浅谈模具毛坯锻造对热挤压模具失效的影响及对策.doc

浅谈模具毛坯锻造对热挤压模具失效的影响及对策

我所在的锻压分公司是晋机集团冲压分厂水压机热挤压模具锻件毛坯的主要生产单位。冲压分厂常用的各种冲盂模、冲盂冲头〔材质为3Cr2W8V、H13〕、成型模、压型模和收口模〔材质为5CrMnMo〕都是典型的热挤压模具。这类模具在工作中既要承受机械负荷，又要承受热负荷，其失效形式和影响因素较为复杂。它们的工作条件和失效形式与锤锻模有许多相似之处，如：早期断裂、疲惫断裂、热疲惫、形腔堆塌和磨损，但热挤压模具在工作过程中，坯料的变形率比锤模锻大得多，模具在高温区工作时间长，压力大，摩擦剧烈，因而塑性变形、磨损和疲惫断裂是热挤压模具最常见的失效形式。
模具毛坯的锻造是模具加工重要的热成型加工工艺，它不限于获得理想的几何形状、消除冶金缺陷〔如锻焊内部疏松、非氧化气孔、细化晶粒、紧密组织等〕，更重要的是通过合理的锻造操作，大幅度提升钢的力学性能。它是改善模具材料原始状态，提升模具材料性能，从而提升模具寿命的重要手段。因而，熟悉和掌握模具钢锻造容易造成的的缺陷，对模具毛坯进行正确的锻造，对防止模具失效具有重要的意义。多年来在热挤压模具毛坯锻造中自己对锻造过程中容易造成的缺陷和模具毛坯的锻造有了一定的熟悉和经验
一、模具毛坯的锻造缺陷
模具毛坯的锻造质量和存在的缺陷，与模具钢的材质、锻造加热、锻造方法和锻后冷却诸因素有关。对模具失效造成影响的既有锻造的一般缺陷，还有因锻造工艺方法不正确造成材料碳化物的形态和分布不均匀、流线的走向和分布不均匀等。
〔一〕锻造的一般缺陷
锻件常见的表面缺陷有裂痕、鳞皮、凹坑、折叠等；常见的内部缺陷有过热、过烧、疏松、组织偏析、流线分布不良等。尤其是热模具钢塑性低、变形抗力大、导热性差、锻造温度区间窄、组织缺陷较多、内应力大等特点，很容易造成锻造缺陷。这些缺陷或可造成模具断裂的裂源，或可影响模具的热处理，最终影响到模具的使用寿命。
锻件表面缺陷的深度如果在加工余量之内，则经过加工去除后，对模具的质量并无显著影响，但是存在表面深裂痕、过烧等不可拯救的缺陷，锻件只能报废，而锻件的某些内部缺陷，如碳化物严重偏析、流线分布不合理等，则需通过进一步的锻造来改善。
〔二〕碳化物形态和分布均匀性不良
合理的锻造工艺，如采纳大锻造比反复镦拔并正确控制停锻温度和锻后冷却温度等，能够细化钢中的碳化物，改善碳化物分布的均匀性，减轻偏析程度。但大、中截面的高合金钢模具，其碳化物偏析严重，锻造的难度较大，锻造后仍可能在碳化物形态和分布均匀性不佳，以致影响模具的内在质量。为此，应依据模具的具体状况，关于重要模具如冲盂模、冲盂冲头等，应加大锻造比提升其碳化物不均度级别。
〔三〕流线走向和分布不合理
钢在锻压加工时，内部的非金属夹杂物随着金属的塑变流动而延伸，在其低倍组织中形成显然的流线，流线会引起模具锻坯的各项异性，即顺着流线方向上的力学性能显然高于横向，关于重载模具，如果它承受的最大拉应力的方向与流线方向垂直，就很容易发生早期劈裂失效，就热挤压重载模具来说，流线方向及分布的合理性，要比碳化物得不均匀性，对模具失效的影响更大。流线和带状碳化物一样，还会引起淬火变形的不均匀性，像用3Cr2W8V、H13和5CrMnMo等热模具钢制造的模具，在淬火回火后，沿流线和带状碳化物方向伸长量较小或趋于缩短，关于模具的变形控制是很不利的。
因此，合理的流线走向和分布也要通过锻造来实现，应依据模具型腔的受力状况通过锻造使流线走向与最大拉应力方向一致，并沿型腔表面连续分布，不被切断；关于精密模具要通过锻造使流线无定向均匀分布，从而使热处理变形各项均匀一致，便于控制。
二、避免模具毛坯锻造缺陷的对策
为了避免锻造缺陷，保证锻坯质量，模具毛坯的锻造工艺应注意以下几个方面
(一)          原材料的质量检验和备料
原材料质量不合格，难以保证锻造质量，会直接造成锻件废品，因而必须要求钢材表面没有裂痕、折叠，内部没有气孔、疏松、发裂并对碳化物的分布、非金属夹杂物进行评级。钢材备料应使长径比L/d≤2.5～3,在锯床下料和热切下料时应注意断面平整，避免产生新的表面损伤。

