锻模的损坏及其延寿措施.doc

第18章 锻件的损坏及其延寿措施三、锻模的损坏形式和提高寿命的措施1、锻模的损坏形式（1）锻模破裂锤击时，锻模受到冲击载荷，当产生的内应力超过材料的强度极限时，首先从应力集中处发生破裂。从破裂的断口可以判断是疲劳破裂还是突然破裂。突然破裂主要与锻模没有正预热有关。（2）表面层热裂锻模在激冷激热的条件下，工作表面受到拉、压应力的交互作用，从而产生网状裂纹。表面网状裂纹并不一定影响使用，但若这种裂纹出现在圆角或沟槽的应力集中处，则可能成为破裂的裂纹源。（3）磨损模锻时金属在模膛中流动，与模膛表面强烈摩擦，造成模膛表面磨损，尺寸和表面状态均产生变化，达到一定程度即需要返修锻模。锻模的磨损是锻模损坏的正常现象，但是良好的设计和操作可以显著延长锻模磨损周期，设计者主要应考虑成形时如何有利于金属的流动，操作者应注意在模锻时及时润滑锻模模膛，清除氧化皮以及随时修复锻模表面的任何缺陷等。锻模的正常使用寿命见表8-16。表8-16 锻模的正常使用寿命模锻件锻件数、首次翻修前翻修次数锻件总数大和长的锻件3500310500凸轮轴类锻件5000315000中型连杆锻件10000440000凸轮类锻4）变形 在外力作用和温度影响下，模膛内局部软化而被压塌，使用模膛变形。造成模膛变形的主要原因是锻模温度升高，或者初始热处理硬度偏低。为避免锻模变形，模锻过程中应经常冷却、润滑锻模，不使锻件粘在模膛内，以免锻模局部温度过高。2、提高锻模使用寿命的措施锻模的使用寿命与很多因素有关。如锻模材料的组织和硬度，锻造温度和设备类型，锻模的结构设计以及锻模的冷却、润滑、使用等都直接影响锻模的寿命。为了提高锻模的使用寿命，应采用以下措施：（1）模具材料方面选用耐磨、抗氧化、红硬性高、热疲劳性能好的模具材料，并采用正确的热处理规范。对磨损严重的部位，可选用红硬性高的模具钢作镶块。（2）模具设计方面设计上应保证金属流动合理，夹角部位应采用圆滑过渡；选用合理的镶块结构；制坯工步要合理；可对模具表面进行强化处理；保证锻模有足够的承压面积。（3）使用方面在操作时必须严格按照规范预热、使用、冷却和润滑锻模。防止低温锻造，及时清除氧化皮，严禁重锤空击。（4）模具制造方面模膛表面应抛光，达到所要求的光洁度，避免磨削软化。18.1 锻模的各种损坏形式在锻造生产过程中，锻模寿命是一个很重要的问题。由于对模具的选材、设计制造和使用维护不当，常常引起大量锻模的过早报废。一、锻模的破裂锻模的破裂是较严重的事故。据国外统计，在压力机上锻造，锻模损坏中的60%为破裂；在锻锤上锻造，锻模损坏中的90%为破裂。锻模的破裂又分为冲击破裂和疲劳破裂。1、冲击破裂在一次打击或少数打击次数下的破裂为冲击破裂。冲击破裂一般是在较高的应力下的打击破裂，冲击破裂常常是以应力集中处（圆角、机加刀痕、材料缺陷等处）为起点，产生一条或两条裂纹，然后迅速扩展引起破裂。2、疲劳破裂锻模工作较多次数后易产生疲劳破裂。疲劳破裂是在较小的反复应力作用下，工作一定时间后，以应力集中处（圆角、机加刀痕、材料缺陷、磨损沟痕等处）为起点产生疲劳裂纹，裂纹出现后时进行逐渐深入扩大，发展到一定程度后突然断裂。二、热裂纹锻造时由于热毛坯与锻模接触及摩擦热的作用，使模具表面温度升高。模具表面受热时要膨胀，而模具内部及温度低处则膨胀少，因而阻碍了模具表面温度高处的膨胀，使之产生压应力。这种压应力常超过屈服极限而成为塑性压缩。当模具表面降温时，模具表面要收缩，此时受到模具内部一定的阻力，产生拉应力。