提高热作模具寿命的几项措施
2002-11-20 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘 要 汽车零件用的某些热锻模、热冲模，采用3Cr2W8V钢和H13钢制造，常存在使用寿命不高，早期失效，提出了几项改进措施，使用寿命大大提高：①改进锻造和锻后退火工艺，消除了网状和链状碳化物及局部碳化物偏析现象；②进行预处理，细化碳化物和使其均匀分布；③调整淬火和同火工艺，获得强韧化基体；④选用优异的表面强化处理，以提高耐磨性，而不损害抗热疲劳性能；⑤适当地选用新材料，发挥新型材料的优良性能。
关键词 热作模具 模具寿命 锻造退火 淬火和回火 表面处理
汽车零件用的一些热作模具，存在选材、锻造、热处理等一些问题，从而发生在服役期间，不正常开裂、磨损等现象，导致早期失效，这项破坏占正常失效模具的40％以上。针对3Cr2W8V钢和H13钢两种热作模具钢所存在的一些较为实质性的普通的问题，根据其失效形式，分析其产生原因，提出一些改进措施。
1 模具毛坯的锻造和退火工艺
3Cr2W8V类的热作模具钢，它们的碳含量虽然仅为0.3-0.4％，由于含较多合金元素，相图中的共析点左移，属于过共析钢类型，合金碳化物较多，如锻造和退火工艺不当，常会出现带状碳化物饰析或一些沿晶界析出的链状碳化物，有这种状态碳化物分布，都将会导致模具早期失效[1-4]。
锻造方面存在的问题主要表现在锻机吨位不够，模块加热不均匀，锻打不透，很少做到三镦三拔的工艺要求，导致一些大型模块表面和心部的组织和性能差别很大，有时为了赶进度，停锻温度已经很低，造成微裂纹，这些都严重影响了使用寿命。
锻后退火是一个很重要环节，但锻坯厂重视不够，有时甚至被锻后缓冷所取代，很少检查锻坯金相组织，只要硬度达到切削加工的要求范围内，就被认可，这样使模块内部保留了锻后的一些不良组织，造成模具寿命忽高忽低，极不稳定的现象。
对一批汽车前轮壳锻模的毛坯抽查金相组织，发现锻坯的表面晶粒大小不均匀，有些部位还保留形变的状态，说明停锻温度低，再结晶不完全，基体是马氏体，晶界处偏聚碳化物，而锻坯心部，马氏体粗大，晶界处碳化物围成链状，附近还有屈氏体组织。这种组织表明锻坯根本没有经过球化退火处理，此锻件再经球化退火处理，组织明显改善，但由于未能锻透，心部仍剩余大量块状碳化物，且分布也不均匀。由此可见，锻造和退火对改善模具使用寿命方面起着十分重要的作用，瑞典Assaba生产的8407钢(相当于H13)，它们对锻后退火组织采用评级标准，超过一定级别就属不合格产品。不得出厂，在模具冷加工前，就把―些不良材质清除，避免了以后冷加工成型、热处理等更多的工时和精力财力大量的浪费。
2 预处理(又称细化处理)
热作模具钢大多是合金含量较高的过共析钢，锻造后难免残存较多大块状的碳化物且分布也不均匀。为使淬火、回火之前，碳化物细小均匀，希望能通过热处理来加以改善，现行的锻后球比退火工艺，让让很难使3Cr2W8V、H13类钢的碳化物分布得到根本改善，所以要进行细化的预处理来达到上述要求。瑞典人首先提出所谓的“组织处理”，就包含了上述内容，但其工艺是保密的，本文经大量试验研究后提出了预处理工艺，认为预处理加热温度必须超过一个必要的临界温度，以使不均匀分布的粗大的碳化物大部分溶解，固溶后以较快速度冷却防止粗大碳化物再析出，但快冷后，使基体为马氏体或贝氏体组织硬度很高，不便于进行切削加工，而且这类组织在最终淬火时极易发生遗传效应，使粗大晶粒得到遗传，而降低韧性，所以在固溶后，再加一道回火处理，回火温度以获得切削加工所需的硬度范围为准，而且随回火温度提高，其最终淬火后的奥氏体晶粒可减小，因此3Cr2W8V钢和H13钢的预处理应是由一个足够高的加热温度进行固溶、快冷和一个足够高的回火温度进行回火处理所组成，前轮壳锻模3Cr2W8V钢选用的细化工艺。
3 淬火和回火处理
热作模具钢都要求有优良的热强性能、高的抗热疲劳性能和综合性能，许多资料表明3Cr2W8V钢的淬火温度范围较广，从1000℃到1200℃，H13钢为1030一1100℃，针对具体模具和实际要求性能，可作适当调整。
