热作模具失效分析与对策

草虫gg 2023-10-02 发布于四川

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热挤压模具的失效分析与对策

热挤压模主要由凸模（冲头）和凹模等组成，其常见的失效形式为早期脆断、疲劳断裂、热疲劳、型腔塌陷及磨损等。

模具的脆断失效

脆断失效对模具的危害最大。发生脆断失效的模具的寿命大多很短，多的数百次或上千次，少的仅数十次或数次。

1）凸模折断失效　其失效原因为：

①凸模直径过细、长度与直径之比过大或强度低；

②凸模工作带柱面产生平行于挤压方向的条纹皱皮，造成挤压件内孔的表面粗糙度值增高；

③凸模工作带部分（包括直径尺寸和工作带下面的锥角）产生严重变形； ④模具的结构不合理，存在严重的应力集中部位；

⑤模具的表面粗糙度高；

⑥模具表面出现热疲劳裂纹或显微裂纹；

⑦模具的工作表面出现磨损沟槽；

⑧模具工作过程中产生的残余应力；

⑨模具原材料存在冶金缺陷；

⑩模具的载荷及工作温度过高等。

2）凹模的脆断失效　其失效原因为：

①凹模存在裂纹及开裂；

②凹模内壁表面粗糙度高；

③凹模内壁产生倒锥度，使热挤压件顶出十分困难。

模具的疲劳断裂与热疲失效

热作模具的疲劳断裂是一种大应力的低周疲劳断裂，即在交变载荷下发生的断裂，热挤压模具在使用一定的时间后普遍存在热疲劳裂纹，其将破坏型腔的表面质量，引起模具的脆性断裂。

模具的型腔塌陷和磨损失效

　模具在高温下工作时，会出现受热后软化现象，使模具的整体硬度和强度降低，从而造成模具的塌陷与磨损等失效。

预防热挤压模早期失效的措施

1）模具钢的选用。选用含钨、钼较多的钢材（如3Cr2W8V、GR、HM1 等），含铬较多的钢材（如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、HD 等），基体钢（如CG-2、012Al、RM2、5Cr4W2Mo2SiV 等），以及耐热合金和硬质合金等。

2）热处理工艺。预备热处理可采用锻后退火及正火处理，也可采用高温调质处理，即淬火加热温度与常规的淬火温度接近，回火温度一般选择在700 ～750℃，以使模坯内部的碳化物分布均匀且形状小而圆。

最终热处理通常采用淬火+回火处理、高温淬火、硼氮复合渗、离子渗氮、双重热处理、强韧化处理（即高温淬火与高温回火）及真空热处理等。

压铸模的失效分析与对策

压铸模的失效形式及失效原因

压铸模的常见失效形式为冷热疲劳裂纹、粘模、塌陷、沟槽、磨损、变形、侵蚀和开裂等。

1）粘模、变形和开裂失效。模具在高压下工作，受到金属的挤压与摩擦作用，容易产生粘模、变形及开裂等失效形式。

2）热疲劳失效。压铸模在工作时需要与600～1200℃的炽热金属接触，其自身表面的温度也在600～1000℃，模具在反复被加热和冷却时产生热力，最终导致热疲劳失效。

3）磨损失效。模具的型腔反复受到压力和冲击力作用，以及在型腔内塑性流动的金属产生的摩擦力，最终导致型腔磨损失效。

4）侵蚀失效。型腔与高速注入的炽热金属接触产生化学反应，易产生氧化、侵蚀等失效。

对策

　压铸模应具有耐冷热疲劳性能、高温下的强度和韧性、耐液态金属冲蚀性能、较高的耐热性和高的导热性、良好的抗氧化性和高的淬透性及耐磨性

等。预防压铸模具失效的措施如下：

1）选用高强韧性的热作模具钢（优选中碳合金钢）制造，压铸较低熔点金属的模具用钢有：

锌合金压铸模用钢为40Cr、40CrMo、30CrMnSi、35CrMnSi、4Cr5MoSiV、3Cr2W8V、CrWMn、5CrMnMo 等；

铝合金与镁合金压铸模用钢为3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV、4CrW2Si、Y10、Y4 及马氏体时效钢等，推荐用4Cr5MoSiV1 钢；

铜合金压铸模用钢为3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、3Cr3Mo3V、3Cr2W9Co5V 及马氏体时效钢等，推荐用3Cr2MoWVNi 钢；

