熱鍛模粘模問題的原因分析

侯家廣

（山東九鑫機械工具有限公司，山東泰安271500）

1 引言

在模具生產、使用中，粘模是減少模具使用壽命的主要原因。如何最大限度地減少粘模，提高生產效率一直是多年來的重要課題。造成粘模的原因很復雜，各種成分的模具、材料不同、制造工藝及工作條件各有不同。本文從同種模具在一定的工藝、制造、熱處理及工作條件下進行分析，能減少工藝及工作流程上的過失，避免工作上的盲目性，從而降低成本，提高效率，逐步減少粘模帶來的損失，使生產規范有序地進行，通過專家調研52%（上海）、44%（日本）的模具失效都是熱處理失效造成的，可見溫度變化、熱處理都是模具失效的重要因素。

2 溫度的影響

2.1 熱磨損

熱磨損是在機械載荷、熱載荷的共同作用下在型腔表面形成復雜的磨損過程。熱作模具的磨損主要以表面疲勞磨損為主，因工作條件的不同常伴隨著黏著磨損和磨料磨損，磨損表面的特征主要是刮傷、溝槽、麻點和削落等。

2.2 熱疲勞

又稱冷熱疲勞或龜裂，這是指模具工作時，因模具型腔表面存在較大的溫差和急冷、急熱的作用，使模具產生較大的熱應力。當溫度反復變化時，這種熱應力也隨之變化，加上承受較大的機械載荷作用，模具易出現熱疲勞裂紋。此裂紋屬于表面裂紋，一般較淺，在機械力作用下向內部擴展，最終產生斷裂、失效。常伴隨以下兩種情況。

（1）與模具的材料的親和力。通常被加工工件與模具材料的親和力越大，則產生黏著磨損傾向越大，模具壽命越短。

（2）坯料的溫度。隨著坯料加熱溫度提高，導致模具溫度升高，使模具強度下降，易產生塑性變形。模具表面與內部溫差加大，使熱應力增加，加速冷熱疲勞過程，加劇熱應力開裂的傾向。在高溫下，模具材料與坯料易形成黏著磨損，并增加氧化傾向。而低的坯料溫度，將使變形抗力提高，容易造成模具表面磨損和早期開裂。建議終鍛溫度保持在850℃～900℃內。

2.3 溫度升高導致硬度降低引起的粘模

鐵和碳元素是模具鋼的主要成分，鐵和碳元素能組成各種不同的合金組織：鐵素體、滲碳體、珠光體、奧氏體等。馬氏體是德國冶金學家發現。他發現鋼在淬火后生成一種黑色的組織，通過研究發現它是鋼材硬度、強度的重要因素，奧氏體是英國冶金學家發現。奧氏體是加熱到一定溫度的晶格結構。奧氏體強度很低，硬度較小，170～220HB，但其溶碳能力較大。1，146℃時可以溶進2.04%的碳，有較好的塑性。馬氏體是黑色金屬材料的一種組織名稱，馬氏體有兩種類型，中碳鋼淬火獲得板條狀馬氏體，它是由許多束尺寸大致相同，近似平行排列的細板條組成的組織，各束板條之間的角度比較大。高碳鋼淬火獲得針狀馬氏體。針狀馬氏體是竹葉或凸透鏡狀。奧氏體是鋼鐵的一種成片狀的顯微組織，奧氏體一般有等軸狀多邊形晶粒組成，晶粒內有彎晶，它是高溫下的一種組織，模具鋼加熱至723℃時就有奧氏體存在，同時殘余鋼內的奧氏體晶粒900℃就會迅速長大，晶粒度的大小決定了模具的機械性能如強度、硬度等。晶粒越細機械性能越好。由于馬氏體和奧氏體的可逆性，部分馬氏體轉化為奧氏體，從而使模具硬度下降，各種模具材料相變溫度不一樣，差別都在20℃左右。建議：

