熱擠壓模具失效分析

該工廠是生產汽車半軸套筒的專業工廠，廣泛應用于熱擠壓工藝。從大型機械工程轉向車身連接軸開始，小型車輛半軸套筒。模具以采用H13(4Cr5MoSiV1)鋼制造為主,由于鋼中含有大量的碳化物形成的Cr和Mo,因而具有較高的高溫紅硬性和耐熱疲勞性,是一種較理想的熱擠壓模具鋼。在實際生產中,熱擠壓模具的工作條件十分惡劣,受力復雜,壽命偏低。而模具的使用壽命直接影響到產品質量、生產效率和成本。同時也是衡量一個企業技術管理水平的重要指標,因此模具壽命的高低在實際工作中顯得特別重要。在熱擠壓模具中凸模的工作條件最為苛刻,因此多用它來衡量模具的使用壽命。從多年的生產實踐和大量的模具失效分析試驗中可知,熱擠壓凸模的失效形式以開裂、堆塌、搓板狀花紋、氣溝四種為主,并且這四種失效形式往往是在一個凸模上同時存在,但其主要失效原因是開裂,少數是氣溝和堆塌,搓板狀花紋不單獨構成失效形式。一、失敗的形式1.拉應力對組織的作用開裂是熱擠壓凸模最常見的一種損壞形式。圖1所示為熱擠壓凸模工作狀態的示意圖,熱擠壓凸模在工作時,為降低溫度、凸模內腔通有循環水、外部噴自來水,由此可見熱擠壓凸模必須承受激冷激熱的考驗。在這種反復的被加熱和冷卻的過程中,材料內部受到拉伸和壓縮的熱交變應力,金屬組織里的結晶產生間隙(晶間裂紋)和局部變形,其結果是產生了微小的網狀裂紋。另外,組織應力也對開裂起一定的推動作用。根據金相組織檢查的結果:凸模服役后的組織已極不均勻,而鋼在退火狀態時的比容最小,而淬火態的馬氏體最大,凸模表層由回火馬氏體轉變為索氏體,而心部組織未變,這樣以來,表層的比容小于心部,從而使表層出現拉應力,拉應力使已經產生的微小網狀裂紋的開裂加劇。因此說開裂的主要原因是熱交變應力和組織應力造成的。2.凸模公司由小組的聚合式心部結構所決定的,是金相組織的第一受害者凸模頭部堆塌變形如圖2所示,經過對凸模頭部剖開作流線檢查發現:凸模心部流線比較直,而接近凸模外表面的流線則改變了方向,在不同的位置上產生了不同程度的轉折,這是頭部產生塑性變形的痕跡,主要發生在凸模頭部外表層。另外,檢查凸模頭部的金相組織發現:外層的硬化層為馬氏體,其次為索氏體→屈氏體,心部為原始組織。而索氏體→屈氏體層深約10mm左右,顯然屬于軟化區。這充分說明,凸模在工作時的使用溫度已超過Ac1,在噴水冷卻時重新淬火,因此引起凸模堆塌變形的原因是凸模受高溫作用過渡回火軟化及壓力作用的結果。3.模具表面被研磨造成的粗糙度在熱擠壓生產中,高溫的金屬坯料相對于模具表面有劇烈的金屬流動。由于摩擦,模具表面被研磨,導致模具表面凸緣磨鈍。另外,金屬流動的剪切應力和壓縮應力的合力把模具表面剪切成小溝槽。當存在氧化皮或模具被氧化時,已軟化的部位還會被高速流動的金屬“沖刷”出大溝槽,時間一久,就形成了搓板狀花紋。4.凸模的脫料方式氣溝是一種特殊的失效形式,它與不合理使用有關。經生產現場觀察,如果凸模在工作時不采用放木塊或鋸末的方式脫料,則不會出現氣溝。因為木塊或鋸末在坯料中燃燒分解成氣體和碳灰,當氣壓達到一定值后,便從凸模與坯料之間奪路而出,并發出很大的爆炸聲,使凸模受到強烈的震動和沖擊。二、凸模加工制造過程中存在的問題影響模具壽命的因素很多,經過對凸模失效形式的分析及凸模在加工制造過程中存在問題的探討,我們重點從模坯鍛造、機加工、熱處理、表面強化及模具使用等方面采取措施,以期達到提高模具壽命的目的。