研究表明在一定温度范围内，在奥氏体晶粒长大不明显的情况下，适当地提高淬火温度，将十分有益。
(1)增加了淬火马氏体中碳和合金元素含量，提高基体的强度和硬度。
(2)过剩碳化物减少，尺寸变小，碳化物与基体界面减少，且热疲劳裂纹源且萌生困难，同时减少每个热疲劳循环产生的塑性应变幅，裂纹扩展也受阻，可提高抗热疲劳性能。
(3)固溶的碳和合金元素量增加使马氏体的回火转变迟缓，提高了回火抗力。
(4)根据Kraff公式：KIC=E(2×3.14Dt)1/n，因高温淬火，奥氏体晶粒略大，过剩碳化物减少，碳化物之间平均距离Dt增大，KIC值也增高，改善了模具钢的断裂韧性。但是，要防止高温淬火带来严重变形、晶粒粗大、增加回火脆性等不利现象。回火温度的选择同样具有重要意义，它主要是根据模具的最终硬度要求来选定，对大多数热作模具来说，硬度要求在46―50HRC之间，回火温度的选择还与淬火温度有关，如3Cr2W8V钢，硬度要求46―50HRC时，采用1070℃淬火时，回火温度宜选择在580-610℃，若淬火温度为1100℃回火宜用590―620℃。对于要求冲击韧性较高的模具，应适当降低淬火温度或改变回火温度来避开冲击值最低区，但适当提高淬火温度，有利于KIC值提高，而KIC值又常与模具的早期断裂抗力相对应，低地KIC值引起模具早期断裂。很多研究工作者认为，从热作模具使用情况看，回火温度都选在600℃左右，甚至还高些，这时，高温淬火常比低温淬火更好些。
4 表面强化处理
通过表面强化手段，使模具表面形成一层强化层，这个强化层一般都具体比基体更高的强度和硬度，并与基体牢固结合，不易脱落。
表面强化的手段有离子渗氮、气体软氮化、电火花熔渗、蒸汽处理等，用得较多是离子渗氮。离子渗氮工艺中，采用低氮势(<10％N2)可抑制ε相化合物的产生，获得很薄的γ'，单相化学物层或只有扩散层的离子渗氮层，这咱渗氮层不仅有较高的表面硬度，而且有一定韧性，在热疲劳过程中不容易萌生裂纹，即使一旦产生裂纹也会在裂纹扩展中，得到应力松驰，使扩展缓慢或受阻停止，从而提高抗热疲劳性能。使用低氮势离子渗氮处理的模具，使用寿命大幅度提高，如AMP50xh高速镦锻机上生产汽车齿坯用的热冲头，寿命提高了二倍多，汽车前轮壳的热锻模寿命也提高了20％以上。采用电火花熔渗手段，可使模具表面熔渗一层硬质合金化合物，它们与基体是冶金结合，十分牢固，高温的热稳定性和化学稳定性均较好，而且因膨胀系数较小，所以在模具热疲劳过程中，表面热应力很小，有效地提高了抗热疲劳性能，经熔渗处理后的前轮壳锻模，寿命提高20％左右，但由于熔渗是手工操作，故目前只适宜于工作面较小，且形状简单的模具。
5 新型热作模具材料的应用
选好模具材料是制造高质量长寿命模具的前提，选材不当有也是造成模具早期失效的原因之一，近年来，国内外均开发了不少新型热作模具钢，如国外的H10A、QR080、QR090、H26、DH21、YHD3、6F4，国内有Y4、Y10、HM1、HM3、GR、FR8、5Cr2、TM等。
新材料大都具有合金元素较低，而热强性，抗热疲劳性能好，且具有较好的韧性的特点，对一些形状复杂、制造工艺烦琐、工艺周期较长的模具，应开发和试用一些新型模具钢。
选好材后还要探讨合理的锻造工艺和热处理工艺，使新材料的潜在优良性能可以充分发挥。
汽车齿轮用热冲模采用ER8钢后，试用寿命比H13钢制造的更好，尤其表现在高温工作时，有一定抗冲击力作用和耐冷热疲劳振幅更宽的热震性能，ER8钢比H13及3Cr2W8V钢更优异。
综合以上分析，可以看到，我国汽车模具选材、用材技术与工业发达国家相比，尚有较大差距，这也是汽车模具使用寿命低的重要原因之一。努力开发模具钢种类，推广新材料，扩大选材面，提高材料的纯净度和均匀度，改进热加工工艺，完善检验标准、完善模块规格，减少二次加工，严格执行热处理全部过程，加强质量监控等，是提高模具寿命的几项重要措施。
参考文献
[1]黄 峥，提高热作模具钢的寿命研究，硕士学位论文，上海大学，1998
