（材料加工工程专业论文）提高热锻模寿命的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 热挤压是将坯料加热到再结晶温度以上，而后把加热的金属放入模具型腔内， 在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属产生巨烈的塑性变形，从而获得所 需形状的工件。通常包括加热坯料润滑模具坯料变形三个步骤，在这个循环 过程中，模具将受到反复的机械载荷和热载荷的作用，最终引起模具失效，其中 常见的失效形式有：开裂、磨损、变形、腐蚀、热疲劳和机械疲劳。其中最容易 发生失效的位置是承受载荷较大的接触面和润滑、散热不理想的区域。 在热挤压过程中，模具表面所达的最高温度和温度的分布对模具的失效有十 分重要的影响。模具表面的温度升高将使其硬度下降，而温度的波动将引起模具 尺寸的变化，在冷却液对模具激冷和坯料对模具激热的交互作用下，模具内部受 到拉伸和压缩的热交变力的作用，从而引起变形、甚至开裂。 本文以万向节叉热挤压凸模为例，用d e f o r m 3 d 软件对表层温度进行了系统 的模拟分析，研究了坯料温度、摩擦因子、压机速度、模具初始状态对其表层温 度场的影响规律。最后利用最小二乘法对模拟结果进行曲线拟合得出了模具表层 温度与工艺参数之间的函数关系，给出了数学表达式。为提高模具的使用寿命、 优化模具表面结构提供了理论依据。 合理的热处理、表面处理工艺是提高模具寿命的关键。在模具表面涂覆硬化 层，可抵消部分热扩散的影响，防止模具过早软化。物理气相沉积( p v d ) t i n 涂层 常因基体太软不能给啊n 硬涂层以支撑及涂层与基体的匹配性不好，致使涂层难 以发挥作用。故人们提出了复合处理的方法，即在涂层与基体之间增加一个过渡 层，达到合理的硬度、组织成分、结合力匹配，以充分发挥t i n 涂层的潜力。本 文以万向节叉凸模为例，分析了表层氮化+ t i n 复合涂层对其使用寿命的影响。 今后对模具的要求将更严格，为使之寿命更长，对热处理、表面处理的期待 将愈来愈高。 关键词：热挤压，有限元，数值模拟，物理气相沉积，复合处理 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t r e q u i r e dp a r ti so b t a i n e db yh o te x t r u s i o ni nt h ec o n d i t i o nt h a tm a t e r i a li sp u ti n t o d i em o d e la f t e ri t st e m p e r a t u r ei sh e a t e dh i g h e rt h a nr e c r y s t a lt e m p e r a t u r ea n dt h a t h u g ep l a s t i cd e f o r m a t i o ni sp r o d u c e db yp o w e r f u lp r e s s u r ea n dv e l o c i t yo fa h o tf o r g i n g m a c h i n e g e n e r a l l yt h ep r o c e s si n c l u d e st h r e es t e p st h a ti sh e a t i n gm e t a l ，s m o o t h i n gd i e ， d e f o r m i n gm a t e r i a l i nt h i sc y c l ep r o c e s si n v a l i d a t i o no fa d i es h o u l db eb r o u g h td u et o m e c h a n i cl o a d i n ga n dt h e r m a ll o a d i n gb e t w e e nd i ea n dw o r k p i e c e f a m i l i a ri n v a l i d a t i o n s h a p e si n c l u d ec r a c k ，w e a r , d e f o r m i n g ，e r o d e ，f a t i g u ei n t h ec o n d i t i o no fh o to r m e c h a n i cl o a d i n g , t h em o s tp o s s i b i l i t yi n v a l i d a t i o nr e g i o na r es u f f e rh i g h e rl o a da n dt h e r e g i o nw h e r en ob e t t e rl u b r i c a t i n ga n dd i s p e l l i n gh e a t i nt h eh o te x t r u s i o np r o c e s s ，t h em a x i m u mt e m p e r a t u r eo ft h es u r f a c eo ft h eh o t f o r g i n gd i