3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的失效形式分析及對策研究

楊光龍，黃家軍，黃玉芳，黃曉琴

(1. 貴州農業職業學院，貴州 清鎮 551400； 2. 貴州高強度螺栓廠，貴州 貴陽 550009)

0 引言

在EQ140汽車杯形輪胎螺母的生產過程中，許多制造企業都采用了熱擠壓成形加工工藝，由于產品生產批量較大，產品成形精度要求較高，所以對熱擠壓模具的壽命提出了更高的要求。

3Cr2W8V鋼是出現較早、應用較廣泛的模具鋼之一，因具有良好的高溫性能、韌性又適中，常用來制作熱擠壓模具[1]。熱擠壓加工工藝是將零件毛坯加熱到再結晶溫度以上再利用熱擠壓模具進行壓力成形加工的，其模具不僅要承受較大的壓應力、彎曲應力和拉伸應力，而且還要受到因急冷急熱導致的內應力作用，模具工作條件惡劣，受力復雜，實際使用壽命較低，經常發生早期失效，給客戶和企業自身造成了較大的經濟損失，甚至引起糾紛。因此，深入研究3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的失效形式，分析和尋找模具的失效原因，采取有效的措施與對策來提高3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的使用壽命是一項十分緊迫的任務。本文針對3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的早期失效問題，詳細分析了模具失效的主要形式和原因，提出了預防3Cr2W8V鋼熱擠壓模具早期失效的措施與對策。

1 原材料質量分數與力學性能分析

3Cr2W8V鋼屬于過共析鋼，其質量分數如表1所示。由表1可見，3Cr2W8V鋼中含有大量易形成碳化物的合金元素Cr、W、V等，材料的相變溫度較高。因此在高溫下仍具有較高的強度、紅硬性以及良好的淬透性。但由于3Cr2W8V鋼中含有大量碳化物，使得鋼的導熱性較差，抗熱疲勞性能也較差，尤其是在急冷急熱的熱擠壓加工過程中，模具的熱疲勞壽命極低，經常發生龜裂現象。分析其原因是鋼中W元素含量較高，同時C元素的含量也不盡合理。另一方面，未經鍛造的3Cr2W8V鋼原材存在著夾雜物、孔隙度大，大量碳化物呈網狀和大塊狀不均勻分布，碳化物偏析較大，如不經過合理的改鍛和退火處理，很難消除其組織缺陷和殘余內應力。

表1 3Cr2W8V鋼的質量分數(GB1299-1985) 單位：%

2 模具的失效形式及原因

由于3Cr2W8V鋼熱擠壓模具是在高達1 000 ℃左右的溫度下進行熱擠壓成形的，模具受力復雜，工作條件惡劣，模具的失效形式主要有熱磨損、開裂、熱疲勞(龜裂)、掉塊、擦傷和塑性變形等，導致3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的原因錯綜復雜， 主要表現在以下幾個方面。

2.1 模具設計與加工制造不合理導致的失效

由于3Cr2W8V鋼熱擠壓模具是在急冷急熱的環境下工作，模芯外面必須考慮設計應力預緊套，模具上過大的截面積變化和尖銳的轉角設計都會導致模具出現變形或開裂。同時熱擠壓模具的形狀與結構設計不合理、過載和精度不良(應力集中L/D較大)都是導致模具開裂或變形的主要因素。在加工制造方面，其加工工藝和質量對模具壽命有直接的影響，比如機械加工表面質量不高，殘存有刀痕或磨削微裂紋，預留圓角R太小，加工工藝未考慮在熱處理前粗加工留有的精車和磨削余量，熱處理過程中存有嚴重的表面脫碳、過熱、過燒和應力集中現象[2]；在電加工過程中，模具表面存有電火花放電加工的變質層，電火花放電二次淬火使得變質層脆性增加和應力集中，極容易發生掉塊和開裂。通過電加工參數與變質層深度關系的研究發現，放電量越高，變質層就越厚，表面粗糙度也越大，相應的表面殘余應力也越大，如表2所示。

