3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的失效形式分析及對(duì)策研究

楊光龍，黃家軍，黃玉芳，黃曉琴

(1. 貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，貴州 清鎮(zhèn) 551400； 2. 貴州高強(qiáng)度螺栓廠，貴州 貴陽 550009)

0 引言

在EQ140汽車杯形輪胎螺母的生產(chǎn)過程中，許多制造企業(yè)都采用了熱擠壓成形加工工藝，由于產(chǎn)品生產(chǎn)批量較大，產(chǎn)品成形精度要求較高，所以對(duì)熱擠壓模具的壽命提出了更高的要求。

3Cr2W8V鋼是出現(xiàn)較早、應(yīng)用較廣泛的模具鋼之一，因具有良好的高溫性能、韌性又適中，常用來制作熱擠壓模具[1]。熱擠壓加工工藝是將零件毛坯加熱到再結(jié)晶溫度以上再利用熱擠壓模具進(jìn)行壓力成形加工的，其模具不僅要承受較大的壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，而且還要受到因急冷急熱導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力作用，模具工作條件惡劣，受力復(fù)雜，實(shí)際使用壽命較低，經(jīng)常發(fā)生早期失效，給客戶和企業(yè)自身造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引起糾紛。因此，深入研究3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的失效形式，分析和尋找模具的失效原因，采取有效的措施與對(duì)策來提高3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的使用壽命是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。本文針對(duì)3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的早期失效問題，詳細(xì)分析了模具失效的主要形式和原因，提出了預(yù)防3Cr2W8V鋼熱擠壓模具早期失效的措施與對(duì)策。

1 原材料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與力學(xué)性能分析

3Cr2W8V鋼屬于過共析鋼，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。由表1可見，3Cr2W8V鋼中含有大量易形成碳化物的合金元素Cr、W、V等，材料的相變溫度較高。因此在高溫下仍具有較高的強(qiáng)度、紅硬性以及良好的淬透性。但由于3Cr2W8V鋼中含有大量碳化物，使得鋼的導(dǎo)熱性較差，抗熱疲勞性能也較差，尤其是在急冷急熱的熱擠壓加工過程中，模具的熱疲勞壽命極低，經(jīng)常發(fā)生龜裂現(xiàn)象。分析其原因是鋼中W元素含量較高，同時(shí)C元素的含量也不盡合理。另一方面，未經(jīng)鍛造的3Cr2W8V鋼原材存在著夾雜物、孔隙度大，大量碳化物呈網(wǎng)狀和大塊狀不均勻分布，碳化物偏析較大，如不經(jīng)過合理的改鍛和退火處理，很難消除其組織缺陷和殘余內(nèi)應(yīng)力。

表1 3Cr2W8V鋼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(GB1299-1985) 單位：%

2 模具的失效形式及原因

由于3Cr2W8V鋼熱擠壓模具是在高達(dá)1 000 ℃左右的溫度下進(jìn)行熱擠壓成形的，模具受力復(fù)雜，工作條件惡劣，模具的失效形式主要有熱磨損、開裂、熱疲勞(龜裂)、掉塊、擦傷和塑性變形等，導(dǎo)致3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的原因錯(cuò)綜復(fù)雜， 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 模具設(shè)計(jì)與加工制造不合理導(dǎo)致的失效