ea n dt h ed i s t r i b u t i n go f t e m p e r a t u r ei nt h eh o tf o r g i n gd i eh a sm a i ne f f e c t so i l t h ei n v a l i d a t i o no f ad i e t h eh a r d n e s ss h o u l dd r o pw h e nt h et e m p e r a t u r eo f t h es u r f a c e i n c r e a s e t h es i z eo fad i ec h a n g e sw h e nt h et e m p e r a t u r ef l u c t u a t e s t h ed i ed e f o r m e v e nc r a c kd u et or e p e a t e de f f e c t sb e t w e e ne x t e n da n dc o m p r e s si nd i ep r o d u c e sb y r e p e a t e do p e r a t i o nb e t w e e nd i ea n dc o o l i n gf l u i d i np r e s e n tp a p e rt h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f t h eh o te x t r u s i o nd i eo f u n i v e r s a lj o i n t s a sa ne x a m p l ew a sc a r r i e do u tu n d e rd e f o r m 3 ds o f t e f f e c t so ft h em a t e r i a l t e m p e r a t u r e , f r i c t i o n a lc o e f f i c i e n t ，t h ev e l o c i t yo ff o r g i n ge q u i p m e n ta n dt h eo r i g i n a l c o n d i t i o no fd i e so nt h es u r f a c et e m p e r a t u r ew e r ei n v e s t i g a t e d ；t h em a t h e m a t i c a l e x p r e s s i o nb eg i v e no u tb yc u r v ef i t t i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tb a s eo nt h ep o l y n o m i a l l e a s ts q u a r em e t h o di nm a t l a bt of i n do u tt h er u l e n er e s u l to ft h er e s e a r c hh e r ec a n p r o v i d er e f e r e n c ef o ri m p r o v i n gt h el i f eo fh o tf o r g i n gd i ea n do p t i m i z i n gt h es t r u c t u r e o f s u r f a c eo f d i e 。 i no r d e rt oi n c r e a s et h ed i el i f e p r o p e rh e a tt r e a t m e n ta n ds u r f a c et r e a t m e n ti st h e k e y t h es o f t e n i n go fad i ew o u l db ep r e v e n t e db yc o v e r i n ga c r u s tl a y e ro nd i es u r f a c e t oc o u n t e r a c te f f e c t so ft h e r m a ld i f f u s e t h ec o a to ft i nb yp v dm e t h o dc a nn o t i n c r e a s et h el i f eo fd i eb e c a u s ei ti st o oh a r dt om a t c hw i t ho r i g i n a lm a t e r i a lw i t l ll o w e r h a r d n e s s ，s od u p l e xt r e a t r n e n tm e t h o di sp u tu pt h a ti st h et r a n s i t i o nl a y e ri sc r e a t e d b e t w e e nt h ec r u s tl a y e ra n do r i g i n a lm a t e r i a lt oo b t a i np r o p e rh a