锤锻模失效原因

蓉容

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锤锻模在锻压钢件时，模具型腔表面的温度，一般可达到500~600℃,有些部位可达750℃。
由于模具中温度分布不均匀，会导致出现内应力，使模具成熟变形或开裂。一般说来，随着模具温度的增加，模具钢的强度、硬度将减低，冲击韧度、断裂韧度以及塑性将增加。但钢的冲击韧度在加热到430℃~500℃时将下降，出现蓝脆。
当模具型腔温度未超过模具的回火温度，模具在工作过程中，其组织与性能不会发生明显的变化。当模具型腔的温度超过模具回火温度，模具在工作过程中继续进行回火过程，将继续发生组织与性能的变化。如模具型腔的温度超过模具钢的相变点，在模具冷却时将发生相变，这种相变点会引起模具性能变化外，还带来较大的内应力。因此，为了提高和稳定模具的寿命。必须了解模具在工作过程中的温度变化情况，一般应使模具的工作温度低于其回火温度。但选择回火温度高的模具材料，也能有效的提高模具的使用寿命。HR815高强度热作钢具有高抗回火温度，使得在作业过程中，使模具的工作温度无法高于其回火温度，延长硬度保持时间。
模具的冷却：即每锻压一个毛胚后，就要用冷空气、水、油等介质进行冷却。另外，为了减少模具与毛胚之间的磨蹭，还可每锻压一个毛胚后，在模具表面涂抹润滑剂，这些润滑剂也可以起到冷却作用，因此，模具在工作过程中除受热外，还将受急冷作用。对模具型腔表面很薄的一层来说，是在急冷急热的条件下工作的。现在一般的锻压厂使用3Cr2W8V，虽然3Cr2W8V钢经650℃回火后仍能保持高的硬度和强度，但它的主要缺点是在急冷急热条件下工作时，易出现热疲劳开裂，即抗热疲劳能力较差。此外，由于含铬少，含钨多，其抗氧化能力也较差。HR815热作钢由于改变其成分，提高钨当量，并利用稀土细化晶粒增强韧性。使钢的抗回火能力进一步提高，并能保持一定的韧性。此钢的抗回火能力、高温强度、抗热疲劳能力，均优于3Cr2W8V钢，用于制造齿轮锻压模，其寿命比3Cr2W8V钢高2~3倍。锻压1000次后，3Cr2W8V钢模具的磨损量为0.1mm，而HR815钢模具的磨损量0.02mm。
在锤锻时，由于工件塑性变形而引起的流动，而导致工件与模具接触面上的磨蹭，由于比压很高，以及出现新的表面等原因，材料的屈服点决定材料所能承受的最大摩擦力。HR815在750℃高温时，抗拉屈服强度可达到675Mpa，有效的减低模具材料所承受的最大摩擦力。
4 z% Q. ]& Y# g. W, v' o: l  q; t综上所述，锤锻模在工作过程中，将受急冷急热冲击载荷复杂的应力状态以及摩擦力的作用这些条件是模具产生各种失效形式的外在因素
; c! F! h" ~: W' A! O0 c锤锻模的基本失效形式
锤锻模在使用过程中，主要的失效形式有模具型腔断裂、型腔的热疲劳、型腔的塑性变形及塌陷、型腔的磨损及燕尾开裂等。
1：模具型腔断裂分为：模具早期脆性断裂、机械疲劳断裂
   模具早期脆性断裂，是模具在锻压次数较少时发生的，有的短打几次就可断裂，这种断裂也和其他断裂一样，首先形成裂纹源，当裂纹的尺寸达到失稳扩展的尺寸时，模具中的裂纹便迅速扩展，导致模具的断裂。因而是脆性的。这种断裂的宏观断口特征是：从断裂源开始并呈人字花纹向外扩展。这种断口特征就是模具裂纹快速扩展的特征。
   这种断裂产生的原因，主要有如下几个方面
; g9 a2 A- l  O) P    1.模具的结构强度：由于设计不合理，某些部位的强度不够。锤锻模的型腔如有厚薄不均，带有尖角结构等，尤其在燕尾处，这些部位因加工粗糙度高和尺寸因素，易产生较大的应力几种，是产生早期脆断的裂纹源。
2 v" y. ~- {6 t- h2锤锻模的冶金质量：由于锤锻模的尺寸较大，尤其是在用钢锭直接加工成模块时，在模块中易存在铸造的缺陷，如钢中存在有缩孔、白点、疏松及非金属夹杂物等。这些缺陷往往就是裂纹源。当模具钢的断裂韧度较低时，易引起模具的早期锤锻。
另外，模块经锻造后，其流线分布方向是否合理，也可能是产生脆断的一个原因。
3．热处理质量。锤锻模热处理后质量的好坏，取决于：模块表面有无氧化脱碳、组织状况、硬度的高低、内应力等。在这些指标中，模块热处理后的硬度对模块的早期脆断影响很大。生产实践表面，如模块热处理后硬度偏高，易产生早期脆断。模块硬度提高后，将降低钢的断裂韧度及冲击韧度。而这些指标降低后，将明显地增加脆断倾向。模块硬度提高后，又使模具的冷热疲劳抗力降低，这就使模具型腔表面过早地产生热疲劳裂纹，热疲劳裂纹产生后，当钢的断裂韧度较低时，即使热疲劳裂纹的尺寸很小，也可能达到临界尺寸而迅速扩展，导致模具断裂。因此，目前生产中锤锻模早期脆断绝大多数是因模块热处理后硬度偏高所致。
模块热处理后的内应力大小，也是不可忽视的因素。模块淬火后仅进行一次回火，无疑会增加模具脆断的可能性。至于淬火过热，模具型腔表面氧化与脱碳均会对模具的早期脆断有一定的促进作用。
4.模具钢选择的合理性  锤锻模在很大的冲击载荷作用下工作，锤锻吨位越高，冲击载荷越大。吨位大的锤锻模应选择冲击韧度和断裂韧度高的钢。目前常用的材料有5CrMnMo及5CrNiMo。但对于某些要求高的锤锻模，常用的模具材料明显已经无法满足其工作要求。目前一些锻压厂开始转用HR815，HR815相对于5CrNiMo具有冲击韧性高的特点，适用制作在700℃左右工作温度下使用压力机成型模，锤锻模镶块等。
5．热应力作用  锤锻模在工作前将加热到一定的温度进行预热。如果模具钢预热不充分，使模具表面与心部之间产生较大的温差，将导致较大的热应力。
总之，导致锤锻模产生脆断的因素是多方面的，必须充分注意到各种因素的影响。生产实践表面，热处理质量好坏对模具出现早期脆断的影响，较其他的因素要大。
" l4 k9 K! v4 S锻模断裂的另一种类型是模具的机械疲劳断裂。这种断裂是在锻压次数较多时出现的。机械疲劳裂纹一般是由型腔表面产生，再逐渐向内扩展。
" G& W5 f; E8 K2 c  ?  f% j7 p# g锻模的机械疲劳断裂，是在应力循环次数较少的情况下发生的。这种机械疲劳断裂多产生于燕尾与模体的过渡处
& r7 h0 Y) S5 o! I由于锤锻模的尺寸很大，对它进行解剖分析是比较困难。因此，对这类断脆研究的甚少，一般认为导致模具机械疲劳断裂是由于模具钢的强度不足所致