[2]史美趟，常用模具钢热处理性能，上海，科技出版社，1984
[3]冯晓曾，模具钢和热处理，北京机械工业出版社，1982
[4]王德文、朱雅年，模具实用技术200例，北京冶金工业出版社，1990
作者：孙保良 冯正辉 江 震(上海汇众汽车制造有限公司)、朱雅年 魏馥铭 黄峥(上海大学)
关键词 热作模具 模具寿命 锻造退火 淬火和回火 表面处理
汽车零件用的一些热作模具，存在选材、锻造、热处理等一些问题，从而发生在服役期间，不正常开裂、磨损等现象，导致早期失效，这项破坏占正常失效模具的40％以上。针对3Cr2W8V钢和H13钢两种热作模具钢所存在的一些较为实质性的普通的问题，根据其失效形式，分析其产生原因，提出一些改进措施。
1 模具毛坯的锻造和退火工艺
3Cr2W8V类的热作模具钢，它们的碳含量虽然仅为0.3-0.4％，由于含较多合金元素，相图中的共析点左移，属于过共析钢类型，合金碳化物较多，如锻造和退火工艺不当，常会出现带状碳化物饰析或一些沿晶界析出的链状碳化物，有这种状态碳化物分布，都将会导致模具早期失效[1-4]。
锻造方面存在的问题主要表现在锻机吨位不够，模块加热不均匀，锻打不透，很少做到三镦三拔的工艺要求，导致一些大型模块表面和心部的组织和性能差别很大，有时为了赶进度，停锻温度已经很低，造成微裂纹，这些都严重影响了使用寿命。
锻后退火是一个很重要环节，但锻坯厂重视不够，有时甚至被锻后缓冷所取代，很少检查锻坯金相组织，只要硬度达到切削加工的要求范围内，就被认可，这样使模块内部保留了锻后的一些不良组织，造成模具寿命忽高忽低，极不稳定的现象。
对一批汽车前轮壳锻模的毛坯抽查金相组织，发现锻坯的表面晶粒大小不均匀，有些部位还保留形变的状态，说明停锻温度低，再结晶不完全，基体是马氏体，晶界处偏聚碳化物，而锻坯心部，马氏体粗大，晶界处碳化物围成链状，附近还有屈氏体组织。这种组织表明锻坯根本没有经过球化退火处理，此锻件再经球化退火处理，组织明显改善，但由于未能锻透，心部仍剩余大量块状碳化物，且分布也不均匀。由此可见，锻造和退火对改善模具使用寿命方面起着十分重要的作用，瑞典Assaba生产的8407钢(相当于H13)，它们对锻后退火组织采用评级标准，超过一定级别就属不合格产品。不得出厂，在模具冷加工前，就把―些不良材质清除，避免了以后冷加工成型、热处理等更多的工时和精力财力大量的浪费。
2 预处理(又称细化处理)
热作模具钢大多是合金含量较高的过共析钢，锻造后难免残存较多大块状的碳化物且分布也不均匀。为使淬火、回火之前，碳化物细小均匀，希望能通过热处理来加以改善，现行的锻后球比退火工艺，让让很难使3Cr2W8V、H13类钢的碳化物分布得到根本改善，所以要进行细化的预处理来达到上述要求。瑞典人首先提出所谓的“组织处理”，就包含了上述内容，但其工艺是保密的，本文经大量试验研究后提出了预处理工艺，认为预处理加热温度必须超过一个必要的临界温度，以使不均匀分布的粗大的碳化物大部分溶解，固溶后以较快速度冷却防止粗大碳化物再析出，但快冷后，使基体为马氏体或贝氏体组织硬度很高，不便于进行切削加工，而且这类组织在最终淬火时极易发生遗传效应，使粗大晶粒得到遗传，而降低韧性，所以在固溶后，再加一道回火处理，回火温度以获得切削加工所需的硬度范围为准，而且随回火温度提高，其最终淬火后的奥氏体晶粒可减小，因此3Cr2W8V钢和H13钢的预处理应是由一个足够高的加热温度进行固溶、快冷和一个足够高的回火温度进行回火处理所组成，前轮壳锻模3Cr2W8V钢选用的细化工艺。
3 淬火和回火处理
热作模具钢都要求有优良的热强性能、高的抗热疲劳性能和综合性能，许多资料表明3Cr2W8V钢的淬火温度范围较广，从1000℃到1200℃，H13钢为1030一1100℃，针对具体模具和实际要求性能，可作适当调整。
研究表明在一定温度范围内，在奥氏体晶粒长大不明显的情况下，适当地提高淬火温度，将十分有益。
(1)增加了淬火马氏体中碳和合金元素含量，提高基体的强度和硬度。