由于3Cr2W8V鋼熱擠壓模具是在急冷急熱的環(huán)境下工作，模芯外面必須考慮設(shè)計(jì)應(yīng)力預(yù)緊套，模具上過大的截面積變化和尖銳的轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)都會(huì)導(dǎo)致模具出現(xiàn)變形或開裂。同時(shí)熱擠壓模具的形狀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、過載和精度不良(應(yīng)力集中L/D較大)都是導(dǎo)致模具開裂或變形的主要因素。在加工制造方面，其加工工藝和質(zhì)量對(duì)模具壽命有直接的影響，比如機(jī)械加工表面質(zhì)量不高，殘存有刀痕或磨削微裂紋，預(yù)留圓角R太小，加工工藝未考慮在熱處理前粗加工留有的精車和磨削余量，熱處理過程中存有嚴(yán)重的表面脫碳、過熱、過燒和應(yīng)力集中現(xiàn)象[2]；在電加工過程中，模具表面存有電火花放電加工的變質(zhì)層，電火花放電二次淬火使得變質(zhì)層脆性增加和應(yīng)力集中，極容易發(fā)生掉塊和開裂。通過電加工參數(shù)與變質(zhì)層深度關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，放電量越高，變質(zhì)層就越厚，表面粗糙度也越大，相應(yīng)的表面殘余應(yīng)力也越大，如表2所示。

表2 電加工參數(shù)與變質(zhì)層深度、殘余應(yīng)力、表面粗糙度的關(guān)系

2.2 模具毛坯改鍛及預(yù)處理不當(dāng)引起的失效

鍛造是使材料性能、組織均勻的第一步工藝。3Cr2W8V鋼原材料內(nèi)部含有大量塊狀碳化物和夾雜物，如果不經(jīng)過合理改鍛，模具在生產(chǎn)使用中極容易出現(xiàn)熱疲勞失效。原因在于大塊狀、網(wǎng)狀和帶狀碳化物對(duì)模具基體存在切割作用，在急冷急熱的內(nèi)應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生龜裂。同時(shí)不經(jīng)過改鍛的模具材料致密性較差、孔隙度大，在硬度不高的情況下發(fā)生嚴(yán)重的熱磨損失效，甚至產(chǎn)生塑性變形；另一方面，模坯雖然經(jīng)過了鍛造，但從破碎模具斷口的金相組織可以看出有明顯的 “夾生飯”視覺效果，材料內(nèi)部的夾雜物和第二相未能有效破碎，這顯然與始鍛溫度過低、未能均勻燒透、鍛造不充分或鍛錘噸位不足有密切關(guān)系；模坯鍛造后未及時(shí)進(jìn)行退火預(yù)處理，擬消除組織缺陷、殘余內(nèi)應(yīng)力和細(xì)化晶粒，為最終熱處理做組織準(zhǔn)備，這也是導(dǎo)致3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的主要因素。

2.3 模具熱處理工藝不當(dāng)引起的失效

從表1中可以看出，3Cr2W8V鋼含有大量易形成碳化物的合金元素Cr、W、V 等，因此鋼的導(dǎo)熱性差，熱處理過程中模具熱透速度較慢，高溫階段所需要加熱的時(shí)間較長，從而引起3Cr2W8V鋼的晶粒粗大，模具的沖擊韌性降低，模具發(fā)生掉塊和開裂失效的危險(xiǎn)性大幅度增加。與此同時(shí)，如果模具在高溫加熱時(shí)未加以保護(hù)，模具表層嚴(yán)重脫碳，表層硬度較低，極易發(fā)生熱磨損、擦傷和塑性變形等早期失效。如果加熱過快，在高溫階段加熱時(shí)間雖短，但由于合金碳化物未能充分溶解于奧氏體中，因此不能保證3Cr2W8V鋼熱擠壓模具有高硬度和熱強(qiáng)性。從圖1所示的金相組織可以看出，3Cr2W8V鋼淬火后馬氏體呈針狀彌散分布，合金碳化物呈帶狀分布，針狀馬氏體組織在快速形成過程中相互撞擊，本身就形成了顯微裂紋，從而導(dǎo)致模具發(fā)生早期開裂失效。

