精铸热锻模具钢的强韧性与早期脆断.docx

精铸热锻模具钢的强韧性与早期脆断rel atio n of early brittl e fracture with strengthand to ughness of cast d ie steel扁王树奇洪苗润生(江苏大学 材料学院 ,镇江 212013)hon g bia nwan g shuqimiao run she ng( school of materials science and engineering , j iangsu university , zhenjiang 212013 , china)摘要 通过精铸热锻模的应用及对失效形式 、工况条件的分析和性能测试 ,探讨精铸热锻模具钢的强韧性与早期脆断的关系 。结果表明 ,精铸热锻模早期脆性断裂往往是由于热处理不当和操作不合乎要求引发的内应力与显微裂纹等 所致 ,精铸热锻模具钢低的冲击韧度不是导致早期脆性断裂的根本原因 ,通过材料和工艺的改进 ,精铸热锻模早期脆性断裂是可以避免的 。关键词 热锻模 铸钢 强韧性 早期断裂 中图分类号 tg142. 12 tg111. 91abstract early brittle fracture is an important failure pattern of cast dies , which leads to lower life and instability of cast dies. through application of hot2forged cast dies ,analysis of operating modes and failure and evaluation of properties , the relation of early brit2 tle fracture with strength and toughness of cast die steel was studied and the real cause of early brittle fracture found. in most cases , ho2t forged dies bear small2energy muti2impact load. such load usually results in impact fatigue fracture , but not early impact fracture . cast dies generally possess relatively high service life because of its high resistance to fatigue crack propagation. the early brittle fracture is attributed to internal stress and micro2crack resulted from abnormal cases , such as abnormal heat2treatment and operation. low impact toughness of cast die steel is not essential cause of early brittle fracture . through the improvement of materials and processes , early bri2t tle fracture can be avoided.key words hot f orged die ; cast steel ; strength and toughness ; early brittle fracturecorresponding author : hong bian , e2mail : miracle8980 sina. com , fax : + 86 2511 28791919the project supported by the pre2industrialization project of key2technology study and complete2sets equipment exploration fromstate development and reform commission (no . 1999317) .manuscript received 20030711 , in revised form 20031013.为依据的锻造模具选材的传统方法 ,而忽略了工况 、失效形式的影响 ,直接影响精铸模具的材料及工艺选择 ,导致精铸模具使用上质量稳定性差 ,无法发挥铸造材 料在锻模上使用的优势 ,直接影响精铸热锻模的广泛 应用和寿命提高 ,是精铸热锻模应用中急待解决的关键性问题 。在大量精铸模具现场应用结果和失效分析的基础 上 ,通过对热锻模使用工况分析和性能测试 ,探讨精铸 模具的早期脆断与铸钢韧性的关系 ,发现精铸模具可以通过材质及工艺调整提高寿命 ,并达到寿命的稳定 ,避免早期断裂 。1 引言精铸热锻模由于材料利用率高 、切削加工量小 、生产周期短 、成本低 、寿命高等优点 ,目前在国外已成为 一种重要 的 模 具 制 造 方 法 而 得 到 较 广 泛 的 应 用1 ,2 。