模具表面的这种异符号交替变化的应力（压应力与拉应力），称为热应力。当热应力反复循环至一定次数后，有可能引起疲劳而产生裂纹，这种裂纹叫热裂纹。三、磨损磨损是模具与毛坯在高压相对摩擦和模具表面氧化所引起的结果，磨损易使模具表面变为不平或出现沟痕。四、塑性变形模具受热软化或受力较大的部位，易发生塑性变形，塑性变形为模具受力后发生的不可恢复的变形，即模具被压塌后行腔尺寸改变，有时使锻件难以取出。18.2 锻模的失效原因及其防止措施一、锻模的破裂原因及其防止措施1、材料方面（1）模具材料的韧性不足。应选用韧性较高的模具材料。（2）锻造不足锻造比不够，纤维组织引起的方向性严重时易使模具裂开。碳化物偏析的改善不够时业易裂。（3）热处理不当火温度过高，保湿时间过长时韧性不足，易使模具破裂。表面脱碳也会引起疲劳破裂。（4）硬度过高过低均易引起破裂防止冲击破坏时（锻少数锻件后的破坏），降低硬度会提高寿命（但过多的降低硬度易磨损或压塌）。防止疲劳破坏（锻多数锻件后的破裂）时，应有一适当的硬度，硬度过高过低都会引起疲劳破坏2、模具设计方面（1）圆角不够，因裂纹常由应力集中的圆角处产生，为了减少应力集中，型腔中的 圆角应取大一些，尤其是深槽中的圆角半径过小时易发生裂纹。（2）壁厚不足，模具应具有合适的壁厚（参考模具设计资料）。（3）矛锻模不良。矛锻模的设计应合理，以防止终锻模局部压力过大而产生裂纹。（4）毛边不足，毛边不足近于闭式模锻，模具易破裂。（5）纤维流线的排列方向，根据模具行腔的形状，当能判断出易裂的方向时，应使易裂方向与纤维方向交叉。（6）毛坯在行腔内流动不均匀，易使上下模接触产生破裂。（7）大变形的闭式锻造时，应留有挤出间隙来吸收已成形后的多余能量。（8）采用圆形凹模时。应采用与凹模过盈配合的矛紧补强外套。（9）应力集中处易破裂。在可能的条件下，应采用镶块组合模具，使应力集中处对合。3、机械加工方面（1）模具的行腔要十分光洁，尤其是圆角等应力集中处及应力较大的部分更要光洁，平滑，不可能有加工刀痕，磨痕，更不能有棱或沟。（2）磨削不要过热，磨削过热时轻则软化，重则出现磨削裂纹，易降低疲劳强度。（3）模具的尺寸精度不良，模具的平行度不良，有可能使上下模局部接触或载荷分布不均而引起破坏。（4）要防止模具与模套的不均匀接触，模具与模套采取带锥度的压配合时，应进行摩配，使圆锥面上的接触大于90%，而且上下要均匀接触。4、模具使用方面（1）模具的矛热不足，模具的 温度在200摄氏度以下时，韧性大为降低，因而易裂，必须很好的进行矛热。矛热温度应为200250摄氏度，冬季更应很好的进行矛热。（2）毛坯加热不足，加热温度过低时，锻件变形难模具受力严重易裂开。（3）润滑不良，润滑剂的目的是防止模具的磨损，减轻变形力及冷却模具，但是润滑油过多时由于燃烧形成的高压气体被挤至偶角处或被挤至已产生的裂纹中时，有引起破裂的可能。润滑剂必需均匀的在模具上涂上或喷射上薄薄的一层。二、锻模的热裂纹及其防止措施热裂纹的出现会促进磨损，促进破裂，使锻件表面光洁度变坏，并使锻件脱磨困难。如果模具受到急热急冷，热冷的温度相差很大，又可能产生极大的热应力使得模具早期破裂。1、模具材料方面高温强度高，韧性高，导热性好热膨胀系数小的材料抵抗热裂纹的能力强，实验结果指出，高温强度好的材料3Cr2W8V及奥氏体耐热钢较易出现热裂纹。看来对于抵抗热裂纹来说，韧性较高温强度更为重要。W系耐热模具钢（含W 5%10%）抗热烈性差，易出现热裂纹。