（1）溫度保持830℃～880℃。

（2）去應力回火。回火溫度比正常溫度低30℃～80℃，降低溫度升高帶來的內應力。

3 冷水降溫硬度的變化

使用過程中高溫模具用冷水降溫，硬度會降低。輕微的響聲伴隨著細細的裂紋或者看不到裂紋，但再次升溫至原來的溫度硬度大大降低，也容易引起粘模。

原因分析：使用過程中加水冷卻，模具在800℃左右高溫下急劇降溫，金屬表面溫度下降，外層金屬就發生收縮，對內部金屬產生壓力，而內部金屬卻使外層金屬產生拉力作用。晶粒結構改變，體積增大，從而產生很大的內應力，再加溫至以前的溫度造成硬度下降。如3Cr2W8V鋼采用噴水強制冷卻，容易出現早起疲勞甚至開裂，4Cr5MoSiV、3CrMoW2V等鉻鉬為主的合金模具鋼比較能夠適應噴水強制冷卻。這種材料的模具鋼可采用石墨噴劑達到降溫、潤滑的作用。

4 脫碳

碳原子析出俗稱脫碳。由于晶界上兩個晶粒質點排列取向有一定的差異，結構上比較疏松，在多晶體中，晶界會成為原子或離子快速擴散的通道，并容易引起雜質、原子、離子偏聚，所以碳原子就會容易與其他元素化合而沉淀在晶界外。晶界外，模具鋼的脫碳深度與加熱溫度、加熱時間、模具鋼的化學成分有關，特別是含碳量。含碳量越多越容易脫碳。原因分析：模具在淬火或高溫回火時未加保護，將引起表面氧化與脫碳。經過洛氏硬度檢測，脫碳層較深，磨床無法磨掉脫碳層，磨床磨削一毫米HRC增加兩個點。脫碳后出現軟點或軟區，從而使表面硬度降低。建議這種模具高溫淬火、回火、正火。

5 氧化層

模具加工過程中氧化層的殘余，造成硬度低而引起的粘模。模具鋼在使用過程中加熱時間越長，產生的氧化皮越多，鋼的含碳量越高，生成的氧化皮越少。含鉻、鎳、鉬等元素的合鋼在加熱時形成的氧化皮就少。這是因為這些元素加入鋼中后，形成的氧化皮較牢固致密，不易破裂，因此在表面先形成的氧化皮就起到了保護內部金屬的作用，阻止了鋼材的進一步氧化。要減少金屬被氧化，可以采用快速加熱、縮短加熱時間和少氧化、無氧化加熱方法。我廠生產扳手模具氧化層在1mm以上，可以用磨床磨去氧化層。

6 模具磁性

（1）由于模具是多種合金合成，所以本身自帶一定的磁性，在鍛壓過程中，磁場不能消除，容易吸附工件造成粘模。

（2）模具加工過程中磁性的殘留造成的粘模。在制造過程中磨床、電磁鐵、磁鐵對模具吊裝、加工都會帶來磁性的增加，有時磁性很大，壓力機的壓力方向不能改變模具的磁場方向造成吸附工件。

7 表面粗糙度（光潔度）

模具表面粗糙度的降低，既可以減少被加工工件流動的阻力，降低型腔的磨損率，又可以減少表面缺陷及產生裂紋的傾向。建議模具型腔的表面粗糙度值為Ra0.8～0.4μm。

8 合理使用

（1）模具的預熱。熱鍛件模具在工作前應進行預熱，使模具上升到200℃～300℃，這樣可以減少模具表面和內部的溫差，減少熱應力，防止出現熱應力、開裂。

（2）模具的冷卻。熱作模具工作表面進行冷卻時。

應保持適當的冷卻速度，采用下限速度。過于強烈的冷卻或過低的溫度容易引起冷熱疲勞裂紋，正確的冷卻方法既要降低模具表面溫度，又要保證溫度不會降低過低。具體要求：模具表面的上限溫度最好低于回火溫度，而模具表面下限溫度應保證在200℃～300℃。

（3）模具的去應力回火。熱作模具工作一定時間后應卸下進行去應力回火，回火溫度比正常回火溫度低30℃～50℃，以降低模具中的內應力，防止模具開裂。

（4）模具的保溫。熱作模具工作間歇時間，應對其進行表面保溫，保溫溫度通常與預熱溫度相同（250℃～300℃），避免直接冷卻到室溫而引起模具開裂，保溫的方法是采用電熱絲加熱保溫或煤氣（或天然氣）加熱保溫等。

9 結束語

總之，模具老化是一種很復雜的問題，其中與材料、熱處理工藝、制造、使用維護等密不可分。通過以上的分析和建議，可減少粘模幾率，縮短壓坯時間，提高模具壽命，減少勞動強度，提高生產效率。