虽然精铸模具使模具的制造成本大大降低和使用寿命的提高 ,但由于铸造材料明显的高强度 、低韧性 ,一直 是精铸模具在应用上的难点3 ,表现为寿命的不稳定 、 早期脆断等等 ,同时对精铸模具使用的安全性问题产生忧虑 ,这些因素从根本上阻碍了精铸模具在国内的 广泛应用 。精铸热锻模材料和工艺的选择仍延用以 hrc 、k 20030711 收到初稿 ,20031013 收到修改稿 。国家计委产业化前期关键技术与成套设备研制开发项目 (1999317) 。 洪 扁 ,男 ,1981 年 2 月生 ,安徽省安庆市人 ,汉族 。江苏大学材料学院硕士研究生 ,研究方向为精铸模具新材料及应用 、摩擦磨损 。 王树奇 ,男 ,1962 年 12 月生 ,吉林省吉林市人 ,汉族 。江苏大学材料学院教授 ,博士 ,主要研究钢铁的强韧化 、精铸模具新材料及应用 、复合材 料等 ;承担 、参加并完成国家 、部省级等科研项目近二十项 ,在国内外著名刊物和会议发表科技论文五十余篇 ,其中被 sci 、ei 收录十余篇 ,获省级奖励两项 。第 26 卷第 4 期洪 扁等 :精铸热锻模具钢的强韧性与早期脆断437用能谱扫描测量模具各部位微区的化学成份 。2 研究方法2. 1 精铸模具制造化学 成 分 范 围 确 定 为 (wt %) , 0 . 1 %c 0 . 5 %c ,3 . 0 %cr 5 . 0 % cr , 1 . 0 %ni 2 . 0 %ni , 1 . 0 %mo 3 . 0 %mo ,0 . 2 %v1 . 0 %v 。采用 2 500 n 中频感应电 炉不氧化法炼钢工艺 ,1 600 插 al 脱氧后出钢 ,包内 加入 ti 、nb 、re 、ca 等进行孕育和变质 ,并在包内吹 n2精练 ,采用锆砂 v 法精铸热锻模具毛坯 , 经强韧化热 处理 ,最后精加工成热锻模具 。2. 2 精铸模具的使用锻压设备为 31 500 kn 锻压机和 20 000 kn 锻压机 。 工 作 前 模 具 预 热 至 150 200 , 毛 坯 加 热 至1 200 ,终锻温度不低于1 100 ,先预锻后终锻 ,坯料 与模具接触时间 2 秒左右 ,每锻制一件 ,对模具表面喷洒水胶基石墨冷却润滑剂一次 。2. 3 试样制备及分析从失效精铸模具上 ,采用无齿锯和线切割结合切 取试样 ,磨削加工消除热影响区 ,制备硬度 、冲击试样10 mm 10 mm 55 mm (u 型缺口) 、断裂韧度试样 10 mm 20 mm 100 mm 、断 口 扫 描 试 样 等 , 进 行 失 效 分析 。采 用 xj g20 . 5 型 光 学 显 微 镜 、扫 描 电 镜 ( amra21000b) 进行组织观察及模具表面与断裂断口分析 ,利3 结果分析与讨论表 1 示出部分精铸热锻模使用寿命 、失效及性能 。其中有二例为早期一次脆性断裂 ,一是倒车齿轮模具 经 1 700 件锻打停顿后 , 再次锻打时出现冲击脆性断 裂 。这是由于模具经 1 700 次打击后在应力集中处已 萌生疲劳裂纹 ( 图 1) ,在停机后 ,再使用时预热不足 , 导致模具韧度不足 ,二次打击后在裂纹萌生处发生失稳扩展导致一次脆性断裂 。二是五速齿轮锻模经24 次锻打后出现冲击脆性断裂 。通过分析发现为热处理 回火不充分 ,淬火内应力未消除 ,在模具应力集中处由 内应力和冲击载荷共同作用下 ,加上硬度 ( hrc48 . 550) 过高 、韧性差 ,导致冲击脆性断裂 (图 2) 。由表 1 可见 ,冲击韧度与早期脆性断裂并无一一对应关系 ,如半 轴法兰盘锻模低的冲击韧度 (5 jcm2 7 . 5 jcm2 ) 并没 有 引 起 早 期 脆 性 断 裂 , 相 反 具 有 较 高 冲 击 韧 度(7 . 8 jcm2 13 . 9 jcm2 ) 的 倒 车 齿 轮 锻 模 和 五 速 齿 轮 锻模却出现早期脆性断裂 ; 无疑低的冲击韧度易促进早期脆性断裂 ,但低的冲击韧度不是导致早期脆性断 裂的根本原因 。其根本原因主要是由于热处理不当和 操作不合乎要求引发的内应力与显微裂纹所致 ,而通 过 材 料 和 工 艺 的 改 进 后 , 大 量 精 铸 模 具 ( 共66 套 ) 的表 1 热锻模具的性能 、寿命和失效形式properties , lives and fa ilure patterns of hot2f orged diesta b. 1(mpam12 )(jcm2 )序号模具名称钢种hrck寿命 ( 锻件数)失效形式k c1半轴法兰盘锻模护刃器锻模 连杆锻模 倒车齿轮锻模 五速齿轮锻模 五速齿轮锻模五速齿轮锻模铸钢铸钢 铸钢 铸钢 铸钢 铸钢锻钢434630324749394148504649444757 . 57 . 513 . 58 . 913 . 915207 . 8121130253336. 9040 . 2032. 6538 . 4031. 8337 . 8952. 6964 . 5337. 4540 . 805 800多冲开裂多冲开裂 磨损 脆性开裂 脆性开裂 多冲开裂多冲开裂23 00036 38041 7005461 60075 500(a) 断裂表面(a) fracture surface( b) 微观扫描( b) photograph of sem图 1精铸热锻模应力集中处的显微裂纹fig. 