在20600之间加热冷却2000次的实验结果指出，3W4Cr2V的抗热裂性优于5CrNiMo的抗热裂性优于5CrMnMo。Cr-W系（3W4Cr2V、3Cr2W8V等）模具钢的抗热裂性低于5%Cr系模具钢。3Cr2W8V的模具如果水冷会早期出现热裂纹，严重时会很快破裂，W系模具钢因韧性差不能水冷，因为这种钢调整了韧性与高温强度，热裂抗力很高。铸造模与锻造模相比有较高的热裂抗力及较高的耐磨性。为了提高热裂抗力，热处理时应避免晶粒粗大（韧性差）喝脱碳（降低疲劳强度）。2、模具设计方面（1）模具行腔应尽量避免尖角及细薄的突出部分，因这些部分易因过热和过冷而出现热裂纹。（2）模壁的厚度变化不应太大。3、机械加工方面（1）模具行腔表面不应残存加工痕迹，应进行磨削，抛光。（2）电火花加工所造成的异常层会促进热裂纹的产生。4、模具使用方面（1）模具的温度应控制好，模具的预热应彻底，必须预热至200250，5CrMnMo及5CrNiMo的耐用温度就更低了，美国的H11、H12和H13也只能用到550。温度再高时则软化，同时易热裂，因而模具温度最好通过冷却保持在300400，最高不能超过500。此时如还出现热裂纹时，应换用抗热裂性较高的材料。（2）应选用隔热性良好的润滑剂。润滑剂兼有冷却作用时，冷却应适当，要避免急冷急热。润滑剂不应过多，不得以液体状态残留于模具表面。三、锻模的磨损原因及其防止措施模具表面在高温时易于氧化，毛坯塑性变形时，沿着模具表面流动，因而产生磨损。在毛坯塑性变形流动不大而压应力较大部位的磨损是呈现凹凸不平的氧化磨损，而在毛坯塑性变形流动显著的部位，磨损使模具表面出现现状磨痕。1、模具材料方面模具材料的热硬性对磨损有很大影响。为了耐磨，应选热硬性高的模具材料。表1给出了我国的一些热变形模具钢的化学成分，5CrNiMo、5CrMnMo的热硬性不高，对于磨损严重的部位，必要时可用热硬性较高的模具材料来做镶块钨钒含量增高会提高硬性（韧性降低）含0.4%和0.3%。碳的热变形模具钢都有较高的热硬性（见表）。含0.4%碳的几个牌号钢都是较好的锻模钢，含0.3%碳的几个牌号的钢都是较好的热挤压模具钢。3Cr2W8V钢热硬性很高，但因含W高教脆，常用做锻模的镶块。4Cr5W2VSi经热处理后硬度可在HRC45以上有很高的热硬性。又由于5%Cr和1%Si的存在，有很高的抗氧化能力，作模具使用寿命较高。能在钢中形成碳化物的元素（Cr、W、Mo、V）对减少磨损起显著作用，这些元素对减少磨损的效果为2：5：10：40，及V的效果吸达Cr的20倍。2、模具设计方面（1）棱角部一般磨损比较严重，角部r应设计大些。（2）毛边不均匀流出时局部磨损严重，设计时应使毛边能均匀的向周围流出。（3）易磨损的部位应采用热硬性高的模具钢为镶块，镶块的硬度可以取高些。（4）模具表面可以镀硬质铬，或进行化，以增强表面的耐磨性，镀铬层厚度以0.060.08mm为宜，为了避免氢脆，应进行脱氢处理，否则模具易裂，镀铬可以使模具寿命提高，碳化层在高温下（550650）亦有较基体材料高的硬度，不仅增加耐磨性，还能提高疲劳强度。3、模具使用方面（1）锻造温度过低时，或由于加热不均匀而局部温度过低时，金属的变形抗力高，单位压力大，摩擦力大，磨损严重。（2）氧化皮对磨损影响很大。最好进行无氧化加热或少氧化加热，也可以采用刷子刷的办法，或用高压水（100170大气压）喷射的办法去除氧化皮。（3）连续生产时应该对模具进行冷却，以防模温升高，但为了防止热裂纹的产生，应避免急热或急冷，尤其是对韧性较差的材料（3Cr2W8V等）应注意防止进行水冷。