表2 電加工參數與變質層深度、殘余應力、表面粗糙度的關系

2.2 模具毛坯改鍛及預處理不當引起的失效

鍛造是使材料性能、組織均勻的第一步工藝。3Cr2W8V鋼原材料內部含有大量塊狀碳化物和夾雜物，如果不經過合理改鍛，模具在生產使用中極容易出現熱疲勞失效。原因在于大塊狀、網狀和帶狀碳化物對模具基體存在切割作用，在急冷急熱的內應力作用下會發生龜裂。同時不經過改鍛的模具材料致密性較差、孔隙度大，在硬度不高的情況下發生嚴重的熱磨損失效，甚至產生塑性變形；另一方面，模坯雖然經過了鍛造，但從破碎模具斷口的金相組織可以看出有明顯的 “夾生飯”視覺效果，材料內部的夾雜物和第二相未能有效破碎，這顯然與始鍛溫度過低、未能均勻燒透、鍛造不充分或鍛錘噸位不足有密切關系；模坯鍛造后未及時進行退火預處理，擬消除組織缺陷、殘余內應力和細化晶粒，為最終熱處理做組織準備，這也是導致3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的主要因素。

2.3 模具熱處理工藝不當引起的失效

從表1中可以看出，3Cr2W8V鋼含有大量易形成碳化物的合金元素Cr、W、V 等，因此鋼的導熱性差，熱處理過程中模具熱透速度較慢，高溫階段所需要加熱的時間較長，從而引起3Cr2W8V鋼的晶粒粗大，模具的沖擊韌性降低，模具發生掉塊和開裂失效的危險性大幅度增加。與此同時，如果模具在高溫加熱時未加以保護，模具表層嚴重脫碳，表層硬度較低，極易發生熱磨損、擦傷和塑性變形等早期失效。如果加熱過快，在高溫階段加熱時間雖短，但由于合金碳化物未能充分溶解于奧氏體中，因此不能保證3Cr2W8V鋼熱擠壓模具有高硬度和熱強性。從圖1所示的金相組織可以看出，3Cr2W8V鋼淬火后馬氏體呈針狀彌散分布，合金碳化物呈帶狀分布，針狀馬氏體組織在快速形成過程中相互撞擊，本身就形成了顯微裂紋，從而導致模具發生早期開裂失效。

圖1 針狀馬氏體和帶狀合金碳化物的金相組織 ×500倍

2.4 模具使用不當引起的失效

3Cr2W8V鋼熱擠壓模具是在高溫下進行壓力成形加工設備，模具受力復雜，實際工作條件嚴酷。模具在使用前如果不進行充分、均勻的預熱，很容易因模具內外溫差引起的內應力而產生開裂失效；同時高溫加熱的零件毛坯不斷與模具型腔表面進行接觸，模具溫度不斷升高，當溫度達到500℃～600℃時，隨著時間繼續推移，模具表面硬度降低，擦傷、塑性變形和熱磨損失效加劇。另一方面，如在生產過程中模具潤滑不當，也將會發生熱磨損，甚至導致模具表面發生擦傷和粘模現象，從而又使熱磨損加劇。

3 預防3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的對策

為了防止3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的早期失效，除了進行合理的模具設計與加工之外，還可以采用鍛后預處理來改善材料中的碳化物分布以提高模具的抗斷裂韌性；應用強韌化熱處理以提高模具的抗熱疲勞性能；應用表面強化處理以提高模具的抗熱磨損和抗咬合性能。這些途徑可有效地防止模具的早期失效。

3.1 采用合理的模具設計與加工方法防止模具的應力集中

在進行3Cr2W8V鋼熱擠壓模具設計時，要盡量避免有尖角、小圓角和模具截面較大的過渡變化，從而防止由模具應力集中導致的開裂現象。對于薄壁模芯要特別考慮設計應力預緊套，增加3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的抗壓強度。在進行磨削加工時，要嚴禁產生磨削微裂紋，在磨削加工或電加工結束后，要及時在160℃～250℃的油中進行低溫補充回火處理，有效改善模具表面應力狀態，消除殘余應力，防止3Cr2W8V鋼熱擠壓模具出現開裂、掉塊等失效現象。

