。機(jī)械負(fù)荷主要為沖擊力和摩擦力，熱負(fù)荷主要為交替受熱和冷卻。鍛模工作條件比較惡劣，失效形式和影響因素也比較復(fù)雜多樣，其主要失效形式有型腔部分的磨損、開(kāi)裂、表面的熱疲勞（熱龜裂）和塑性變形。

圖1為鍛壓模具型腔不同位置的模具容易發(fā)生的失效形式。實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，在各種主要失效形式中，磨損發(fā)生概率約占68%，開(kāi)裂約占24%，塑性變形（塌陷）約占3%，熱龜裂約占2%。

熱鍛模具失效的原因分析

⑴磨損。

熱鍛模具發(fā)生磨損時(shí)的表面特征如圖2所示。鍛模在機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷的雙重作用下，一方面坯料對(duì)型腔表面產(chǎn)生沖擊性的接觸應(yīng)力，另一方面坯料及其氧化皮的高速流動(dòng)對(duì)型腔表面產(chǎn)生強(qiáng)烈地摩擦。因此，磨損容易發(fā)生在模具的突出圓角部位和飛邊槽橋部位。磨損程度與模具材料、坯料類(lèi)型及鍛造工藝等因素相關(guān)。降低鍛造溫度（使坯料的流動(dòng)應(yīng)力增加）會(huì)急劇增加模具的磨損，被約束于模具與坯料間隙的油基潤(rùn)滑劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的爆炸將導(dǎo)致一種侵蝕性磨損。

⑵開(kāi)裂。

圖1 型腔內(nèi)不同位置發(fā)生的失效形式

圖2 鍛模表面磨損的形貌特征

圖3 鍛模開(kāi)裂的形貌特征

圖4 不同熱處理工藝對(duì)模具組織性能的影響

圖5 電火花加工（EDM）白層

鍛模開(kāi)裂的形貌特征如圖3所示。模具的開(kāi)裂不僅影響生產(chǎn)，而且危及工作人員的人身安全，是最危險(xiǎn)的一種失效形式。按開(kāi)裂的性質(zhì)，可分為早期脆性開(kāi)裂和機(jī)械疲勞開(kāi)裂兩種類(lèi)型。模具的早期脆性開(kāi)裂一般發(fā)生在模具首次使用時(shí)，在錘擊次數(shù)較少時(shí)就會(huì)發(fā)生，有時(shí)僅錘擊一次就發(fā)生斷裂，其斷口的形貌特征是從斷裂源開(kāi)始，裂紋呈人字花紋向外擴(kuò)展。模具的機(jī)械疲勞開(kāi)裂是在模具經(jīng)受多次鍛擊后發(fā)生的斷裂，其宏觀和微觀斷口也具有一般疲勞斷口的特征，但宏觀斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)一般較小。

導(dǎo)致模具開(kāi)裂的原因概括起來(lái)主要有：模具過(guò)載（如被加工材料溫度過(guò)低）、模具預(yù)熱溫度過(guò)低或不預(yù)熱、過(guò)量的冷卻劑/潤(rùn)滑劑、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成應(yīng)力集中、模具材料冶金質(zhì)量不高或鍛件質(zhì)量缺陷、熱處理缺陷和機(jī)械加工缺陷、模具安裝不正確等等。這些因素均可誘發(fā)裂紋，并導(dǎo)致早期斷裂和機(jī)械疲勞斷裂。

圖4給出了真空淬火時(shí)，不同冷卻速度對(duì)熱作鋼的沖擊韌性和微觀組織的影響。冷卻速度不足時(shí)，一方面會(huì)減少馬氏體的含量，另一方面晶界上會(huì)析出大量的碳化物，從而使材料的沖擊韌性急劇降低，增加模具開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