r d n e s sa n ds t r u c t u r es o a st oi n c r e a s et h ec a p a b i l i t yo ft h ec o a to ft i n i np r e s e n t p a p e rt h eh o te x t r u s i o nd i eo f u n i v e r s a lj o i n t sa sa ne x a m p l e ，t h ee f f e c t so fd u p l e xc o a t i n g sw i t hn i t r i f i c a t i o na n dt h e i i 重庆大学硕士学位论文英文摘要 c o a to f t i nw i 也p v dm e t h o do l lt h el i f eo f d i ew a sc a r d e do u t t h ed e m a n df o rd i ew o u l db e c o m es t r i c t e ra n ds t r i c t e ri nt h eb e c o m i n gf u t u r e i n o r d e rt oi m p r o v et h el i f eo fd i et h ed e m a n df o rh e a tt r e a l r n e n ta n ds u r f a c et r e a t m e n t w o u l db e c o m el l i g h e re n d1 1 i g h e r k e y w o r d s ：h o te x t r u s i o n , f i n i t e d e m e n t , s i m u l a t i o n , p v d ，c o m p l e xt r e a t m e n t i i i 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 引言 热挤压是将坯料加热到再结晶温度以上，而后把加热的金属放入模具模腔内， 在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属产生巨烈的塑性变形，从而获得所 需形状的工件。其通常包括加热坯料一润滑模具一坯料变形三个步骤，在这个循 环过程中，模具将受到反复的机械载荷和热载荷的作用，最终引起模具失效，常 见的失效形式有：开裂、磨损、变形、腐蚀、热疲劳、和机械疲劳。其中最容易 发生失效的位置是承受载荷较大的接触面和润滑、散热不理想的区域。 在热挤压过程中，模具表面所达的最高温度和温度的分布对模具的失效有十 分重要的影响。模具表面的温度升高将使其硬度下降，而温度的波动将引起模具 尺寸的变化，在冷却液对模具激冷和坯料对模具激热的交互作用下，材料内部受 到拉伸和压缩的热交变力的作用，从而引起变形、甚至开裂。模具表层温度的升 高主要由两部分组成：( 1 ) 模具与坯料之间的热交换。( 2 ) 坯料在模具的作用下 产生巨烈的塑性变形及与模具之间的磨擦所产生的热。模具表面的最高温度受以 下因素影响：坯料温度、模具与坯料的接触时间、接触压力、相对滑动距离、润 滑条件、模具的初始温度等。 合理的热处理、表面处理工艺是提高模具寿命的关键。热挤压模在工作时不 但要承受很大的挤压力，而且还要承受激冷激热的交互作用，这就要求模具不但 在高温下有足够的红硬性，还要有足够的抗热疲劳性能。实践证明，在模具设计 和制造过程中，若能选用恰当的钢材，确定合理的热处理工艺，妥善安排工艺路 线，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用 寿命都将起到重大的作用。今后对模具的要求更严格，为了使之寿命更长，对强 韧化处理、表面处理的期待将愈来愈高。 1 2 研究目的、内容及方法 本课题采用成熟的商业化有限元数值模拟软件对万向节叉凸模，研究了坯料 温度、摩擦因子、压机速度、模具初始状态对其表层温度场的影响。得出影响万 向节叉凸模表层温度的规律并总结成公式。通过分析其在加工过程中出现的不同 失效形式，掌握其失效产生的原因，利用不同的表面处理方法对模具进行表面处 理，分析对比，找出一种最佳的处理方法，从而达到提高万向节叉凸模寿命的目 的。 在锻造过程的有限元数值模拟中，常采用刚塑性有限元，忽略成形过程的温 重庆大学硕士学位论文1 绪论 度变化，将锻造过程假设为等温过程。这种方法由于不计温度变化，所以计算量 相对较小，计算速度较快。然而在热挤压过程中，模具表面所达的最高温度和温 度的分布对模具的失效有十分重要的影响。 本课题中，采用美国s f t c 公司的d e f o r m 软件进行有限元模拟分析，对模拟 结果运用最d , - - 乘法进行数学处理时使用了m a n a b 软件，最后用p v d 法处理的模 具与常规热处理进行了生产试验对比。 1 3 研究意义 随着工业自动化程度的提高，用模具成型的产品愈来愈多。目前在我国的许 多企业中，襟具的使用寿命还比较低，仅相当于国外的l 3 i 5 。据统计，由于 模具寿命低而造成的钢材工时和能源浪费，以及对产品质量影响所带来的损失， 每年达数十亿人民币。 