润滑剂对磨损影响很大，应选择摩擦系数小，耐高温，无残渣，脱磨性好的润滑剂。（4）锤上锻造时，打击次数不能多，尽可能以高的速度，少的打击次数而成形。4、机械加工方面（1）模具的行腔表面应抛光。（2）避免磨削软化。四、锻模的塑性变形及其防止措施1、模具材料方面（1）应选择高温强度（即热硬性）高的模具材料。（2）模具的硬度过低或硬度不均匀易出现塑性变形。2、模具设计方面模具的单位压力过大时易变形，此时应加大接触面积。3、模具使用方面（1）要防止模具温度上升而软化，应进行冷却。（2）上下模应正确吻合，防止错移。（3）要防止锻件温度降的过低，应迅速进行锻造。18.3 锻模损坏实例一、1吨锤用锻模模具尺寸为350350450，在1吨锤上锻造零件，在模具燕尾圆角处及行腔最深槽圆角处产生裂纹，两处裂纹发展而重合，如图18.1所示。图18.1经调查，模具各处硬度均匀合格，显微组织，热处理温度正常。但燕尾端部平面与锤头端面接触不良，行腔圆角附近有多数深度约为0.8毫米的微细热裂纹。经分析，由于燕尾端部平面与锤头端面接触不良，则燕尾圆角与模具行腔圆角处受到过大的应力集中而引起疲劳破裂。圆角附近的热裂纹更加强了圆角处的应力集中。解决办法是燕尾端平面与锤头及沾座端面必须近于全面接触，燕尾r部及行腔r部必须光洁圆滑，不能有加工刀痕。在锻造前应矛热模具。二、750公斤空气锤用锻模尺寸为300300300模具用750公斤空气锤锻汽车零件，通常寿命为12000件，这次锻到2500件时，在模具行腔镀硬质烙的圆角部产生了破裂。经检查发现，裂纹几乎直达燕尾端面，行腔底部有的部位的镀硌层呈麻点状。模具的内外硬度均匀，但是由行腔表面至深0.1毫米处，由于模具的升温，硬度有些下降。裂纹起点部位的行腔表面的镀珞层约为10u，镀珞层内有大量的微小裂纹。裂纹甚至扩大至模具的内部，模具磨损严重的部位，镀珞层已经脱落。内部组织正常，无异常现象。分析后，认为由于镀络层后去氢处理不充分，镀层内发生细微裂纹。在应力集中较大的圆角尖棱处（由于加工不良所造成）裂纹发展扩大甚至破裂。解决办法是镀络层后应充分进行脱氢处理，同时行腔圆角半径应加大，圆角处应光洁。 三、压力机用锻模利用电火花模具时，如果处理不当易引起早期模具破裂。一压力机模具予定寿命为5000件，但在锻造1000件后产生破裂。检查其显微组织，发现由于电火花加工，表面存在有50u厚的融化再凝固层，其内部产生有许多微细裂纹。这种微细裂纹产生应力集中，发展到内部而引起破裂。所谓熔化再凝固层是电火花加工时所形成的一种变质层，是当电火花加工时，放电瞬间产生的高热高压使模具表面熔化或气化，其未飞散的熔化部分，冷却后凝固成硬脆的再凝固层，易产生裂纹。为解决这种损坏问题，通常可采用放慢电火花加工速度，使电弧放出的能量较少，电火花加工变质层较薄，或采用办法除掉这种变质层或进行再回火软化变质层等办法来解决。四、600吨压力机用锻模一台600吨压力机用模具（材料为c0.4% cr5.15% ,w1.25%,mo1.4%,v0.35%）予定寿命为15000件，但在锻7000件后，发生早期磨损。经检查，模具内部硬度符合要求hrc4547，表面硬度为hrc26。观察在其磨损部的显微组织，发现有白色层，白色层是锻造时由于温度上升而引起的热影响层，磨损处有许多热裂纹。热处理情况正常。分析结果认为，早期磨损的原因是模具表面温度过高（估计表面温度在700750摄氏度），热裂纹过早产生，随着模具的表面软化及热裂纹的增加，引起早期磨损。