圖1 針狀馬氏體和帶狀合金碳化物的金相組織 ×500倍

2.4 模具使用不當(dāng)引起的失效

3Cr2W8V鋼熱擠壓模具是在高溫下進(jìn)行壓力成形加工設(shè)備，模具受力復(fù)雜，實(shí)際工作條件嚴(yán)酷。模具在使用前如果不進(jìn)行充分、均勻的預(yù)熱，很容易因模具內(nèi)外溫差引起的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生開裂失效；同時(shí)高溫加熱的零件毛坯不斷與模具型腔表面進(jìn)行接觸，模具溫度不斷升高，當(dāng)溫度達(dá)到500℃～600℃時(shí)，隨著時(shí)間繼續(xù)推移，模具表面硬度降低，擦傷、塑性變形和熱磨損失效加劇。另一方面，如在生產(chǎn)過程中模具潤滑不當(dāng)，也將會(huì)發(fā)生熱磨損，甚至導(dǎo)致模具表面發(fā)生擦傷和粘?，F(xiàn)象，從而又使熱磨損加劇。

3 預(yù)防3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的對(duì)策

為了防止3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的早期失效，除了進(jìn)行合理的模具設(shè)計(jì)與加工之外，還可以采用鍛后預(yù)處理來改善材料中的碳化物分布以提高模具的抗斷裂韌性；應(yīng)用強(qiáng)韌化熱處理以提高模具的抗熱疲勞性能；應(yīng)用表面強(qiáng)化處理以提高模具的抗熱磨損和抗咬合性能。這些途徑可有效地防止模具的早期失效。

3.1 采用合理的模具設(shè)計(jì)與加工方法防止模具的應(yīng)力集中

在進(jìn)行3Cr2W8V鋼熱擠壓模具設(shè)計(jì)時(shí)，要盡量避免有尖角、小圓角和模具截面較大的過渡變化，從而防止由模具應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象。對(duì)于薄壁模芯要特別考慮設(shè)計(jì)應(yīng)力預(yù)緊套，增加3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的抗壓強(qiáng)度。在進(jìn)行磨削加工時(shí)，要嚴(yán)禁產(chǎn)生磨削微裂紋，在磨削加工或電加工結(jié)束后，要及時(shí)在160℃～250℃的油中進(jìn)行低溫補(bǔ)充回火處理，有效改善模具表面應(yīng)力狀態(tài)，消除殘余應(yīng)力，防止3Cr2W8V鋼熱擠壓模具出現(xiàn)開裂、掉塊等失效現(xiàn)象。

3.2 采用鍛后余熱淬火與快速球化退火提高模具的抗斷裂韌性

在進(jìn)行3Cr2W8V鋼模坯鍛造時(shí)，在終鍛溫度下將改鍛好的模坯迅速放入準(zhǔn)備好的沸水中，當(dāng)模坯冷卻到520℃～600℃時(shí)出水，進(jìn)行空冷并及時(shí)采用750℃溫度進(jìn)行等溫球化退火處理[3]。在實(shí)驗(yàn)中研究發(fā)現(xiàn)，采用這種工藝方法不但能夠使合金碳化物組織呈細(xì)小、均勻彌散分布， 而且還可以消除材料的組織缺陷和殘余內(nèi)應(yīng)力，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。研究的同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，合金碳化物的分布與3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的斷裂韌性值密切相關(guān)，模具的斷裂韌性值K1c隨合金碳化物的體積分?jǐn)?shù)和粒子尺寸增加而降低，如表3所示。因此，采用鍛后余熱淬火與快速球化退火工藝方法，可以有效提高模具的抗裂紋擴(kuò)展能力。