实践证明，在模具设计和制造过程中，若能选用恰当的钢材，确定合理的热 处理工艺，妥善安排工艺路线，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成 本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。今后对模具的要求更严格， 为了使之寿命更长，对强韧化处理、表面处理的期待将愈来愈高。 p v d 法由于处理温度低，热畸变小、无公害，容易获得超硬层、涂层均匀等 特点，应用于精密模具表面强化处理，显示了良好的应用前景。采用复合处理的 方法，即在涂层与基体之间增加一个过渡层，达到合理的硬度、组织成分、结合 力匹配，以充分发挥t i n 涂层的潜力，将能大大提高模具的使用寿命。 1 4 本文的主要贡献 本文的主要贡献如下： ( 1 ) 对热挤压成形过程模具表层的温度分布运用刚粘塑性有限元热力耦合技 术进行数值模拟，为进一步模具的表面处理提供了强有力的理论依据。 ( 2 ) 模具表面的最高温度受以下因素影响：坯料温度、模具与坯料的接触时间、 接触压力、相对滑动距离、润滑条件、模具的初始温度等。本文以万向节叉热挤 压凸模为例，用d e f o r m 3 d 软件对表层温度进行了系统的模拟分析，研究了坯料 温度、摩擦因子、压机速度、模具初始状态对模具表层温度场的影响并将所得的 数据引入m a t l a b 中进行拟合，找出其变化规律。 ( 3 ) 在本文的最后，研究了p v d 复合处理法对万向节叉凸模寿命的影响，在 涂层与基体之间增加了氮化层的过渡层，分析对比了它与常规热处理的关系。 重庆大学硕士学位论文 2 模具失效的主要形式 2 模具失效的主要形式 模具的失效可分为非正常失效和正常失效。非正常失效是指模具未能达到一 定工业技术水平就无法继续服役的失效，也称模具的早期失效，其形式有塑性变 形、断裂、局部严重磨损等，正常失效是指模具经长时间服役，因缓慢塑性变形、 蠕变、均匀磨损以及疲劳断裂，致使其不能继续服役而造成的报废。研究模具的 失效规律及机理，其目的就是要防止和避免模具的非正常失效( 早期夭折) ，同时寻 找模具失效的原因。模具正常失效前，生产出的合格产品数量，称为模具的正常 寿命( 简称模具寿命s ) ，模具首次修复前生产出的合格产品数量称为首次寿命s1 ， 模具首次修复后至旷下一次修复前所生产的合格产品数量，称为修模寿命s2 ，依次 类推，模具寿命是首次寿命与多次修模寿命的总和： s = 上s f s + 是+ fo l 从目前的实际情况看，模具失效的基本形式主要有以下几种：磨损失效、变 形失效、断裂失效、疲劳失效。 2 1 磨损失效 2 1 1 磨损的主要形式 1 ) 磨粒磨损 磨粒磨损按照磨损形态和应力或冲击载荷的施加方式，可细分为凿削式磨粒 磨损、研磨式磨粒磨损和划伤式磨粒磨损。 凿削式磨粒磨损通常应力和冲击载荷都很大。对材质不均，内有夹杂的硬、 脆相、硬质点的板料进行冲裁或切断时的凸模以及采用冷挤压成形的凸挤阳模， 其磨损形均为凿削式磨粒磨损。 研磨式磨损通常作用应力很大而冲击载荷不大，如机械制造中的研磨、抛光 等。划伤式磨粒磨损多出现于清屑不良的冲裁凹模刃口、凸模表面及润滑不良的 模具滑动和导向装置。外来硬质颗粒( 砂尘、粉末) 夹在工件与模其接触面之间，刮 擦模具表面引起模面材料脱落的现象以及工件表面的硬质突出物刮擦模具引起的 模具损伤均属磨粒磨损。 2 ) 粘着磨损 粘着磨损多发生于拉伸凸、凹模的棱角处。为了防止粘着磨损，最重要的是 进行润滑以防温升的产生，而在非润滑条件下使用时，则应尽力减小金属表面摩 擦系数，以便即使在高的接触应力下也尽量减小温升，在有温升的条件下，应尽 重庆大学碉士学位论文2 楼具失效的主要形式 2 模具失效的主要形式 模具的失效可分为非正常失效和正常失效。非正常失效是指模具未能达到一 定工业技术水平就无法继续服役的失效，也称模具的早期失效，其形式有塑性变 形、断裂、局部严重磨损等，正常失效是指模具经长时间服役，因缓慢塑性变形、 蠕变、均匀磨损以及疲劳断裂，致使其不能继续服役而造成的报废。研究模具的 失效规律及机理，其目的就是要防止和避免模具的非正常失效( 早期天折) ，同时寻 找摸具失效的原因。棋具正常失效前，生产出的舍格产品数量，称为模具的正常 寿命( 简称模具寿命s ) ，模具首次修复前生产出的合格产品数量称为首次寿命s1 ， 模具首次修复后n t 一次修复前所生产的合格产品数量，称为修模寿命s2 ，依次 类推，模具寿命是首次寿命与多次修模寿命的总和： s = r s f 竺s + s + r0 1 从目前的实际情况看，模具失效的基本形式主要有以下几种：磨损失效、变 形失效、断裂失效、疲劳失效。 2 + i 磨损失效 2 1 1 磨损的主要形式 1 ) 磨粒磨损 磨粒磨损按照磨损形态和应力或冲击载荷的施加方式，可细分为凿削式磨粒 磨损、研磨式磨粒磨损和划伤式磨粒磨损。 凿削式磨粒磨损通常应力和冲击载荷都很大。对材质不均，内有夹杂的硬、 脆相、硬质点的板料进行冲裁或切断时的凸模以及采用冷挤压成形的凸挤阳模， 其磨损形均为凿削式磨粒磨损。 研磨式磨损通常作用应力很大而冲击载荷不大，如机械制造中的研磨、抛光 等。划伤式磨粒磨损多出现于清屑不良的冲裁凹模刃口、凸模表面及润滑不良的 模具滑动和导向装置。外来硬质颗粒( 砂尘、粉术) 夹在工件与模其接触面之间，刮 擦模具表面引起模面材料脱落的现象以及工件表面的硬质突出物刮擦模具引起的 模具损伤均属磨粒磨损。 