钢铁材料压铸模用钢为3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV、3Cr2W9Co5V、3Cr3Mo3V、3Cr3Mo3Co3V 以及马氏体时效钢等。

2）采用以难熔金属为基础的合金作压铸模，如钼合金比其他材料具有更高的寿命，其在1000℃左右仍具有高的热强度和高的持久强度，导热性好且热膨胀系数小，模具工作过程中不会出现热裂等失效形式。

3）模具的设计应合理。如果压铸模壁厚度不足，则在巨大压力下会造成型腔变形。引起应力的尖角或圆弧半径不宜过小，以免造成在尺寸过渡区开裂。模具体内冷却通道的位置或间距应设计合理，否则模具各部位之间的温差将增大，造成不同程度的膨胀而产生内应力，从而导致模具变形。

4）锻造后的压铸模应进行球化退火或调质处理，以消除应力，降低硬度，便于切削加工，同时为最终热处理作好组织准备。退火后可获得均匀的组织及弥散分布的碳化物，利于改善模具钢的强韧性。

5）模具的制造包括机械加工、热处理和装配等工序。如果磨削不当，则会使表面产生裂纹、存在磨削应力及表面软化等，因此应严格执行磨削工艺。热处理过程中应采取保护措施，防止表面氧化脱碳及降低表面硬度，如经正常热处理后将3Cr2W8V 钢制的铝合金、铜合金及钢铁材料压铸模的硬度分别控制在44～48HRC、42～44HRC和28HRC为好。模具装配时，镶块与主体应接触紧密。

6）压铸模用钢热处理回火后保持较高的硬度可改善其耐磨性，但却增加了热疲劳敏感性，因此压铸模用钢可先进行高温回火处理，以获得较好的耐热疲劳性。模具经过最终的机械加工和表面强化处理（如碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗、渗硼），可使模具型腔表面获得高的耐磨性，并降低浇注金属的黏附作用，同时还可以消除淬火所造成的变形。

7）压铸模在使用前应进行300℃左右的预热，在工作过程中还应进行去应力退火（比正常回火温度低30～50℃），以消除内部热应力。

热锻模的失效分析及对策

热锻模的失效形式及失效原因

　热锻模在高温下通过冲击力迫使金属成形，除了承受很大的冲击载荷外，还受到很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，还有炽热金属在型腔中因变形而产生的强烈摩擦力，同时也受到高温的影响，热锻模与空气、油、水的急冷、急热的反复作用，以及锻热设备精度、成形工艺、模具设计、制造质量、装配使用条件、预热和冷却条件、润滑条件、模具材料及热处理工艺等影响，常常产生断裂、塌陷、热疲劳、磨损、起皱、开裂及变形等失效形式。

对策

1）合理选用模具钢。5CrMnMo钢只适用于3t 以下浅槽形的中小锻模，而深型槽锻模则应选用5CrNiMo 钢来制造。有资料报道，连杆模采用4CrMnSiMoV钢制造，使用寿命可比5CrNiMo钢提高68.6%。汽车前轴锻模选用5Cr2NiMoVSi钢制造比用5CrNiMo 钢，可提高寿命近1倍。

2）改善热处理工艺。提高淬火温度，可改善模具的强韧性，如5CrMnMo钢经过910℃淬火，500℃回火12h，可获得以板条马氏体为主的组织，可使汽车变速箱齿轮锻模使用寿命提高2倍以上，而且还避免了模具早期断裂。

采用等温淬火工艺，可获得下贝氏体组织，提高模具的强韧性，如5CrNiMo 钢制的法兰盘模具经等温淬火后比常规淬火的寿命提高了1.5 倍。一般等温淬火在300℃左右等温，以使奥氏体转变为下贝氏体。5CrNiMo 和5CrMnMo钢回火温度分别为490～510℃和510～530℃。

采用化学热处理，可提高模具表面的硬度和耐磨性等，如热锻模经渗硼淬火后，可提高型腔的耐磨性和抗咬合性，容易脱模，而模具渗硼后采用高于Ms 点的温度进行等温淬火，可获得下贝氏体+马氏体的混合组织，有利于提高模具的基体强韧性，避免了模具的开裂，还可使模具寿命成倍提高。

