熱作模具主要包括熱鍛模、熱沖裁模、熱擠壓模、壓鑄模等。熱作模具工作時承受很大的沖擊載荷、強烈的摩擦,以及劇烈的冷熱循環引起的熱應力和高溫氧化等,常出現變形及塌陷、斷裂、熱疲勞、熱磨損和腐蝕等失效形式。
其是指在高溫下毛坯與模具長期接觸后,致使模具表面受到不同程度的過度回火而被軟化,引起強度降低而發生塑性變形。對于鋼鐵材料成形模具,當其表面軟化后硬度低于30HRC時,容易發生變形而引起塌陷。工作載荷大、工作溫度高的熱擠壓模和熱鍛模凸起部位易產生此類失效。
斷裂是指在材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷而出現失穩態下的材料開裂,包括脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂和腐蝕斷裂。
引起早期斷裂原因主要有:鍛壓操作失誤,引起模具過載;模具加工質量不佳,降低了承載能力;模具設計不合理,產生應力集中;模具選材不當;模具熱處理不當等。
熱擠壓沖頭、熱錘鍛模(燕尾部)及模具凸起部位、根部等易出現斷裂失效。疲勞斷裂是指在較高循環應力作用下,在模具型腔表面萌生疲勞裂紋并擴展,最后發生失穩擴展造成斷裂失效。
熱疲勞又稱冷熱疲勞或龜裂,其是指模具工作時,因模具型腔表面存在較大的溫差和急冷急熱的作用,使模具表面產生較大的熱應力,當溫度反復變化時這種熱應力也隨之變化,加上承受較大機械載荷作用,使壓鑄模、熱鍛模等易出現熱疲勞裂紋,此裂紋屬于表面裂紋,一般較淺,在機械應力作用下向內部擴展,最終產生斷裂失效。
其是在機械載荷與熱載荷的共同作用下,在型腔表面形成復雜的磨損過程。熱作模具的磨損主要以表面疲勞磨損為主,因工況條件的不同,常伴隨有黏著磨損和磨料磨損。磨損表面的破壞特征主要有刮傷、溝槽、麻點和剝落等。相對運動劇烈和有凸起部位的模具如熱擠壓沖頭等易產生熱磨損失效。
腐蝕是熱作模具特有的損壞形式。腐蝕包括沖蝕、熔蝕及侵蝕等。壓鑄模在工作過程中,熔融金屬被注入型腔時,被熾熱金屬液沖刷的模具部位,易發生沖蝕。這是在高溫下模具受到液體金屬的物理和化學作用,在模具表面產生的腐蝕現象。熱鍛模腐蝕部位通常在型腔內的局部區域。除了沖蝕外,在液體金屬與模具表面直接接觸的部位也會產生侵蝕及熔蝕,通常把它們歸納為沖蝕。壓鑄模比熱鍛模容易形成沖蝕。受到沖蝕的模具易導致其早期失效。
實例
5CrNiMo鋼制擺輾成形模失效分析。
(1)原因分析
擺輾成形模凸模(見圖2),用于設計最大壓力為12500kN擺輾機上。在模具服役過程中,主要失效形式有凸模(工作)表面熱疲勞和凸模(工作)表面環狀波紋變形。模具在生產300件產品時,明顯可見表面熱疲勞;模具在生產800件產品時,工作表面出現明顯的環狀波紋變形。
圖2 擺輾成形模凸模簡圖
通過分析發現,生產中為了防止熱鍛模型腔表面發生高溫回火而導致硬度降低,在每加工一件產品后都要進行噴水冷卻,這種冷熱交替方式,使熱鍛模型腔表面在交變熱應力的作用下產生熱疲勞。模具經過一段時間工作后,表面強度降低,最終產生環狀波紋變形。
(2)對策
通過調整熱處理工藝,改善模具組織,提高材料性能。具體改進工藝如下。
1)淬火前增加正火工序。淬火前增加910℃正火工序(見圖4),其目的是細化原始組織和碳化物,為下一步降低淬火溫度做好組織準備。
2)亞溫淬火。原熱處理工藝(見圖3)淬火溫度為860℃,淬火組織以針狀馬氏體為主,材料的斷裂韌性不足,對此采用770℃淬火 +500℃回火的強化處理工藝(見圖3),770℃是5CrNiMo鋼的臨界溫度(Ac3),奧氏體剛形成,晶粒細小,含碳量低,淬火后得到較多的低碳板條狀馬氏體,其中有些細小的鐵素體,但由于數量少且分布均勻,故對強度影響不大,但卻提高了熱鍛模的韌性。由于晶粒細化,晶界數量增多,使微裂紋擴展受到較大阻力。
圖3 原熱處理工藝
圖4 改進熱處理工藝
(3)模具壽命
經上述工藝處理后,模具壽命顯著提高,平均一副模具已能擺輾5000件。
來源:熱處理生態圈
作者:金榮植
來源:機械工業出版社
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