防止措施是改进冷却方法，过去是从模具底部进行冷却，因而行腔表面冷却不足，可改为直接对行腔表面喷射水溶性石墨进行冷却，同时可选用高温强度高，耐磨损和抗热疲劳性能较好的材料。18.4 提高锻模使用寿命的措施一、电沉积耐磨层使锻模延寿为了提高模具寿命，把整个模块采用更好的模具材料不是一种经济的办法，即使材料费用增加不多，也会使模块的热处理工序复杂和行腔制造困难，总的模具费用也就增加了。合理的办法是采用某种表面涂层，使模具寿命提高。有许多种涂层处在实验之中，例如电沉积络，电沉积钻为基本的碳化络质点，金属的喷涂涂层，表面渗络和渗氮等。其中最常见的是电沉积络，但在使用中反应并不一致，有的延长模子寿命，有的在高应力区域发生过早的破坏。几年来英国f.a.still和j.k.dennis等人研究在模具表面电沉积钻栗钻钼钻钨合金涂层的方法。1975年以来已经投入工业性试用，所用模块的材料范围比较广泛，从5crnim钢（英国的bs224,no.5）到12%cr刚都有。鉴于热锻的工作条件恶劣，要使涂层在模具表面上附着牢固，模具表面要进行镀前处理，工序步骤如下：（1）在普通的热碱溶液中阳极处理，85摄氏度，4a/dm.（2）水中清洗。（3）在50%浓度（体积比）的盐酸中浸泡。（4）水中清洗。（5）在普通的氰化物清洗溶液中阳极处理，室温下，4a/dm.（6）水中冲洗。（7）在20%浓度（体积比）的硫酸溶液中浸泡。（8）水中冲洗。（9）在50%浓度（体积比）的硫酸溶液中阳极腐蚀，6.5v（大约60a/dm），直到外表为银白色为止。这是一个很重要的步骤，对络栗钼模具钢需要一分半钟。（10）水中清洗。（11）在普通氰化物清洗溶液中阳极处理，室温，4a/dm.（12）水中清洗。（13）在20%浓度（体积比）硫酸中浸泡。（14）水中清洗。（15）在合金溶液槽中进行耐磨涂层的电沉积，4a/dm,ph1.52.0,55。模子在完全的热处理状态下电沉积，如果要保证修磨以后任有75微米的涂层厚度，电沉积的时间大约需要8小时。采用的涂层厚度一般是25至75微米。进行电沉积钴栗，珞，钴鉧和钴钨合金的研究，钴鉧和钴钨溶液成分及工艺参数见表1。基本合金溶液使用之前需要净化，初步实验证明，使用净化的基本溶液所得的镀层比未净化的耐磨，净化的步骤如下：（1）碳处理，去除有机杂质。（2）几天的低电流密度镀析出金属杂质，为此母的，用装在钛质篮子中的电解钴片作为阳极。（3）加入钼酸钠或钨酸钠。（4）在镀锡几小时去掉由于加入钼酸钠或钨酸钠所带来的杂质。配制基本溶液之前，最要紧的是净化庚酸钠，其方法是把其热的饱和溶液碳处理后再结晶，使用未净化的庚酸盐会得到高压力的易裂开的沉积涂层。涂层的耐磨试验首先在上下都是平板的模子间敦粗电加热的软钢圆柱体，试验是在专门设计的试验设备上进行。平板模的材料采用5crnimo钢。把高19毫米的圆柱体敦粗到6.3毫米，敦粗1000个试样以后进行耐磨性的比较。受到磨损的环形区域叫磨损环。各种模具钢和涂层的磨损指数值见表2.比较表2中的数据可见；带有钴钼涂层的耐磨性比无涂层的模具钢显著提高（m12和m14），其磨损量仅为模具钢的12%。M12和M14的溶液中含有100克/升的庚酸钠充当络合剂.含量为200克/升的效果不好。钴钼涂层的耐磨性可能与涂层内高的钼含量有关，锻造试验过程中钴钼涂层上不产生氧化皮，仅在下模中央区域粘上一点氧化皮，它是圆柱试样上被压粘在模具表面上的，钴钨涂层（W2和W3）也含有较高的合金元素，具有很好的耐磨性，也不产生氧化皮。