热锻模经碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮碳共渗等化学热处理后，可显著提高模具的表面硬度、抗冷热疲劳性、抗氧化性和耐磨性等，故有利于避免模具型腔的早期塌陷、起皱等失效。例如，将5CrMnMo钢热锻模加热到900℃进行碳氮共渗，并进行高温淬火及500℃高温回火，可在确保模具具有高的耐热性、耐磨性及一定硬度的前提下提高热锻模的热疲劳性。如果再进行540℃×4h 的气体氮碳共渗，则可提高模具的承载能力、抗挤压能力和高温强度，降低型腔塌陷变形倾向，而且与常规的热处理相比，还可将其使用寿命提高5～6倍。

3）对模具进行预热。模具的预热对减少模具断裂破损是十分重要和必要的措施。预热到200～250℃的模具，在工作过程中，其表面热应力可降低2/3 ～1/3，模具的韧性和断裂强度得到提高，故可减少模具早期断裂。在寒冷冬季，特别是停机后重新开机或使用新模具时，预热就显得更为必要。

热锤锻模的失效分析及对策

热锤锻模的失效形式及失效原因

　热锤锻模在工作过程中主要是承受巨大的冲击载荷和高温流动金属的摩擦力的作用，同时还要受到交替的加热和冷却作用，因此其主要的失效形式为模具型腔断裂、型腔的热疲劳、型腔的塑性变形及塌陷、型腔的磨损、燕尾开裂等。其中磨损和塑性变形失效占70%以上，断裂失效约占30%。从失效部位来看，型腔中的水平面和凸台处容易发生塑性变形，侧面易出现磨损，而在型腔深处及燕尾的凹形圆角半径处则易萌生裂纹并导致模具的断裂。

1）模具型腔的断裂失效。这种断裂失效可分为冲击断裂和疲劳断裂。其中，冲击断裂是由于热锤锻模承受巨大的瞬时冲击载荷，当应力超过锻模材料的屈服强度时，裂纹便首先从应力集中处（如过深的加工刀痕、内部缺陷、小圆角半径等）产生，且从裂纹产生到整个锻模的突然断裂在短时间内即可完成；疲劳断裂是热锻模在较长时间内，在较小的反复改变方向的应力作用下，以应力集中处出现的裂纹为起点，然后逐渐扩展，进而破坏材料的连续性，当承受应力的有效截面减小到一定程度且不能抵抗破坏抗力时，整个截面便骤然断裂。造成模具断裂的因素有：

①模具结构设计不合理，存在强度薄弱环节和易引起应力集中的结构（如型腔厚薄不均，带有尖角结构等，尤其在燕尾处）；

②模具材料的冶金质量不高（如存在缩孔、白点、疏松及非金属夹杂物等）；

③锻造模块金属流线分布不合理；

④大型模块锻造不充分；

⑤热处理质量差（如模块表面氧化脱碳、组织差、硬度高、内应力大等）；

⑥模具材料选择不当（如吨位大的锤锻模未选择冲击值和断裂韧度高的钢材）；

⑦存在较大的热应力（模具工作前未预热、冷却不当）等。

2）型腔表面的热疲劳或热裂纹失效。热疲劳可导致模具型腔表面产生微裂

纹。这种裂纹有的呈单条状，有的则连成细网状（即龟裂）。模具在工作中受到急冷急热而产生的热应力，是导致模具产生热疲劳的主要原因。热疲劳是热锤锻模的普遍损坏形式。热疲劳裂纹常常是早期脆断、机械疲劳的裂纹源并能够加速模具的断裂。此外，热疲劳裂纹还能加剧模具的磨损过程。

3）型腔表面的磨损失效。模具型腔表面的磨损可分为两类：一类的特点是在模具与锻造材料滑动摩擦少的地方产生麻点状表面，这种磨损的发生有热和机械方面的原因，但主要与是接触应力有关；另一类主要是由模具与锻造材料之间的滑动摩擦所造成。此时模具主要受切应力作用，由于同时发生氧化磨损与粘着磨损，所以在模具型腔表面生成了凸凹的线状沟槽。

影响模具磨损的因素主要有：

①模具工作时的温度；

②模具钢的硬度（尤其是高温硬度）；

③模具钢的成分；

④模具的表面状态等。

4）模具型腔的变形或塌陷。热锤锻模的塑性变形常发生在模具型腔受力大和受热温度高的位置或区域（如毛边槽桥部、型槽内薄的凸出部分等），这是因为高温毛坯与模具接触造成模具材料的屈服强度下降，而这些部位的温度超过材料自身的回火温度后，又会使模具软化，当该部位的屈服强度低于承受的压应力或冲击力时，将产生模具的塑性变形，如塌陷或永久变形。容易产生变形的部位处于型腔的筋、凸台、棱边等突出部位，因为此处的温度高、受力大，当软化层超过了一定的数值的，就会造成棱角塌陷等塑性变形。软化层较浅的部位，在坯料的作用下表层会发生塑性流动。而模具型腔深处由于淬火未得到马氏体，处理后硬度的偏低，故在较大的应力作用下就会产生塑性变形，表现为型腔凹陷。