1 microscopic cracks in stressconcentration of cast die图 2精铸热锻模的早期脆断fig. 2 early brittle fracture of cast die 1994-2014 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 438机械强度2004 年则需提高回火温度 5 。因此 ,可以推断具有高强度 、低塑性精铸热锻模完全可以满足热锻模使用工况下的应 力状态 ,具有高的使用寿命 。而 k 、kc 仅 是 典 型 工况下的强韧性的两种表征值 ,不能代替热锻模工况条 件下强韧性指标 。综上所述 ,铸造材料相对锻造材料虽然冲击韧度 较低 ,但已满足锻模工况的韧度要求 ,早期脆性断裂是可以避免的 ,其断裂多为热处理及操作不当而产生的 。 在正常情况下 ,不论锤锻模还是机锻模 ,模具所承受的 为小能量多冲疲劳载荷 ,不足以使模具发生一次冲击 脆断 ,而多为冲击疲劳断裂 。由于铸造材料具有较高 的疲劳裂纹扩展抗力 ,使其冲击疲劳破断寿命较高 ,在最终破断之前通过锻件出模情况极易判断模 具 的 失 效 。即使在特殊情况下 ,模具发生一次冲击脆断 ,由于 模具均有螺钉把持于底座上 ,并未发生模具碎裂或断 裂后断裂部分飞出等不安全情况 。可以说虽然精铸模 具的冲击韧度较低 ,但已满足锻模工况的需要 ,使用精铸锻模是安全的 。使用均未出现早期脆性断裂 ,多数的脆性断裂为寿命较高的冲击疲劳断裂 。因此 ,通常认为早期脆性断裂 是具有较低冲击韧度的精铸模具固有的失效形式的概念是完全错误的 。 一般认为早期脆性断裂取决于材料的脆性断裂抗力 。提高精铸模具的脆性断裂抗力途径是改善铸造材 料的强韧性 ,即材料在破坏前吸收能量的大小来恒量 , 在常规性能指标中 ,一是冲击韧度 k ,即在冲击载荷下标准冲击试样 (10 mm 10 mm 55 mm ,u 型缺口) 断 裂所吸收的能量 ,另一是断裂韧度 kc 含有裂纹 体的材料 ,在失稳断裂时所吸收的能量 。在锻模生产中 ,一般将 k 作为韧性的性能指标 ,2锻模 用 钢 要 求 k 30 jcm , 而 对 铸 造 模 块 k 20 jcm2 4 。但实际工况条件下 , 模具的失效形式即不 是一次冲击载荷下的断裂也不是静载下的裂纹失稳扩 展 。从表 2 示出的不同锻压设备的加载速度可见 ,摆 锤式冲击试验时加载速度 ( 约为 5 ms7 ms) 与锻锤 的加载速度相近 ,远高于锻压机的加载速度 。在加载 速度上 ,k 近似体现锤锻模的使用工况 ,但与锻压机 工况相差较大 ;实际上模具单位面积所承受的载荷远 小于冲击试验机上的载荷 ,因此正常情况下不能使模 具在少数几次冲击下发生破断 ; 同时也不是静载荷下 含裂纹体模具的失稳扩展 ,而是一种小能量的多冲载 荷下的破断 。即裂纹的萌生 (或已存在微裂纹) 及裂纹 的扩展 ,最终失稳断裂 ,因此无法用 k 、kc 准确代表 锻模材料韧度 。表 2 不同锻压设备的加载速度ta b. 2 loa d2a pplied speed of different f orging equipments ms4 结论1) 精铸热锻模的早期脆断往往是由于热处理和 操作不当引发的内应力和显微裂纹所致 ,不是精铸热 锻模必然出现的失效形式 。2) 冲击韧度与早期脆性断裂并无一一对应关系 ,低的冲击韧度不是导致早期脆性断裂的根本原因 。3) 虽然精铸模具的冲击韧度较低 ,但已满足锻模 工况的需要 ,使用精铸锻模是安全的 。references气锤高速锤曲柄压机摩擦压力机水压机1beeley p r. cast steels for tools and dies : a review. the brithish foundry2man , 1986 , (11) :441445 .he j unjie , lan jie , zhai chunquan , ding wenjian. precision casting technology of dies. foundry , 2000 ,49 ( 3) : 156159 ( in chinese) ( 贺俊 杰 ,兰 杰 ,翟春泉 ,丁文江. 模具的精密铸造技术. 铸造 , 2000 ,49 (3) :156159) .lan jie , he j unjie , wang qudong , ding wenjian. study and utilization of cast dies. special casting & nonferrous alloys , 1999 , (1) :125128 ( in chinese) ( 兰 杰 ,贺俊杰 ,王渠东 ,丁文江. 铸造模具的研究与应用. 特种铸造及有色合金 , 1999 , (1) :125128) .feng xiaozheng , l i shiwei , wu wei yang , he shi yu. die steels and heat treatment . bejing : mechanical industry publishing house , 1984 . 530537 ( in chinese) ( 冯晓曾 , 李士玮 , 武维扬 , 何世