熱鍛模具的主要失效形式

文/包衛平·壹勝百模具（北京）有限公司

熱鍛模具的主要失效形式

文/包衛平·壹勝百模具（北京）有限公司

鍛模是實現模鍛工藝的工裝，是進行模鍛生產的關鍵因素之一。模具屬于耗損件。模具的失效是指在規定的壽命期內其喪失使用功能的現象；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，所生產零件的數量。模具提前失效，不僅會造成生產停頓，而且會使成本增加，影響產品的市場競爭力，降低企業的經濟效益。因此，如何充分發揮模具材料的性能、提高鍛模質量和使用壽命、降低模具的生產成本是鍛造行業重點關注的問題。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、機鍛模是在自由鍛錘、模鍛錘和壓力機上使用的熱成形模具，是典型的熱作模具，工作過程中既承受機械負荷，又承受熱負荷。機械負荷主要為沖擊力和摩擦力，熱負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雜多樣，其主要失效形式有型腔部分的磨損、開裂、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生的失效形式。實踐數據表明，在各種主要失效形式中，磨損發生概率約占68%，開裂約占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。

熱鍛模具發生磨損時的表面特征如圖2所示。鍛模在機械負荷和熱負荷的雙重作用下，一方面坯料對型腔表面產生沖擊性的接觸應力，另一方面坯料及其氧化皮的高速流動對型腔表面產生強烈地摩擦。因此，磨損容易發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、坯料類型及鍛造工藝等因素相關。降低鍛造溫度（使坯料的流動應力增加）會急劇增加模具的磨損，被約束于模具與坯料間隙的油基潤滑劑燃燒時產生的爆炸將導致一種侵蝕性磨損。

⑵開裂。

圖1 型腔內不同位置發生的失效形式

圖2 鍛模表面磨損的形貌特征

圖3 鍛模開裂的形貌特征

圖4 不同熱處理工藝對模具組織性能的影響

圖5 電火花加工（EDM）白層

鍛模開裂的形貌特征如圖3所示。模具的開裂不僅影響生產，而且危及工作人員的人身安全，是最危險的一種失效形式。按開裂的性質，可分為早期脆性開裂和機械疲勞開裂兩種類型。模具的早期脆性開裂一般發生在模具首次使用時，在錘擊次數較少時就會發生，有時僅錘擊一次就發生斷裂，其斷口的形貌特征是從斷裂源開始，裂紋呈人字花紋向外擴展。模具的機械疲勞開裂是在模具經受多次鍛擊后發生的斷裂，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展區一般較小。

導致模具開裂的原因概括起來主要有：模具過載（如被加工材料溫度過低）、模具預熱溫度過低或不預熱、過量的冷卻劑/潤滑劑、模具結構設計不合理造成應力集中、模具材料冶金質量不高或鍛件質量缺陷、熱處理缺陷和機械加工缺陷、模具安裝不正確等等。這些因素均可誘發裂紋，并導致早期斷裂和機械疲勞斷裂。

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

為了防止模具開裂，應當防止產生如圖5所示的電火花加工（EDM）白層，電火花加工白層的韌性很差，容易導致模具開裂。氮化時，過深氮化層深度和脈狀氮化物的存在也會嚴重降低模具的韌性，氮化層深度對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所示的循環熱應力的反復作用下所產生的疲勞裂紋。發生熱疲勞龜裂的主要原因有：模具型腔表面過度冷卻、冷卻不當、冷卻劑/潤滑劑的類型選用不當、模具型腔表面溫度過高、模具預熱不足、模具材料選擇不當、熱處理缺陷和表面處理缺陷。

圖6 氮化層深度對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）。

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

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型、工件材料、工件大小和模具型腔深度等因素。根據以上鍛模失效形式及其原因分析可知，鍛造模具鋼應具備以下主要性能：

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生。

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

⑶在低溫和高溫下均有優良的韌性和延展性，以防止開裂、熱沖擊裂紋和熱疲勞龜裂的發生，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，以防止整體開裂的發生。

⑸淬透性能好，能使尺寸較大的鍛模在整個截面上確保組織性能的一致性。

⑹良好的補焊性能。

⑺良好的機加工性能，尤其是預硬鋼。

結束語

鍛造模具鋼選材時，應考慮模具的主要失效形式、鍛造工藝類型、模具壽命要求、模具材料的性能及其熱處理工藝特性。當然，影響熱鍛模具壽命的因素很多，在選擇材料時，應根據熱鍛模具的具體工作條件合理選用。

包衛平，博士，主要從事模具鋼的應用研究及模具失效分析工作。