5）模具燕尾开裂。模具燕尾根部凹槽通常存在应力集中（尤其是存在加工刀痕时），在冲击载荷的往复作用下容易萌生疲劳裂纹，并沿着刀痕的横向延伸或向纵深扩展，造成燕尾的开裂。另外，裂纹也容易产生在燕尾凹槽底部，引起燕尾的开裂。

对策

1）合理设计模具结构。热锤锻模的型腔设计应尽量简单、对称，避免锻模圆角半径太小，尽量减少或避免型腔内有尖角、棱边和薄厚不均的现象，型槽壁厚和模块厚度应足够大，毛边槽桥部尺寸应合适。另外，模块上部型槽的纤维方向应与打击方向垂直，以增强其抗冲击性能。

2）保证模块冶金质量，加大锻造比，进行充分锻造，改善冶金缺陷。此外，对热锤锻模应当100%的进行无损检测，以防内部出现白点、裂纹和缩孔等缺陷。

3）降低型腔的表面粗糙度值。在热处理过程中应采取保护措施，避免模具表面氧化、脱碳或增碳。

4）针对磨损和热粘着磨损，可优选含有Cr、W、Mo、V 等碳化物形成元素的钢材。此外，提高模具的高温强度、降低模具表面粗糙度、加强模具的使用与维护条件（如良好的润滑）、采取表面强化处理（如氮碳共渗、渗氮与渗硼处理等）都有利于防止热锤锻模失效。其中利用渗氮和渗硼可提高模具寿命1.8～2.2倍。

5）针对热疲劳失效，可选用5CrNiTi、5CrNiW、5CrNiMo 钢来制造模具，如5CrNiW、5CrNiMo 钢制热锤锻模采用补充淬火可提高模具寿命50% ～80%。另外，还可通过热处理适当提高模具的硬度和冲击韧度。

6）针对型腔的变形或塌陷，可采取以下措施：

①应选择高热强性模具钢，并保证模块的表面和心部的硬度符合要求；

②严格执行模具操作规程，如锻模在工作前应进行充分的预热（通常为250～300℃），锻模在工作过程中应经常为其型腔涂抹润滑剂及使用冷却剂（如水雾冷却）；

③清除模具表面的氧化皮；

④工间休息时应对模具进行保温处理；

⑤适当进行去应力退火处理；

⑥对坯料进行加热，以防止坯料硬度过高；

⑦对模具进行渗硼处理等。

7）针对模具断裂失效，可采取以下措施：

①应合理设计模具结构，避免产生应力集中；

②降低表面粗糙度值；

③严格控制原材料冶金质量，并对模具锻坯进行充分锻造，改善内部组织；

④正确进行热处理，保证达到模具技术要求；

⑤大型模块优选5CrNiMo钢制造；

⑥正确操作与维护等。

8）针对燕尾开裂，可采取以下措施：

①改善燕尾结构，如加大燕尾圆角半径；

②降低型腔内部及燕尾圆角处的表面粗糙度；

③模具安装牢固并合理；

④进行合理的热处理，使燕尾部分的硬度及金相组织达到技术要求等。

9）为了减少模具在使用过程中表面与心部的温差，模具在使用前必须进行预热（一般为250～300℃），在使用中对模具进行润滑，以减小摩擦系数，降低锻造压力，减少磨损。

热冲裁模的失效分析与对策

热冲裁模的失效

　热冲裁模主要有热切边模和热冲孔模等。热冲裁模在工作条件下承受一定的冲击载荷，且在剪切过程中凹模刃口与毛坯相互摩擦，因此易使刃口磨损，同时刃口受热。凹模常见的失效形式为磨损、变形、塌陷和崩刃等。凸模的失效形式主要有断裂、磨损等。

对策

　根据模具的工作条件，一般要求凹模的硬度相对较高，以保证其具有较高的耐磨性（相对来说，凸模并不要求高的耐磨性，故硬度不必过高）。在生产中，通常采用8Cr3制造凹模，硬度要求为43～45HRC。如果被冲材料为耐热钢或高温合金，则其硬度还应相应增高，但不宜超过50HRC，否则易崩刃。凸模的硬度为35～45HRC 即可。

