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牛人总结,热作模具的失效形式及原因 !

热作模具主要包括热锻模、热冲裁模、热挤压模、压铸模等。热作模具工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦,以及剧烈的冷热循环引起的热应力和高温氧化等,常出现变形及塌陷、断裂、热疲劳、热磨损和腐蚀等失效形式。

变形和塌陷


其是指在高温下毛坯与模具长期接触后,致使模具表面受到不同程度的过度回火而被软化,引起强度降低而发生塑性变形。对于钢铁材料成形模具,当其表面软化后硬度低于30HRC时,容易发生变形而引起塌陷。工作载荷大、工作温度高的热挤压模和热锻模凸起部位易产生此类失效。

断裂


断裂是指在材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现失稳态下的材料开裂,包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂。

引起早期断裂原因主要有:锻压操作失误,引起模具过载;模具加工质量不佳,降低了承载能力;模具设计不合理,产生应力集中;模具选材不当;模具热处理不当等。

热挤压冲头、热锤锻模(燕尾部)及模具凸起部位、根部等易出现断裂失效。疲劳断裂是指在较高循环应力作用下,在模具型腔表面萌生疲劳裂纹并扩展,最后发生失稳扩展造成断裂失效。

热疲劳


热疲劳又称冷热疲劳或龟裂,其是指模具工作时,因模具型腔表面存在较大的温差和急冷急热的作用,使模具表面产生较大的热应力,当温度反复变化时这种热应力也随之变化,加上承受较大机械载荷作用,使压铸模、热锻模等易出现热疲劳裂纹,此裂纹属于表面裂纹,一般较浅,在机械应力作用下向内部扩展,最终产生断裂失效。

热磨损


其是在机械载荷与热载荷的共同作用下,在型腔表面形成复杂的磨损过程。热作模具的磨损主要以表面疲劳磨损为主,因工况条件的不同,常伴随有黏着磨损和磨料磨损。磨损表面的破坏特征主要有刮伤、沟槽、麻点和剥落等。相对运动剧烈和有凸起部位的模具如热挤压冲头等易产生热磨损失效。

腐蚀


腐蚀是热作模具特有的损坏形式。腐蚀包括冲蚀、熔蚀及侵蚀等。压铸模在工作过程中,熔融金属被注入型腔时,被炽热金属液冲刷的模具部位,易发生冲蚀。这是在高温下模具受到液体金属的物理和化学作用,在模具表面产生的腐蚀现象。热锻模腐蚀部位通常在型腔内的局部区域。除了冲蚀外,在液体金属与模具表面直接接触的部位也会产生侵蚀及熔蚀,通常把它们归纳为冲蚀。压铸模比热锻模容易形成冲蚀。受到冲蚀的模具易导致其早期失效。


实例

5CrNiMo钢制摆辗成形模失效分析。


(1)原因分析

摆辗成形模凸模(见图2),用于设计最大压力为12500kN摆辗机上。在模具服役过程中,主要失效形式有凸模(工作)表面热疲劳和凸模(工作)表面环状波纹变形。模具在生产300件产品时,明显可见表面热疲劳;模具在生产800件产品时,工作表面出现明显的环状波纹变形。

图2  摆辗成形模凸模简图


通过分析发现,生产中为了防止热锻模型腔表面发生高温回火而导致硬度降低,在每加工一件产品后都要进行喷水冷却,这种冷热交替方式,使热锻模型腔表面在交变热应力的作用下产生热疲劳。模具经过一段时间工作后,表面强度降低,最终产生环状波纹变形。

(2)对策

通过调整热处理工艺,改善模具组织,提高材料性能。具体改进工艺如下。


1)淬火前增加正火工序。淬火前增加910℃正火工序(见图4),其目的是细化原始组织和碳化物,为下一步降低淬火温度做好组织准备。


2)亚温淬火。原热处理工艺(见图3)淬火温度为860℃,淬火组织以针状马氏体为主,材料的断裂韧性不足,对此采用770℃淬火 +500℃回火的强化处理工艺(见图3),770℃是5CrNiMo钢的临界温度(Ac3),奥氏体刚形成,晶粒细小,含碳量低,淬火后得到较多的低碳板条状马氏体,其中有些细小的铁素体,但由于数量少且分布均匀,故对强度影响不大,但却提高了热锻模的韧性。由于晶粒细化,晶界数量增多,使微裂纹扩展受到较大阻力。

图3  原热处理工艺


图4  改进热处理工艺

(3)模具寿命

经上述工艺处理后,模具寿命显著提高,平均一副模具已能摆辗5000件。


来源:热处理生态圈

作者:金荣植

来源:机械工业出版社

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