表3 碳化物與斷裂韌性值K1c的關(guān)系

3.3 采用強(qiáng)韌化熱處理提高模具的熱強(qiáng)性和熱疲勞抗力

強(qiáng)韌化是高溫淬火+高溫回火的熱處理工藝。為了保證3Cr2W8V鋼熱擠壓模具在高溫下具有高強(qiáng)度和紅硬性，防止模具過早發(fā)生熱磨損、熱疲勞和開裂等早期失效。將3Cr2W8V鋼淬火溫度提高到1 200℃，并經(jīng)630℃高溫回火2次，然后在油中冷卻，最后經(jīng)160℃～200℃的低溫補(bǔ)充回火處理，使3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的最終硬度為45～48HRC。在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，隨著淬火溫度的提高，可使大量Cr、W、V合金碳化物充分溶于奧氏體中。因此，提高了模具的合金度、熱疲勞抗力和抗斷裂韌性K1c值。同時(shí)因?yàn)樘岣吡嘶鼗饻囟龋彩沟么罅康腗2C型彌散碳化物析出，降低了碳化物偏析，提高了模具的韌性、熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，這種強(qiáng)韌化熱處理工藝是行之有效的[4]。

3.4 采用輝光放電滲硼的表面強(qiáng)化處理提高模具的耐熱和耐磨性能

輝光放電涂膏滲硼的表面強(qiáng)化方法是將被涂有硼膏的工件放入離子滲氮爐內(nèi)進(jìn)行固體滲硼的一種表面強(qiáng)化處理方法。其工藝方法是將硼鐵、KBF4、硫脲、NaF混合碾壓成粉末后調(diào)制成膏劑，并涂敷于熱擠壓模具的表面上，經(jīng)稍微干燥后放置于抽成真空的離子氮化爐內(nèi)，同時(shí)向爐內(nèi)充入氬氣，待通電后在模具的表面上形成了紫蘭色的美麗輝光，使3Cr2W8V鋼熱擠壓模具表面獲得了致密的硼化物層。硼化物層的厚度與時(shí)間、溫度成線性關(guān)系，如圖2所示。在生產(chǎn)實(shí)踐中根據(jù)需要可通過改變溫度、時(shí)間參數(shù)來使模具獲得不同的滲硼層厚度。輝光放電涂膏滲硼的表面強(qiáng)化方法，具有工藝時(shí)間短、工件變形較小、滲層均勻、不產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)[2]，模具表面的滲層硬度一般在1 300HV左右，從而提高了3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的耐磨性和抗蝕性能，有效地預(yù)防了模具的早期失效。

圖2 模具滲硼層厚度與溫度、時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)語

1)由于3Cr2W8V鋼中含有大量的Cr、W、V合金元素，與碳元素形成結(jié)晶碳化物，并呈樹枝狀、網(wǎng)狀不均勻分布，在急冷急熱的內(nèi)應(yīng)力作用下，模具受力錯(cuò)綜復(fù)雜，實(shí)際使用壽命很低。導(dǎo)致3Cr2W8V鋼熱擠壓模具早期失效的主要原因不僅與模具的硬度和強(qiáng)度有關(guān)，而且還與模具的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及使用有關(guān)。因此，除了通過合理的模具設(shè)計(jì)與加工之外，采用鍛后預(yù)處理可以改善材料中的碳化物分布以提高模具的抗斷裂韌性；應(yīng)用強(qiáng)韌化熱處理工藝可以提高模具的抗熱疲勞性能；應(yīng)用表面強(qiáng)化處理可以提高模具的抗熱磨損和抗咬合性能[5-6]。生產(chǎn)實(shí)踐證明，采取以上措施和對(duì)策可以在很大程度上彌補(bǔ)3Cr2W8V鋼材料本身的不足，充分發(fā)揮工藝研究設(shè)計(jì)的潛力，有效防止了3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的早期失效。

2) 根據(jù)預(yù)防3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的對(duì)策，對(duì)某廠生產(chǎn)的EQ140杯形螺母的熱擠壓模具進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果表明，采取上述對(duì)策，使模具的使用壽命從原來的3 000余件提高到了7 000～8 000余件，模具壽命得到大幅度提高，節(jié)省了昂貴的模具材料，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在模具選材和設(shè)計(jì)合理的前提下，充分發(fā)揮工藝的潛力[6]，可以在很大程度上彌補(bǔ)模具材料本身的不足，從而有效地防止模具的早期失效。