2 ) 粘着磨损 粘着磨损多发生于拉伸凸、凹模的棱角处。为了防止粘着磨损，最重要的是 进行润滑以防温升的产生，而在非润滑条件下使用时，则应尽力减小金属表面摩 擦系数。以便即使在高的接触应力下也尽量减小温升，在有温升的条件下，应尽 擦系数，以便即使在高的接触应力下也尽量减小温升，在有温升的条件下，应尽 重庆大学硕士学位论文2 模具失效的主要形式 量减小因温度升高所造成的软化现象。为了最大限度地降低粘着磨损，应选用抗 回火软化能力强的基材并辅之以表面硬化处理，使之与摩擦密切相关的表层部分 获得必要的硬度、自润滑性和耐磨性最为有效。 3 疲劳磨损 为了防止疲劳磨损，材料本身必须具有足以抵抗形成的切应力的强度。最大 切应力只产生在表层部分，故能够提高表层部分强度的表面硬化处理对防止疲劳 磨损最为有效。然而，当表层部分有微小裂纹或缺陷存在，则以这些缺陷为始源 地也会发生同样的异常磨损，在这种情况下，不应过过分提高硬度，而应提高塑 性变形能力，当然这不适合模具的工作要求。疲劳磨损多出现于型腔模，如：压铸 模、注塑模、热固性塑料压模、粉末冶金压模、金属粉末注射成型模等。 4 ) 腐蚀磨损 车轴等压入部位或嵌合部位由于微小振幅的相对滑动以及在金属与液体界面 处由于气泡的反复形成和破裂所造成的磨损均属此类，前者叫摩擦腐蚀，后者叫 气蚀。模具常见的腐蚀磨损有氧化磨损，特殊介质磨损等方式。 模具服役过程一般都会出现氧化磨损。在压制乙烯基塑料制品时，由于在较 高的压制温度下，塑料会发生分解并释放出腐蚀性气体，引起模腔的腐蚀，从而 导致模具腐蚀磨损。镀铬可有效防止这种腐蚀磨损。冲蚀磨损与前述的气蚀又是 疲劳磨损的派生形式。压铸模的热浸蚀属于此类。 腐蚀磨损与疲劳磨损形成机理虽然不同，但二者有一定的内在联系，都易发 生在型腔模中。防止腐蚀磨损的最有效方法是镀硬铬或作td 处理。一般来说， 若材料组织均匀，具有较好的抗疲劳性和抗腐蚀性，又具有较高的强度和韧性， 则抗气蚀和冲蚀磨损性能就好。 5 ) 磨损的交互作用 在模具与工件( 或坯料) 的相对运动中，摩擦磨损情况极其复杂，磨损往往并不 局限于一种形态，而是多种形式交织在一起，相互影响，相互派生，相互促进。 模具与工件表面产生粘着磨损后，部分材料脱落形成磨粒磨损；磨粒磨损出现后， 使得模具表面变得粗糙，又进一步造成粘着磨损和疲劳磨损。模具出现疲劳磨损 后，同样出现磨损后的磨粒物质，从而造成磨粒磨损，磨粒磨损使得模具表面出 现沟痕，粗化，这又加剧了粘着磨损和疲劳磨损。模具出现腐蚀磨损后，随之会 出现磨粒磨损，进而派生出粘着磨损和疲劳磨损。 2 1 2 模具磨损的产要原因 在锻打过程中，高温金属在模膛内高速流动，很自然要与模壁产生摩擦而使 模壁磨损，由于磨损程度不同而出现磨损、扩展、凹坑等形式。磨损对锻件尺寸 和表面质量影响较大，当超过锻件公差而又无法修复时，则模具报废。这种失效 4 重庆大学硕士学位论文2 模具失效的主要形式 形式在锻模中占7 5 左右。而且上模失效较下模严重，这是因为上模成形性能好， 锻件复杂的一面都放在上模之故。模具磨损受多种因素的影响，即使在同一模膛， 因金属在各部分的流动速度不同，也会呈现出不同的磨损情况。在滑动速度较低 的部分，磨损较小；在滑动速度较高的部分，氧化膜破裂，呈现出粘着摩擦现象， 磨损较大。 模具磨损的主要有以下几方面的原因： 1 ) 氧化皮的影响钢加热后要产生一层氧化皮。在锻造时，可以看到两种现 象：一是锻件上大部分氧化皮在放入模膛前被清除掉，但仍有很少部分氧化皮粘在 金属上，以致在模膛表面划出浅槽；另一种是氧化皮落入下模内，在锻打时，有 的先嵌入高温金属内再进行流动，出现和第一种现象相似的情况，有的则进入金 属和模膛的两个摩擦面之间，使两个摩擦面都被划出沟槽。以上两种现象在锻造 时同时出现。这种磨损与滑动距离、单位面积负载呈线性关系，与表面硬度成反 比，与氧化皮大小无关。在一般情况下，模具表面愈硬愈耐磨，但当模具在擦伤 的情况下，其耐磨性与硬度具有相反的影响。这是因为发生擦伤后，主导的磨损 机制不再是磨料磨损，而是应变疲劳，此时模具材料的裂纹扩展速率成为决定性 的参数。如果模具硬度高，裂纹扩展的速率就愈大，剥层磨损愈严重，耐磨性也 就愈低。 2 ) 粘着现象金属毛坯与模膛表面在高温高压下发生粘着的情况。当粘着处 由于金属流动被破坏时，就造成两面的剥落( 一般是金属剥落附在模具上) 。在锻造 过程中，当相对滑动速度较低或载荷不大时，由于高温金属继续氧化，表面形成 一层较松的f e 3 0 4 膜，磨损是在可起润滑作用的氧化膜之间进行，磨损量较小；当 相对滑动速度较大或载荷较大时，虽然也形成氧化膜，但此时氧化膜易破裂而发 生粘着现象，使磨损量加大。总的来说，这种磨损与压力大小、滑动距离、模膛 表面硬度成正比。 3 ) 腐蚀磨损锻模在工作时，工件与模具的温度都较高，目前所用的润滑剂 又大多是重油、油基或水基石墨等，由于是矿物油，其中必含s 、n 等成分，在高 温下它们会与h 2 0 生成酸性物质，这对模具有腐蚀作用。此外，模具工作完后， 存放时没有保护，空气中的h 2 0 对其起腐蚀作用。由于在腐蚀的环境下工作与存 放，模具表面产生化学反应生成物，在以后的摩擦运动中被剥落而形成新的表面 层，如此反复出现，就变成了腐蚀磨损。 