表2上还列出其它种合金模具钢和其它种涂层的磨损数据，其中气体渗铬工艺使钢中的碳和铬化合成碳化铬，在表面上形成耐磨性能极好的涂层，不过渗个涂层容易在中央区域形成严重的裂纹。试验后的钛钼和钴钼涂层也有裂纹发生，钴钨涂层的裂纹轻微的延伸到基底金属中。专门设计了加热周期试验，模拟热模锻的工作过程，研究加热周期对裂纹形成的影响。其试验结果和敦粗试验结果是一致的。为了在比较接近实际锻造条件下试验涂层，把敦粗试验的上模做成图3-3表示的形状，放置试样的中央区域做成凹下的，它的四周有一环形凸台相当于毛边桥，模块温度接近250，敦粗的压力应能使毛边厚度为3毫米，磨损的数值用Talyroud仪器延毛边桥测量。所有带涂层的模子都比没有带涂层的好，比较显著的是W2涂层，涂层内含有10%的钨，某些涂层在平板模上试验结果尚好，在有“行腔”的模子上试验却不理想。根据试验性行腔模试验结果，选用两种合金层（W2和W12）在工业生产的模具上试用，模子都是镶块式的，受到现有的电沉积槽子尺寸的限制，模块尺寸不超过25公斤。模子分锻锤上的和压力机上的两种，模具材料从5CrNiMo到12%铬钢都有。从1975年以来共试验25付模子，有的已经有结果。模具形式见图34.表3表示试验结果。可以看出模具寿命有重大改善。最小的增加24%,从这些有限的试验中可以看出来，似乎压力机上的模子的寿命比锻锤的长些，这可能由于压力机撒谎能够锻造工序的控制比较精确。模块上行腔的形状影响模具寿命，压力机上锻模的圆形模腔应力分布比形状复杂的锻锤模均匀。所有模具都是因磨损而引起报废，没有见到因裂纹引起损坏的，初步有限的试验结果是令人鼓舞的，工业性试验继续在进行。二、盐浴渗硼提高模具寿命渗硼是现代化学热处理方法之一。钢件经渗硼后表面具有其他化学热处理方法难以达到的极高硬度（HV12002000kg/mm）,并具有高的耐磨性和好的红硬性（在800以下），而且在某些酸类（盐酸，硫酸）和碱内具有良好的耐蚀性。因此，普通的碳素钢或低合金钢经渗硼可以代替一部分铬栗不锈钢和耐热合金。对于仅要求表面高硬度，能耐磨，耐蚀，而对机体材料没有特殊要求的零件或空粗钢的零件，渗硼后无需进行热处理。渗硼能够提高产品和工具质量，延长其使用寿命，这对于充分利用我国膨化物的丰富矿藏，节省我国稀缺的铬和栗，多，快，好，省的建设社会主义具有较大的意义。渗硼可分为固体法，气体法和液体法。1、盐浴渗硼工艺的初步确定（1）盐浴成分的选择采用渗硼盐浴的基本是工业工业硼砂。硼砂在熔融状态下发生部分热分解，其反应式为：Na2B4O7Na2O+2B2O3盐浴内有反应产物B2O3存在,进而可以用活泼元素对它进行还原,取得活性B原子,而B原子被工件吸附后向内部扩散达到渗硼的目的。其反应式为： B2O3+活泼元素的氧化物+BFe+BFeB或2Fe+BFe2B从热力学的观点看,硅钛铝镁锂,钙等元素在高温下均可还原出B2O3中的B.图35示出了这些元素在7001200摄氏度范围内,氧化物生成的自由能。硅，钛，铝，锂，钙的还原能力是依次增加的。根据上述原则，我们做了以硅钛，硅钙合金和铝为还原剂的三种盐浴的试验。（渗硼温度为950，保温时间为5小时），不同成分的盐浴，在相同的工艺条件下，其试验结果是不同的。如图1所示：从表1中可以看出：用以Si-Ca为还原剂的盐浴渗硼时，渗层虽然很厚，但盐浴的流动性差而且难以清洗。以A1为还原剂的盐浴较好，但当加入Na2CO3以后，渗层变薄，而且盐浴渣多。以SiFe为还原剂的盐浴流动性还好，试验的渗硼层也较厚。综上所述，我们认为以下三种盐浴都可以用于盐浴渗硼：1）