為了防止模具開(kāi)裂，應(yīng)當(dāng)防止產(chǎn)生如圖5所示的電火花加工（EDM）白層，電火花加工白層的韌性很差，容易導(dǎo)致模具開(kāi)裂。氮化時(shí)，過(guò)深氮化層深度和脈狀氮化物的存在也會(huì)嚴(yán)重降低模具的韌性，氮化層深度對(duì)韌性的影響及脈狀氮化物的微觀組織特征分別如圖6和圖7所示。

⑶熱疲勞龜裂。

模具型腔表面熱疲勞龜裂的形貌特征如圖8所示。所謂熱疲勞是指模具在如圖9所示的循環(huán)熱應(yīng)力的反復(fù)作用下所產(chǎn)生的疲勞裂紋。發(fā)生熱疲勞龜裂的主要原因有：模具型腔表面過(guò)度冷卻、冷卻不當(dāng)、冷卻劑/潤(rùn)滑劑的類(lèi)型選用不當(dāng)、模具型腔表面溫度過(guò)高、模具預(yù)熱不足、模具材料選擇不當(dāng)、熱處理缺陷和表面處理缺陷。

圖6 氮化層深度對(duì)模具鋼沖擊韌性的影響

圖7 氮化層的脈狀氮化物的微觀組織特征

⑷塑性變形（塌陷）。

鍛模局部受到超過(guò)模具材料屈服強(qiáng)度的工作應(yīng)力時(shí)，塑性變形即發(fā)生。塑性變形常發(fā)生在模具型腔中受力大且受熱溫升高的部位，如肋、凸臺(tái)等突出部位。模具型腔在坯料的高溫、變形過(guò)程摩擦產(chǎn)生的溫升作用下（高于模具的回火溫度），使模具材料的屈服強(qiáng)度下降，表面產(chǎn)生了軟化層，在軟化層較深的部位，則會(huì)產(chǎn)生棱角堆塌或使型腔深處產(chǎn)生凹陷等塑變現(xiàn)象。導(dǎo)致鍛模塑性變形發(fā)生的主要原因有：坯料的溫度過(guò)低（導(dǎo)致工件材料的流動(dòng)應(yīng)力過(guò)大）、模具鋼的熱強(qiáng)度不足、模溫過(guò)高和模具鋼的硬度不足（與模具熱處理有關(guān)）。

熱鍛模具鋼的性能要求

鍛造模具熱作鋼的性能要求在一定程度上取決于鍛造工藝類(lèi)型、工件材料、工件大小和模具型腔深度等因素。根據(jù)以上鍛模失效形式及其原因分析可知，鍛造模具鋼應(yīng)具備以下主要性能：

圖8 模具型腔表面熱疲勞龜裂形貌特征

圖9 型腔表面的工作溫度和熱應(yīng)力分布

⑴足夠的硬度和回火抗力，以防止早期磨損、塑性變形和熱疲勞龜裂的發(fā)生。

⑵具有增強(qiáng)型的高溫抗拉強(qiáng)度和紅硬性，以防止磨損、塑性變形和熱疲勞龜裂的發(fā)生。

⑶在低溫和高溫下均有優(yōu)良的韌性和延展性，以防止開(kāi)裂、熱沖擊裂紋和熱疲勞龜裂的發(fā)生，模具鋼的韌性和延展性具有很好的各向同向性。

⑷足夠高的疲勞抗力，以防止整體開(kāi)裂的發(fā)生。

⑸淬透性能好，能使尺寸較大的鍛模在整個(gè)截面上確保組織性能的一致性。

⑹良好的補(bǔ)焊性能。

⑺良好的機(jī)加工性能，尤其是預(yù)硬鋼。

結(jié)束語(yǔ)

鍛造模具鋼選材時(shí)，應(yīng)考慮模具的主要失效形式、鍛造工藝類(lèi)型、模具壽命要求、模具材料的性能及其熱處理工藝特性。當(dāng)然，影響熱鍛模具壽命的因素很多，在選擇材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)熱鍛模具的具體工作條件合理選用。

包衛(wèi)平，博士，主要從事模具鋼的應(yīng)用研究及模具失效分析工作。