3.2 采用鍛后余熱淬火與快速球化退火提高模具的抗斷裂韌性

在進行3Cr2W8V鋼模坯鍛造時，在終鍛溫度下將改鍛好的模坯迅速放入準備好的沸水中，當模坯冷卻到520℃～600℃時出水，進行空冷并及時采用750℃溫度進行等溫球化退火處理[3]。在實驗中研究發現，采用這種工藝方法不但能夠使合金碳化物組織呈細小、均勻彌散分布， 而且還可以消除材料的組織缺陷和殘余內應力，為最終熱處理作好組織準備。研究的同時還發現，合金碳化物的分布與3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的斷裂韌性值密切相關，模具的斷裂韌性值K1c隨合金碳化物的體積分數和粒子尺寸增加而降低，如表3所示。因此，采用鍛后余熱淬火與快速球化退火工藝方法，可以有效提高模具的抗裂紋擴展能力。

表3 碳化物與斷裂韌性值K1c的關系

3.3 采用強韌化熱處理提高模具的熱強性和熱疲勞抗力

強韌化是高溫淬火+高溫回火的熱處理工藝。為了保證3Cr2W8V鋼熱擠壓模具在高溫下具有高強度和紅硬性，防止模具過早發生熱磨損、熱疲勞和開裂等早期失效。將3Cr2W8V鋼淬火溫度提高到1 200℃，并經630℃高溫回火2次，然后在油中冷卻，最后經160℃～200℃的低溫補充回火處理，使3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的最終硬度為45～48HRC。在實驗研究中發現，隨著淬火溫度的提高，可使大量Cr、W、V合金碳化物充分溶于奧氏體中。因此，提高了模具的合金度、熱疲勞抗力和抗斷裂韌性K1c值。同時因為提高了回火溫度，也使得大量的M2C型彌散碳化物析出，降低了碳化物偏析，提高了模具的韌性、熱強性和熱穩定性。經生產實踐證明，這種強韌化熱處理工藝是行之有效的[4]。

3.4 采用輝光放電滲硼的表面強化處理提高模具的耐熱和耐磨性能

輝光放電涂膏滲硼的表面強化方法是將被涂有硼膏的工件放入離子滲氮爐內進行固體滲硼的一種表面強化處理方法。其工藝方法是將硼鐵、KBF4、硫脲、NaF混合碾壓成粉末后調制成膏劑，并涂敷于熱擠壓模具的表面上，經稍微干燥后放置于抽成真空的離子氮化爐內，同時向爐內充入氬氣，待通電后在模具的表面上形成了紫蘭色的美麗輝光，使3Cr2W8V鋼熱擠壓模具表面獲得了致密的硼化物層。硼化物層的厚度與時間、溫度成線性關系，如圖2所示。在生產實踐中根據需要可通過改變溫度、時間參數來使模具獲得不同的滲硼層厚度。輝光放電涂膏滲硼的表面強化方法，具有工藝時間短、工件變形較小、滲層均勻、不產生污染等優點[2]，模具表面的滲層硬度一般在1 300HV左右，從而提高了3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的耐磨性和抗蝕性能，有效地預防了模具的早期失效。

圖2 模具滲硼層厚度與溫度、時間的關系

4 結語

1)由于3Cr2W8V鋼中含有大量的Cr、W、V合金元素，與碳元素形成結晶碳化物，并呈樹枝狀、網狀不均勻分布，在急冷急熱的內應力作用下，模具受力錯綜復雜，實際使用壽命很低。導致3Cr2W8V鋼熱擠壓模具早期失效的主要原因不僅與模具的硬度和強度有關，而且還與模具的設計、生產制造及使用有關。因此，除了通過合理的模具設計與加工之外，采用鍛后預處理可以改善材料中的碳化物分布以提高模具的抗斷裂韌性；應用強韌化熱處理工藝可以提高模具的抗熱疲勞性能；應用表面強化處理可以提高模具的抗熱磨損和抗咬合性能[5-6]。生產實踐證明，采取以上措施和對策可以在很大程度上彌補3Cr2W8V鋼材料本身的不足，充分發揮工藝研究設計的潛力，有效防止了3Cr2W8V鋼熱擠壓模具的早期失效。

2) 根據預防3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效的對策，對某廠生產的EQ140杯形螺母的熱擠壓模具進行了生產試驗。驗證結果表明，采取上述對策，使模具的使用壽命從原來的3 000余件提高到了7 000～8 000余件，模具壽命得到大幅度提高，節省了昂貴的模具材料，獲得了良好的經濟效益。因此，在模具選材和設計合理的前提下，充分發揮工藝的潛力[6]，可以在很大程度上彌補模具材料本身的不足，從而有效地防止模具的早期失效。