1）模具材料的选用。模具材料多采用8Cr3 钢，但如果采用硬质合金（如

GT35）来制造热冲裁模，不但可充分发挥其高温耐磨性，使用寿命也可比一般钢制冲裁模提高30倍以上。

2）热处理工艺。8Cr3钢制热冲裁模的淬火加热温度为820～840℃，油冷。为避免模具开裂及变形，入油前可在空气中预冷至780℃左右，在油中冷却到150～200℃时出油，并立即进行回火。经480～520℃回火，其硬度为41～45HRC。要注意的是，通常回火温度不应低于460℃。

如果采用堆焊或等离子喷焊等工艺在冲裁模的刃口部位熔覆一层耐高温磨损的钴基合金，则可大幅度提高刃口部分的耐磨性，显著提高模具寿命。

热锤锻模的失效分析及对策

热切边模与铆钉模的失效分析与对策

　1）热切边模是在加热状态下完成锻件飞边的剪切工作的，其组成主要有切边凹模与切边凸模。在凹模的剪切过程中，锻件毛坯与凹模的刃口相摩擦，刃口受热而温度升高，同时承受一定的冲击载荷，因此在工作过程中凹模最容易失效。凹模的主要失效形式为刃口磨损与崩刃。凸模的主要失效形式是断裂及磨损。

2）铆钉模是安装在风动工具上工作的，其在工作时与900～1000℃的铆钉接触长达数分钟模膛部分的温度可升高到400～500℃。由于模具温度升高可造成其硬度和强度降低，且同时承受冲击压缩载荷和冲击弯曲载荷的作用，因此铆钉模的主要失效形式为肩部折断、尾部压塌、开裂以及窝边的磨损等。

对策

　1）模具材料的选用。热切边模具钢应具有高的硬度与热硬性、一定的强韧性、良好的加工性能等。通常凹模选用的材料为7Cr3、8Cr3、4CrW2Si、5CrNiMo及5CrMnMo 钢等，凸模材料为7Cr3、8Cr3 钢等。

铆钉模具钢应具有高的硬度和耐回火性、足够的强度和冲击韧性、良好的疲劳强度与淬透性。常用材料有60Si2Mn、T8、T10 等中碳钢。

为了提高热切边凹模的耐磨性，也可以采用硬质合金制造（如YG15、YG20

等），并采用镶套方法装配使用。

2）热处理工艺。8Cr3钢制模具淬火温度为820～840℃，加热时需采取保护措施，淬火入油前可在空气中预冷至780℃左右，在油中冷却到150～200℃时出油，并立即回火。8Cr3 钢制切边模回火温度480～520℃，其硬度为41～45HRC。

为了提高热切边模刃口的耐磨性，可在其刃口部位堆焊一层（3～5mm）高耐磨、高热强性的钴基材料（硬度35～40HRC），模体可用45钢、40Cr钢等中碳钢来代替8Cr3 钢。热切边模采用钴基或镍基及铁基粉末冶金材料，可采用等离子喷焊。为防止焊层开裂，喷焊前应对较大切边模进行550～650℃的预热处理，焊后应迅速置于550～650℃的炉中保温，然后随炉冷却到室温。测得合金喷焊层硬度为43～48HRC。

铆钉模选用T8制造时，采取整体淬火+低温回火的工艺可使其硬度达到55～59HRC，故可以有效地避免上述缺陷的产生。

热挤压模和高速锤锻模的失效分析及对策

热挤压模具的失效形式及对策

　热挤压模主要由冲头和凹模等组成，其工作时要较长时间与高温坯料接触，承受高温、高压、急冷急热反复的循环应力、偏心载荷和冲击载荷的作用，以及承受高温下的高摩擦作用。热挤压模（无论是冲头或凹模）常见的失效形式有早期脆断、疲劳断裂、热疲劳、型腔塌陷及磨损等。

1）模具的脆断失效。出现脆断失效的模具寿命大多很短，多则数百次或上千次，少则仅为数十次或数次。为防止模具脆断可采取以下措施：

①合理设计模具结构，避免应力集中；

②降低表面粗糙度值；

③防止表面出现热疲劳裂纹；

④防止表面出现磨损沟槽；

⑤模具在使用过程中及时进行低温回火处理，以消除残余应力；

⑥保证模具钢材的冶金质量；

⑦合理制订操作规范等。