1.熱壓與壓壓H13鋼在鍛造前,應對鋼材表面或內部進行檢查或無損探傷,以確保原材料的質量。H13鋼中合金元素含量較高,鍛造時變形抗力較大,而材料導熱性差,產生共晶溫度較低,稍不注意就會過燒。因此在加熱時,既要控制好爐溫,又要力求加熱均勻,坯料在爐堂內應翻轉90°,翻轉次數不能少于兩次,而且在鍛造過程中必須通過多次鐓粗撥長,使總鍛造比≥3、內鐓粗比≥2,開錘時先輕錘快打,然后逐漸加重,隨后再輕打,應避免連續重打和冷錘。通過對模坯的改鍛,可以達到下述目的:(1)改進鍛件致密度,使組織均勻,以求改進其使用性能。(2)改變鍛件的流線方向,達到改善力學性能和使用性能的目的。(3)消除塊狀、網狀及帶狀碳化物,使組織均勻細小,達到改善熱處理性能和使用性能的目的。2.材料的等溫球化退火工藝模坯鍛后退火除了降低硬度、改善切削加工性能外,還可消除殘余內應力及組織缺陷,細化晶粒,為最終熱處理作準備。H13鋼屬于過共析鋼類型,可以采用等溫球化退火,等溫球化退火工藝如圖3所示。H13鋼退火后,適宜的組織應是由球狀珠光體和少量的粒狀碳化物組成,熱處理后的硬度以192～229HB為宜。3.熱擠壓凸模的加工機械加工是模具加工過程中不可缺少的重要環節,其加工質量和工藝對模具壽命有直接影響,對熱擠壓凸模應按照粗加工→熱處理→精加工的模式進行,尤其是凸模工作部分R應放在熱處理后進行,表面粗糙度值一般應達到Ra=7μm以上。磨削時嚴禁磨削量過大、進給過快,因為模具表面過熱引起的龜裂在熱擠壓時會發展成網狀裂紋,磨削完畢最好能進行一次低溫防氧化回火。4.驗證試驗及結果合理的熱處理工藝是提高模具壽命的關鍵,熱擠壓凸模在工作時不但要承受很大的擠壓力,而且還要承受激冷激熱的考驗,因此要求模具不但在高溫下有足夠的紅硬性,而且還要有足夠的抗熱疲勞性。在實際生產中,為求得最佳的H13鋼熱處理工藝,進行了如下表所示的對比試驗。將a、b、c、d四組采用不同熱處理工藝的凸模用于生產,結果發現以b組和d組凸模壽命最好,尤以b組最為突出,因此H13鋼熱處理硬度范圍以47～50HRC為宜。5.表面處理對模具壽命的影響模具表面強化可以大幅度地提高模具的使用壽命,H13熱擠壓凸模采用離子氮化表面處理,氮化層深0.2～0.3mm,表面硬度可達1000HV以上,氮化后模具的耐磨性、抗蝕性、紅硬性及抗氧化性均有所提高,從而達到了提高模具使用壽命的目的。6.熱擠壓凸模介紹(1)模具預熱熱擠壓模與其他鍛造模具一樣,在使用前必須進行預熱,預熱溫度為200～300℃,預熱方法可用烘鐵法或將模具置于爐門口預熱。之所以必須預熱,是因為模具鋼在此溫度下具有較好的韌性,不致于在突然承受載荷時發生脆性開裂。尤其是在天氣寒冷的情況下,預熱必須進行得更充分、更完善。(2)模具冷卻和潤滑模具的冷卻,目的不是將模具冷卻至室溫,因為室溫下模具鋼的使用性能不及在200～300℃下的性能,所以應力求使冷卻和散熱效果與模具的升溫效果相平衡,模具可以采用內部通循環水,外部澆水的方法進行。良好的潤滑不僅能降低熱擠壓件的表面粗糙度值,減小擠壓力,而且能保持模具表面的光潔度,從而提高模具的使用壽命。(3)及時修理模具熱擠壓凸模在使用過程中產生局部堆塌后,工作部分的直徑有所增大;在使用過程中還會“粘上”一些氧化皮,這時應及時修理模具,