(2)过剩碳化物减少，尺寸变小，碳化物与基体界面减少，且热疲劳裂纹源且萌生困难，同时减少每个热疲劳循环产生的塑性应变幅，裂纹扩展也受阻，可提高抗热疲劳性能。
(3)固溶的碳和合金元素量增加使马氏体的回火转变迟缓，提高了回火抗力。
(4)根据Kraff公式：KIC=E(2×3.14Dt)1/n，因高温淬火，奥氏体晶粒略大，过剩碳化物减少，碳化物之间平均距离Dt增大，KIC值也增高，改善了模具钢的断裂韧性。但是，要防止高温淬火带来严重变形、晶粒粗大、增加回火脆性等不利现象。回火温度的选择同样具有重要意义，它主要是根据模具的最终硬度要求来选定，对大多数热作模具来说，硬度要求在46―50HRC之间，回火温度的选择还与淬火温度有关，如3Cr2W8V钢，硬度要求46―50HRC时，采用1070℃淬火时，回火温度宜选择在580-610℃，若淬火温度为1100℃回火宜用590―620℃。对于要求冲击韧性较高的模具，应适当降低淬火温度或改变回火温度来避开冲击值最低区，但适当提高淬火温度，有利于KIC值提高，而KIC值又常与模具的早期断裂抗力相对应，低地KIC值引起模具早期断裂。很多研究工作者认为，从热作模具使用情况看，回火温度都选在600℃左右，甚至还高些，这时，高温淬火常比低温淬火更好些。
4 表面强化处理
通过表面强化手段，使模具表面形成一层强化层，这个强化层一般都具体比基体更高的强度和硬度，并与基体牢固结合，不易脱落。
表面强化的手段有离子渗氮、气体软氮化、电火花熔渗、蒸汽处理等，用得较多是离子渗氮。离子渗氮工艺中，采用低氮势(<10％N2)可抑制ε相化合物的产生，获得很薄的γ'，单相化学物层或只有扩散层的离子渗氮层，这咱渗氮层不仅有较高的表面硬度，而且有一定韧性，在热疲劳过程中不容易萌生裂纹，即使一旦产生裂纹也会在裂纹扩展中，得到应力松驰，使扩展缓慢或受阻停止，从而提高抗热疲劳性能。使用低氮势离子渗氮处理的模具，使用寿命大幅度提高，如AMP50xh高速镦锻机上生产汽车齿坯用的热冲头，寿命提高了二倍多，汽车前轮壳的热锻模寿命也提高了20％以上。采用电火花熔渗手段，可使模具表面熔渗一层硬质合金化合物，它们与基体是冶金结合，十分牢固，高温的热稳定性和化学稳定性均较好，而且因膨胀系数较小，所以在模具热疲劳过程中，表面热应力很小，有效地提高了抗热疲劳性能，经熔渗处理后的前轮壳锻模，寿命提高20％左右，但由于熔渗是手工操作，故目前只适宜于工作面较小，且形状简单的模具。
5 新型热作模具材料的应用
选好模具材料是制造高质量长寿命模具的前提，选材不当有也是造成模具早期失效的原因之一，近年来，国内外均开发了不少新型热作模具钢，如国外的H10A、QR080、QR090、H26、DH21、YHD3、6F4，国内有Y4、Y10、HM1、HM3、GR、FR8、5Cr2、TM等。
新材料大都具有合金元素较低，而热强性，抗热疲劳性能好，且具有较好的韧性的特点，对一些形状复杂、制造工艺烦琐、工艺周期较长的模具，应开发和试用一些新型模具钢。
选好材后还要探讨合理的锻造工艺和热处理工艺，使新材料的潜在优良性能可以充分发挥。
汽车齿轮用热冲模采用ER8钢后，试用寿命比H13钢制造的更好，尤其表现在高温工作时，有一定抗冲击力作用和耐冷热疲劳振幅更宽的热震性能，ER8钢比H13及3Cr2W8V钢更优异。
综合以上分析，可以看到，我国汽车模具选材、用材技术与工业发达国家相比，尚有较大差距，这也是汽车模具使用寿命低的重要原因之一。努力开发模具钢种类，推广新材料，扩大选材面，提高材料的纯净度和均匀度，改进热加工工艺，完善检验标准、完善模块规格，减少二次加工，严格执行热处理全部过程，加强质量监控等，是提高模具寿命的几项重要措施。
参考文献
[1]黄 峥，提高热作模具钢的寿命研究，硕士学位论文，上海大学，1998
[2]史美趟，常用模具钢热处理性能，上海，科技出版社，1984
[3]冯晓曾，模具钢和热处理，北京机械工业出版社，1982
[4]王德文、朱雅年，模具实用技术200例，北京冶金工业出版社，1990
作者：孙保良 冯正辉 江 震(上海汇众汽车制造有限公司)、朱雅年 魏馥铭 黄峥(上海大学)
