熱鍛模的典型失效形式及其原因分析

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能力，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其原因分析，并從中找到一些提高鍛模使用壽命的有效途徑。

熱鍛模失效的表現形式

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。機械負荷主要是沖擊力和摩擦力，熱負荷主要是交替加熱和冷卻。鍛模在上述復雜條件下工作，其失效形式也復雜多樣，其主要失效形式有型腔部分的磨損、開裂，型腔表面的熱疲勞（熱龜裂）和塑性變形。

圖1為鍛壓模具型腔的不同位置模具容易發生的各種失效形式。由圖2數據可知，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%。

熱鍛模的各種典型失效形式及其原因分析

磨損

熱鍛模發生磨損時的表面特征如圖3所示。鍛模在機械負荷和熱負荷雙重作用下，一方面坯料與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與型腔表面產生強烈的摩擦，因此，磨損容易發生于如圖1所示的模具的凸出圓角部位和飛邊槽橋部。

磨損與模具材料、坯料類型及鍛造工藝等因素相關。降低鍛造溫度（使坯料的變形抗力增加）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。

因此，熱鍛模的磨損通常與以下9類因素有關。

⑴高壓載荷下坯料與型腔表面接觸時間過長導致的過熱。

⑵不正確的熱處理得到低強度的金相組織。

⑶冷卻潤滑不夠。

⑷過低的模具硬度。

⑸過低的鍛造（坯料）溫度。

⑹鍛造步驟不夠。

⑺模具沒有足夠的排氣孔。

⑻型腔的復雜度。

⑼模具的表面處理。

針對以上原因，改善熱磨損問題的相應對策如下。

⑴盡可能減少坯料與型腔表面在高壓載荷下的接觸時間。

⑵正確的熱處理工藝，比如合適的奧氏體化溫度、盡可能高的淬火冷卻速度、避免表面脫碳等。

⑶在確保韌性的前提下，適當提高模具硬度。

⑷鍛造過程中確保坯料溫度在鍛造溫度范圍內，特別要避免坯料溫度低于終鍛溫度。

⑸合理安排鍛造工位。

⑹模具應布置有排氣孔。

⑺模具表面做氮化處理。

開裂

鍛模開裂的形貌特征如圖4所示。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7種，分別如下。

⑴模具過載（如被加工材料溫度過低）。

⑵模具預熱溫度過低或不預熱。

⑶過量的冷卻劑/潤滑劑。

⑷模具結構設計不合理造成應力集中。

⑸模具材料冶金質量不高或鍛件質量缺陷。

⑹熱處理缺陷和模具機加工缺陷。

⑺模具的不正確安裝等。

以上因素均可誘發裂紋萌生，并導致早期斷裂和機械疲勞斷裂。

圖5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結果，冷卻速度不足時一方面減少了馬氏體的含量，另一方面晶界上析出大量的碳化物，從而使材料的沖擊韌性急劇降低，增加了模具開裂的風險。

為了防止模具開裂，應當防止如圖6所示的電火花加工（EDM）白層的出現，電火花加工白層的韌性很差，容易導致開裂發生。氮化時，過厚的氮化層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7和圖8所示。

綜上分析，改善模具開裂問題的相應對策如下。

⑴避免模具過載，比如坯料溫度應在合理范圍內以確保足夠低的變形抗力。

⑵模具應正確預熱(150～200℃)，一方面可以提高模具韌性，另一方面能降低模具的熱應力。

⑶合理的模具設計，盡可能增加圓角半徑、合理布置排氣孔和飛邊、采用鑲塊結構等。

⑷采取正確而有效的冷卻措施，以避免產生過高的表面熱應力。

⑸選擇優質并且強韌性能高的模具材料。

⑹正確的淬火回火熱處理和表面處理，尤其是避免過氮化。

⑺避免電火花加工白層殘留以及粗糙的模具表面（比如深的刀痕）。

熱疲勞裂紋（龜裂）

模具型腔表面熱疲勞裂紋（龜裂）的形貌特征如圖9所示。所謂“熱疲勞”是指模具在如圖10所示的循環熱應力的反復作用下所產生的疲勞裂紋和破壞。發生熱疲勞（龜裂）的主要原因有7種，如下。

⑴模具型腔表面過度冷卻。

⑵冷卻不當。

⑶冷卻劑/潤滑劑的類型選用不當。

⑷模具型腔表面溫度過高。

⑸模具預熱不足。

⑹模具材料選擇不當。

⑺熱處理缺陷和表面處理缺陷。

改善熱疲勞（龜裂）的相應對策如下。

⑴避免過高的型腔表面溫度帶來的表面回火軟化，從避免模具抗熱疲勞性能下降。

⑵采取正確而有效的冷卻措施，一方面避免產生過高的表面熱應力，另一方面避免表面回火軟化。

⑶正確選擇模具的預熱溫度，一般建議150～200℃，避免過高或過低的預熱溫度。

⑷選擇優質并且具有優異強韌性能的模具材料。

⑸正確的熱處理工藝（比如合適的奧氏體化溫度和盡可能高的淬火冷卻速度，并充分回火），氮化時避免過厚的氮化層及脈狀氮化物。

塑性變形（塌陷）

鍛模局部受到超過模具材料的屈服強度的工作應力時，塑性變形即發生，圖11是典型的由于模具型腔表面溫度過高使表面嚴重回火軟化導致的塑性變形形貌特征。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、凸臺等凸出部位。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，則會產生棱角倒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如下。

⑴坯料的溫度過低(導致工件材料的流動應力過大)。

⑵模具鋼選材不當，如模具鋼的熱強度不足。

⑶模具溫度過高。

⑷熱處理工藝不當，如模具硬度過低。

改善塑性變形的相應對策如下。

⑴坯料應加熱到合適的始鍛溫度，并確保鍛造過程中坯料溫度不低于終鍛溫度。

⑵選擇具有更高的高溫強度和回火抗力的模具材料。

⑶模具應避免過高的預熱溫度和鍛造過程中的型腔表面溫度。

⑷制定正確的熱處理工藝，適當提高模具硬度。

結束語

鍛模的主要失效方式有型腔部分的磨損、開裂、型腔表面的熱疲勞（熱龜裂）和塑性變形，本文通過討論鍛模的主要失效形式，并分析失效的原因，提出了一些預防鍛模失效的方案，希望對鍛件生產企業起到一些借鑒作用。