磨损是影响模具寿命的很重要因素，因此，在现场工作中，要注意及时清除 氧化皮，减少氧化皮对模具产生磨损影响；经常清理模膛表面，使表面清洁，不 要有金属粘着现象；并在使用中通过严格管理，提高模具使用寿命。 重庆大学硕士学位论文2 模具失效的主要形式 2 2 变形失效 模具的变形失效包括过量的弹性变形、塑性变形( 整体或局部的) 、高温蠕变 以及时效等失效机制。它们主要是模具在制造、使用及存放过程中，因各种载荷 及交变温度、模具材料内应力变化所导致的模具零件形状及性能的变化。 模具在服役时，承受巨大的应力和载荷，一般是不均匀的，当模具的某个部 位所受的应力超过了当时温度下模具材料的屈服强度时，就会以滑移、孪晶、晶 界滑移等方式产生塑性变形，造成模具无法修复而报废。在室温下服役的模具( 冷 作模具) ，其塑性变形是模具材料在室温下的屈服过程，是否产生塑性变形，起主 导作用的是机械负荷以及模具的室温强度，而模具的室温强度取决于所选择的模 具材料及热处理制度。在高温下服役的承载模具( 如压铸模、塑料注射模、热锻模 等) 其屈服过程是在较高温度下进行的，是否产生塑性变形，主要取决于模具的工 作温度和模具材料的高温强度。 在高温高压作用下，模具工作一段时间后，要产生塑性变形，经多次修整后， 会因模膛尺寸超差而报废。此种损坏形式对锻模来说极少，而对胎模来说因受热 受力均较锻模恶劣，因而报废程度较高。胎模锻造一阶段后，温度上升，强度下 降。另外，胎模一直与锻件接触，除温度上升得比锻模高之外，还因锻件散热多， 温度下降，变形抗力增加。因而，胎模易产生塑性变形。当砧座、锤头不平而上、 下胎模的壁厚不合理时，也会造成上、下胎弯曲变形。有的胎模即使是平面部分， 也会因受热而产生局部下凹和凸起变形。 归纳起来，模具出现变形失效的主要原因是：( 1 ) 模具材料的强度水平不高i ( 2 ) 模具材料虽然选择正确，但热处理工艺不当，未能达到钢材的最佳强韧性； ( 3 ) 使用不当，有局部超载发生：( 4 ) 有高温软化的因素，由于热作模具钢的工 作面往往与高温坯料接触，当型腔表面温度超过模具的回火温度时，模具钢的强 度下降，仅为室温强度的1 2 或1 3 ，在工作时便易发生热塑性变形失效。 2 3 断裂失效 锻打时，模膛内将造成很大的内应力，甚至达2 0 0 0 m p a ，当应力超过模具材 料的强度极限时，就易使模具断裂。这种情况多数发生在模膛最深部，尤其是容 易形成应力集中的转角处。因此，设计模具时，要保证模膛内的内应力不要超过 模具材料的强度极限，同时在转角处要圆滑过渡，避免产生应力集中现象。 此外，模具在承受冲击载荷时，更易于开裂。这不仅是由于材料对冲击敏感， 主要是由模具承受冲击载荷时的受力特点决定的。如在冲击载荷下进行闭式模锻 时，毛坯充满模腔后，如锻锤还有多余能量，则必然传递给模具。由能量转换原 理得知，当多余能量较大时，打击力也很大，模具常常因为承受不了这么大的应 6 重庆大学硕士学位论文2 模具失效的主要形式 力而开裂。 有时，尽管模具所承受的拉应力远远低于材料的屈服极限，但也会发生断裂。 这主要是因为模具在锻打过程中，由于模具经常产生微小裂纹所致。当模具在产 生微小裂纹后，再经反复锻打，微小裂纹尖端附近由于应力集中的强烈影响，使 得裂纹处应力情况变得复杂化。虽然此时拉应力很小，但是当应力强度达到材料 的断裂韧性时，也会引起裂纹尖端的材料分离，并迅速扩张产生断裂，这就是模 具的低应力脆断。导致模具产生裂纹的原因很多，如模具材料内部有缺陷( 包括金 属夹杂物、气孔、白点、树枝状偏析、粗大的第二相点等) ；模具加工遗留下来的 裂纹；热处理裂纹：磨削裂纹；电加工裂纹等。 造成模具热处理脆裂主要是模具热处理残余应力引起的。这些残余应力包括 热应力、组织应力、附加应力等的综合表征，它们是在模具热处理前和热处理中 产生的。模具零件，特别是在形状复杂时，热处理工艺或热处理操作不当以及一 些其它因素，造成工件内部存在有强大的淬火内应力，以致引起淬火裂纹、横向 裂纹、表面龟裂、表面剥离裂纹及显微裂纹等。 2 4 疲劳失效 模具经过较长时间的锻打，在模具表面也会产生微观裂纹，并逐渐扩展成宏 观裂纹，当其达到临界尺寸后，也会发生低应力脆断，这就是模具的疲劳损坏， 其主要形式是激冷激热疲劳( 热疲劳) 和机械疲劳。热疲劳裂纹呈网状，也有呈放射 状和直线状的。它发生在模膛内对冷热较敏感处，如凸台、筋部、模具上表面等； 机械疲劳裂纹常出现在模膛内容易产生应力集中处，特别是转角和凸台的根部更 容易出现与打击方向成4 5 0 的裂纹。如果模膛内因其他原因已产生了裂纹，则在交 变应力作用下，裂纹就要扩大，当达到临界尺寸时，也会发生低应力脆断，这也 称为疲劳损坏。 疲劳裂纹总是在应力最高、强度最低的部位上形成，模具的疲劳裂纹萌生于 外表面，次表面。疲劳裂纹总是从模具表面和内部某一缺陷处开始的，当模具内 部受力不均匀时，局部区域就会出现较大的应力集中，在载荷的反复作用下，应 力集中处最先出现裂纹，裂纹的尖端形成尖锐的缺口，又造成新的应力集中，在 连续使用中，该处还会继续开裂。这样一来，裂纹变得越来越大，模具上能够传 递应力的材料越来越小，直至不足以传递载荷时，模具就突然破坏( 开裂成两块或 碎裂为数块) 。 2 4 1 激冷激热疲劳失效 锻模在锻打前，一般要预热到2 0 0 3 0 0 c 左右。模锻时，上模随锤头一起运 动。