〔二〕锻锤吨位的选择
实施锻造的锻锤，其吨位的选择应和模具毛坯的重量及模具材料的变形相适应，锻锤吨位过小，锻打不深不透，心部组织得不到改善；吨位过大，则容易打击过重，造成锤裂。锻造热挤压模具毛坯时，锻锤的吨位应大些。锻锤吨位的选择见下表：
锻件重量/kg
10
20
30
40
50
80
锻锤吨位/kg
250
400
500
750
1000
2000

〔三〕锻造温度区间和锻后冷却。
模具毛坯的锻造温度区间和锻后冷却方式应依据模具材料的成分合理选择，始锻温度应使坯料具有高的塑性和低的塑变抗力，但温度也不宜过高，以免过烧过热，终锻温度应合计不引起锻裂或产生过大的内应力而不宜过低，但终锻温度过高，会引起晶粒长大等缺陷。
模具毛坯锻造后的冷却，原则上既要防止冷却过慢又要防止冷却过快产生过大的内应力，甚至造成裂痕，因此，锻完应及时将锻件埋入热沙或灰坑中缓冷。
常用热模具钢的加热、锻造温度及冷却方法见下表

钢 号
预热温度/℃
加热温度/℃
锻造温度/℃
冷却方法
始 锻
终 锻
3Cr2W8V
800
1120-1170
1050-1120
850-900
灰冷
H13
800
1120-1180
1070-1120
840-880
灰冷
5CrMnMo
800
1100-1180
1080-1150
800-850
灰冷
         〔四〕模具毛坯的锻造方式
1、基本锻造方式 为了改善模具毛坯中的碳化物的均匀性和流线分布的合理性，应采用轴向镦拔、横向镦拔和多向镦拔。
轴向镦拔是沿钢料轴向反复墩粗拔长。这种方法是组织最细密的钢材表面在镦拔后仍处于圆周表面，适用于工作部分沿圆周分布的重载模具，但是心部金属流动较少，组织改善效果较差。
横向镦拔是将钢料周向镦拔后转90度方向沿垂直于流线的方向作作多次镦拔成形。这种锻造方法是钢材原来的表面层处于模具的端面，且心部组织改善效果优良，因而适用于工作部分位于端面的模具，如压型冲头等。
多项镦锻综合了轴向、横向锻造的优点，是沿三维方向对钢料进行反复换向的锻造。这种方法易使钢料锻透，变形均匀，碳化物细碎，对组织改善程度高，因而是获得优质模具毛坯的最正确方式。这也是我们锻造冲盂冲头、收口模等模具最常用的方法。
2、热挤压模具的锻造特点
热挤压模具承受较大的机械载荷，这类模具的锻造目的之一是使热处理后获得高的强韧性，为此，应该用足够能量的锻锤，采纳一定的锻造方式，使模具毛坯的基本组织致密，碳化物颗粒细小均匀，同时应使流线合理分布，使钢料表层配置于工作部位，使流线方向和易断裂面垂直，使流线沿着型腔〔体〕表面连续分布。
关于工作部位处于圆周表面的模具，如各种冲盂模、收口模、成型模等，锻造时应使表面一定深度处的组织、碳化物得到细化，使流线沿锻坯的轴向或者径向分布，以便提升工作部位的强度并减小淬火时外圆及内孔的变形。
关于工作部位处于端面的各种压型冲头等模具，因采用变幻端面锻造或横向反复镦拔，使钢材表面层变幻至模具端部，同时使流线呈环状分布，使流线沿型腔轮廓分布，以便提升模具的强韧性。
综上所述，制定合理的锻造工艺，采纳正确的锻造方法是保证模具毛坯质量，提升模具使用寿命，降低生产成本的一个重要环节。随着公司军民品产品的升级换代，对模具的质量要求日益提升；随着各种模具新材料的使用，对模具毛坯的锻造技术要求也日益提升。我们要努力学习认真钻研国内外同行在模具钢锻造方面的新技术、新工艺、新方法，使我们模具钢的锻造水平上一个新台阶，为公司的发展作出一个锻工应有的贡献。

二〇〇九年十二月十八日