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(shí)承受很大的沖擊載荷、強(qiáng)烈的摩擦,以及劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力和高溫氧化等,常出現(xiàn)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(zhǎng)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(qiáng)度降低而發(fā)生塑性變形。對(duì)于鋼鐵材料成形模具,當(dāng)其表面軟化后硬度低于30HRC時(shí),容易發(fā)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(chǎn)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(xiàn)失穩(wěn)態(tài)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(zhì)量不佳,降低了承載能力;模具設(shè)計(jì)不合理,產(chǎn)生應(yīng)力集中;模具選材不當(dāng);模具熱處理不當(dāng)?shù)取?/span>
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(xiàn)斷裂失效。疲勞斷裂是指在較高循環(huán)應(yīng)力作用下,在模具型腔表面萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展,最后發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)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(shí),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(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,當(dāng)溫度反復(fù)變化時(shí)這種熱應(yīng)力也隨之變化,加上承受較大機(jī)械載荷作用,使壓鑄模、熱鍛模等易出現(xiàn)熱疲勞裂紋,此裂紋屬于表面裂紋,一般較淺,在機(jī)械應(yīng)力作用下向內(nèi)部擴(kuò)展,最終產(chǎn)生斷裂失效。
其是在機(jī)械載荷與熱載荷的共同作用下,在型腔表面形成復(fù)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(diǎn)和剝落等。相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈和有凸起部位的模具如熱擠壓沖頭等易產(chǎn)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(shí),被熾熱金屬液沖刷的模具部位,易發(fā)生沖蝕。這是在高溫下模具受到液體金屬的物理和化學(xué)作用,在模具表面產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。熱鍛模腐蝕部位通常在型腔內(nèi)的局部區(qū)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(huì)產(chǎn)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?jīng)_蝕的模具易導(dǎo)致其早期失效。
實(shí)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(shè)計(jì)最大壓力為12500kN擺輾機(jī)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(huán)狀波紋變形。模具在生產(chǎn)300件產(chǎn)品時(shí),明顯可見表面熱疲勞;模具在生產(chǎn)800件產(chǎn)品時(shí),工作表面出現(xiàn)明顯的環(huán)狀波紋變形。
圖2 擺輾成形模凸模簡(jiǎn)圖
通過分析發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)中為了防止熱鍛模型腔表面發(fā)生高溫回火而導(dǎo)致硬度降低,在每加工一件產(chǎn)品后都要進(jìn)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(yīng)力的作用下產(chǎn)生熱疲勞。模具經(jīng)過一段時(shí)間工作后,表面強(qiáng)度降低,最終產(chǎn)生環(huán)狀波紋變形。
(2)對(duì)策
通過調(diào)整熱處理工藝,改善模具組織,提高材料性能。具體改進(jìn)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(xì)化原始組織和碳化物,為下一步降低淬火溫度做好組織準(zhǔn)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(duì)此采用770℃淬火 +500℃回火的強(qiáng)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(xì)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(xì)小的鐵素體,但由于數(shù)量少且分布均勻,故對(duì)強(qiáng)度影響不大,但卻提高了熱鍛模的韌性。由于晶粒細(xì)化,晶界數(shù)量增多,使微裂紋擴(kuò)展受到較大阻力。
圖3 原熱處理工藝
圖4 改進(jìn)熱處理工藝
(3)模具壽命
經(jīng)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(tài)圈
作者:金榮植
來源:機(jī)械工業(yè)出版社
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