锻打后，上升速度较快，锻件在模中停留时间较短，锻件放热和金属流动时 重庆大学硕士学位论文2 模具失效的主要形式 的摩擦发热，可使模膛表面温度上升到5 0 0 6 0 0 c 左右，模膛愈深，上升的温度 愈高。由于模膛温度升高，使模具经常在激冷激热下工作，容易产生疲劳，表面 出现裂纹。模锻时，一般控制模具温度在4 0 0 c 左右。胎模锻造时，上、下模始终 包住锻件，使模膛与锻件接触时间增长，模膛温度上升也较高，有的可达6 0 0 7 0 0 左右。故胎模锻造时，模具的热疲劳更严重，一般应控制模具温度在4 5 0 左右。 温度应力的产生也是导致模具热疲劳的因素。据有关资料介绍，预热到2 0 0 的胎模，当模膛温度升达6 0 0 时，外壁温度在4 0 0 左右，内外温差达2 0 0 。c ， 这样必将产生温度应力。模膛温度高时，产生压应力；模膛温度低时产生拉应力。 而模具材料在此温度下又处于弹性，故在模具内无疑会产生温度应力，且为三向 应力。模具处在交变热应力作用下，如果其幅值超过模具材料的屈服强度，就在 模膛表面导致热疲劳裂纹的萌生和扩展。 2 4 2 机械疲劳失效 锻打时，模具反复承受打击力的作用，模膛内易产生应力集中处首先因应力 超过材料的疲劳极限而产生裂纹，在以后工作中，裂纹逐渐扩大，直至损坏。因 此，应力集中是产生机械疲劳的主要原因之一。故在设计模具时，要着眼于提高 模具的疲劳强度，以期提高其使用寿命。 2 5 ，j 、结 模具的工作条件极为复杂和恶劣，一副模具在使用过程中往往交织着多种损 伤形式，这些损伤相互作用、相互促进，最后以一种或多种形式失效，在实际生 产中，所看到失效模具也往往不局限为一种形式。为延长模具使用寿命，提高产 品质量，在对模具的设计过程中应特别注意以下几点： 1 1 选择优质纯洁的钢材； 2 ) 正确、合理的结构设计； 3 ) 正确的锻造以改善材料的原始组织缺陷； 4 1 有效的预备热处理，使模块获得均匀、细致的组织基础； 5 ) 对模具进行强韧化处理和表面强化处理； 6 ) 采用正确的模具加工方法，避免加工过程中微裂纹的产生。 重庆大学硕士学位论文3 模具强化技术 3 模具强化技术 随着工业自动化程度的提高，用模具成型的产品愈来愈多。目前在我国的许多 企业中，模具的使用寿命还比较低，仅相当于国外的1 3 一l 5 。据统计，由于模 具寿命低而造成的钢材工时和能源浪费，以及对产品质量影响所带来的损失，每 年达数十亿人民币。 实践证明，在模具设计和制造过程中，若能选用恰当的钢材，确定合理的热处 理工艺，妥善安排工艺路线，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、 提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。今后对模具的要求更严格，为 了使之寿命更长，对强韧化处理、表面处理的期待将愈来愈高。 3 1 模具强韧化工艺 鉴于模具苛刻的工作环境，为提高模具使用寿命，我们要求模具具有优良的 整体强韧化性能。此外，还要求模具具有优异的型腔表面性能，在这种情况下出 现了对模具整体强韧化的基础上再对其表面进行强化的各种处理。 我们知道，在一般工艺条件下，往往强度与韧性之间存在着制约关系，材料 强度增加，通常总伴随着材料韧性的降低。要求高强度的同时，又要求材料有较 高的韧性，常常是很困难的。但是采取强韧化处理的措施，却能使钢的强度和韧 性都能得到提高。多次冲击抗力的理论认为在同一强度水平下，随着冲击韧性增 加，多次冲击抗力提高，也就是破断次数n 增加；强度水平越高，冲击韧性对多 次冲击抗力所起的作用就越大。因此，在含碳量较高的模具钢中，采用强韧化处 理，在保证模具高强度的条件下，适当提高冲击韧性，使强度和韧性得到最佳配 合，必然有利于进一步提高多次冲击抗力。 强韧化处理多种多样，但归结起来却基本上都是通过下列途径来取得强韧化 效果的：充分利用板条马氏体和下贝体组织形态，尽量减少片状马氏体；细化钢 的奥氏体晶粒和过剩碳化物，获得马氏体与具有良好塑性的第二相的复合组织； 形变热处理。 3 1 1 模具钢高温淬火 在一定范围内提高模具的淬火温度是提高热塑性变形模具寿命的有效措施之 一。提高淬火温度，使奥氏体充分均匀化，消除富碳微区，淬火后可得到强韧性 好的板条状马氏体及提高基体的合金化程度，从而提高回火稳定性，增加二次硬 化效果：提高淬火加热温度，还可减少过剩碳化物，改善碳化物的形状和尺寸。 这些都有利于热作模具寿命的提高。 热作模具钢高温淬火和高温回火，如热作模具钢5 c r m n m o 采用8 5 0 加热淬 重庆大学硕士学位论文3 模具强化技术 火，淬火时马氏体形态以片状为主，如把淬火温度提高到9 0 0 ，使奥氏体充分均 匀化，消除富碳微区，淬火后可得板条状马氏体，从而提高了钢的回火稳定性， 冲击韧性和断裂韧性可大大延长模具寿命。 高温快速短时淬火：对高碳钢模具在快速加热条件下，奥氏体化不均匀，组 织中保留未溶碳化物，奥氏体晶粒细小，并使奥氏体中固溶碳和合金元素量减少， 提高了m s 点，有利于板条马氏体的形成，短时加热溶于奥体中的碳量可减少到 0 6 以下，阻止了富碳区的形成，减少了片状马氏体量，提高了韧性，可使模具 得到较高强韧性。 3 1 2 碳化物细化处理( 预处理) 热作模具钢经常规球化退火后，很难使钢中的碳化物呈细小均匀分布，也很 难使链状碳化物消除，因而无法保证最终热处理获得理想的强韧性。瑞典人首先 提出“组织处理”的概念，目的在于细化热模钢的碳化物，但其工艺严格保密。对热 模钢进行预处理以细化其碳化物的关键在于：一是高温奥氏体化，使原来组织中 较粗大的过剩碳化物适当溶解及减小尺寸；二是其后的快速冷却，使之获得马氏 体或下贝氏体，然后再经高温回火或退火，使碳化物以弥散的形式重新析出。因 此，在最终热处理后就会形成在马氏体基体上分布着弥散的碳化物，从而大大提 高燕作模具的强韧性。 3 1 3 双重热处理 研究表明，高温淬火可使h1 3 等钢种的硬度及断裂韧性提高，但冲击韧性下 降，如在常规淬火、回火前先进行一次高温调质处理，可在几乎不降低冲击韧性 的条件下，得到最高的断裂韧性，并且硬度也高于常规淬火。高温加热，使大部 分碳化物溶解，然后快冷，防止碳化物在高温区析出。再通过高温回火使其弥散 析出，并使硬度降至2 4 0 hbs 下。经过以上处理后，再进正常的淬火、回火处理。 经双重热处理过的钢，碳化物均匀细小，硬度、强度和断裂性能都有提高，可有 效延长模具寿命。 3 1 4 形变热处理 它是把钢的强化与相变强化结合起来的一种强韧化工艺。形变热处理的强韧 化本质在于获得细小的奥氏体晶粒、细化马氏体增加了马氏体中位错密度，并形 成胞状亚结构，同时促进碳化物的弥散硬化作用。低温形变淬火，它适用于有双c 曲线亚稳奥氏体区的钢种，将钢加热至奥氏体状态，保温后急冷至亚稳奥氏体区 进行快速形变，过冷奥氏体有良好的塑性。在形变过程中防止产生奥氏体分解， 使塑性降低，产生形变开裂，因此，形变后仍保留奥氏体状态，形变后快速淬火。 得到隐晶淬火马氏体组织，接着低温回火。与传统工艺相比，在相同条件下，在 不降低塑性、韧性前提下，较大幅度提高强度极限、屈服极限和疲劳极限，显著 提高延迟断裂倾向。低温形变淬火操作难度大，需相应的热加工成形设备，目前 仅适用于形状简单的凸模或形变淬火后须经线切割的凹模( 形变成模块即可) 。 1 0 重庆大学硕士学位论文3 模具强化技术 一般形变量越大，形变淬火冷却强化效果越显著。但若形变淬火冷速过低或掌握 不当会出现非马氏体组织，降低模具强化效果。低温强化方法有：旋压、锤锻和 深拉等方式。 3 1 5 真空热处理 模具经真空热处理后有良好的表面质量，变形小。与大气下的淬火比较，真 空油淬后模具表面硬度比较均匀，而且略高一些，主要原因是真空加热时，模具 表面呈活性状态，不脱c ，不产生阻碍冷却的氧化膜。在真空下加热，钢的表面 有脱气效果，因而具有较高的力学性能，炉内真空度越高，抗弯强度越高。经真 空淬火后，钢的断裂韧性有所提高，且模具经真空热处理后可保证较小的变形量。 3 2 模具表面处理工艺 国际模具协会专家认为：模具是金属加工业的帝王。而模具材料又是模具工业 的基础。但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求。表面工 程是当前材料科学与工程领域中表现较为活跃、发展较为迅速的分支。表面工程 具有学科的综合性，手段的多样性，广泛的功能性，潜在的创新性，环境的保护 性，很强的实用性和巨大的增效性，因而受到各行各业的重视。表面工程技术在 模具制造领域中的应用，在很大程度上弥补了模具材料的不足。 表面工程技术应用于模具型腔表面处理，可达到如下目的：( 1 ) 提高模具型腔 表面硬度、耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性能，大幅度提高模具的使用寿命。提 高模具型腔表面抗擦伤能力和脱模能力，从而提高生产率。( 2 ) 经表面涂层或合 金化处理过的碳素工具钢或低合金钢，其综合性能可达到甚至超过高合金化模具 材料及硬质合金的性能指标，从而可大幅度降低材料成本。( 3 ) 可以简化模具制 造加工工艺和热处理工艺，降低生产成本。( 4 ) 可用于模具型腔表面的纹饰，以 提高制品的档次和附加值。( 5 ) 可用于模具的修复和再制造。 模具表面处理工艺主要有气体氨化法、离子氨化法、电火花表面强化法、渗 硼法、t d 法、p v d 法、铰硬铬法、激光表面强化法、堆焊法、等离子喷涂法等等。 3 2 1 渗碳 渗碳具有渗速快、渗层深、渗层硬度梯度与成分梯度可方便控制、成本低等 特点，能有效地提高材料的室温表面硬度、耐磨性和疲劳强度等。渗碳工艺应用 于模具表面强化的第一个方面是低、中碳钢的渗碳。渗碳应用于冷作、热作和塑 料模具上，都能提高模具寿命。对于注塑模，可采用2 0 钢粗加工成模，进行型腔 表面渗碳，再经过精加工抛光后投入使用，除了可以降低表面粗糙度外，模具的 耐磨性也会相应提高。又如3 c r 2 w 8 v 钢制压铸模具，先渗碳再经1 1 4 0 1 1 5 0 。c 淬火，5 5 0 回火两次，表面硬度可达5 8 6 1h r c ，使压铸有色金属及其合金的 模具寿命提高1 8 3 0 倍。 渗碳工艺应用于模具表面强化的第二个方面是“碳化物弥散析出渗碳”，简称 重庆大学硕士学位论文3 模具强化技术 c d 渗碳法。它是采用含有大量强碳化物形成元素( 如c r 、t i 、m o 、v ) 的模具钢在 渗碳气氛中加热，在碳原子自表面向内部扩散的同时，渗层中会沉淀出大量弥散 合金碳化物，如( c r - f e ) 7 c s 、( f e - c r ) 3 c 、v 4 c 3 、t i c 。c d 法渗碳层中，渗层表面