淺談熱作模具鋼鍛造加工的缺陷及預(yù)防

李德山 韋翠平 唐亞明

【摘 要】熱作模具在制造過(guò)程必須進(jìn)行鍛造處理，才能滿(mǎn)足模具的使用要求。所以模具一般都能承受機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷，出現(xiàn)模具的失效的情況非常多，工作環(huán)境不好是一個(gè)重要的形式，失效的情況主要表現(xiàn)在早期斷裂、疲勞斷裂、熱疲勞、形腔堆塌和磨損，這些失效的原因主要和制造磨具的材料有著密切的關(guān)系，原材料存在的缺陷有密切的關(guān)系。本文主要介紹這些加工缺陷以及預(yù)防的措施。

【關(guān)鍵詞】模具鋼鍛造；加工缺陷；原材料；預(yù)防

熱作模具在制造過(guò)程要進(jìn)行鍛造處理，才能滿(mǎn)足需要，常見(jiàn)的模具有才能滿(mǎn)足模具的使用要求。常見(jiàn)的壓鑄模具模仁、型芯，主要的材質(zhì)為SKD61、H13。成型模、壓型模和收口模具，主要材質(zhì)為 5CrMnMo，這些都是典型的熱作模具。都工作中都需要承受機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷，出現(xiàn)失效的形式有早期斷裂、疲勞斷裂、熱疲勞、形腔堆塌和磨損；這些失效與模具鋼的原材料存在的缺陷有密切的關(guān)系。對(duì)于模具毛坯的鍛造的加工方式，需要鍛造成適當(dāng)?shù)膸缀螆D形，消除金屬在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于保存了完整的金屬流線(xiàn)。

1.熱作模具鋼裂紋的缺陷產(chǎn)生原因

模具鋼在鍛造進(jìn)行制造的時(shí)候，需要承受一定的受拉應(yīng)力、切應(yīng)力和附加拉應(yīng)力，在這樣的作用力下就產(chǎn)生一定的裂紋，對(duì)于模具比較薄的地區(qū)是承受力最大的地區(qū)，也是很容易被破壞的地區(qū)，在坯料表面和內(nèi)部的微裂紋、坯料內(nèi)部本身存在組織缺陷、在進(jìn)行熱處理的時(shí)候、熱處理不當(dāng)使材料塑性下降、變形超過(guò)模具鋼允許的塑性指標(biāo)等，則在撤粗、拔長(zhǎng)、沖孔、擴(kuò)孔、彎曲和擠壓等工序中均會(huì)產(chǎn)生裂紋缺陷。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了模具鋼的使用性能，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)需要進(jìn)行有效的預(yù)防。

2.模具裂紋產(chǎn)生的防治措施

2.1提高鍛造加工時(shí)靜水壓力

裂紋的產(chǎn)生與模具鋼的受力情況和模具鋼的塑性有關(guān)，塑性是材料的一種特性，主要取決變形物體的結(jié)構(gòu)和物體的外部條件，其中應(yīng)力狀態(tài)的變化可以增大靜水壓力，抵消由于不均勻變形引起的附加拉應(yīng)力，減輕其中的作用，溫度和應(yīng)變速度變化也是一定的，在應(yīng)用過(guò)程中，從而減輕了附加拉應(yīng)力所造成的拉裂作用。當(dāng)溫度和應(yīng)變速度一定時(shí)，由拉應(yīng)力引起的三向等壓應(yīng)力不會(huì)使裂紋擴(kuò)展，在利用鍛壓變形中存在微小的未被氧化的裂紋，在高的三向壓應(yīng)力作用下，完全合一實(shí)現(xiàn)完全可以鍛合。對(duì)于低塑性材料采用反推力擠壓及帶套激粗都是用采用提高靜水壓力的數(shù)值來(lái)防止開(kāi)裂。擠壓和拔長(zhǎng)時(shí)減少附加拉應(yīng)力，是防止開(kāi)裂最有效的辦法。

2.2對(duì)材料的變形溫度進(jìn)行有效控制

對(duì)材料的變形溫度進(jìn)行控制，能夠促使嚴(yán)格控制材料變形溫度提高材料溫度促使材料塑性提高，塑性成形性能得到改善。將變形溫度升高到再結(jié)晶溫度以上時(shí)，對(duì)材料的加工需要消除結(jié)晶軟化，一方面要提高金屬的塑性形成，不要出現(xiàn)熱度過(guò)高的現(xiàn)象，對(duì)于材料的晶粒急劇長(zhǎng)大，出現(xiàn)材料塑性降低的情況，在這種狀態(tài)下，產(chǎn)生接近熔點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生“過(guò)燒”現(xiàn)象，材料晶界氧化甚至熔化導(dǎo)致塑性變形能力完全消失，坯料甚至產(chǎn)生報(bào)廢。出現(xiàn)溫度過(guò)低，容易產(chǎn)生冷變形硬化，在塑性的情況下，出現(xiàn)溫度過(guò)高的現(xiàn)象，就很容易過(guò)燒，造成模具出現(xiàn)變形的狀態(tài)。

2.3控制材料的變形速度

對(duì)材料的變形速度進(jìn)行有效控制，所謂的變形速度是指單位時(shí)間內(nèi)變形程度的大小。出現(xiàn)變形速度越大，金屬在出冷變形的強(qiáng)度很?chē)?yán)重，會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，出現(xiàn)不能及時(shí)散發(fā)熱量的情況，造成溫度過(guò)高的現(xiàn)象，在出現(xiàn)鍛壓加工塑性較差的合金鋼或大截面鍛件時(shí)，必須采用較需要采用變形速度小的，如果不這樣就會(huì)出現(xiàn)變形不均勻的現(xiàn)象，產(chǎn)生裂紋。在實(shí)際操作中要選用適合的材料進(jìn)行設(shè)備的鍛造，熱作用模具在靜電壓力機(jī)上變形時(shí)再結(jié)晶溫度為500℃ 以上，而在沖壓機(jī)下需在750℃以上變形才能獲得完全的再結(jié)晶組織。這是模具制造過(guò)程的重要內(nèi)容，涉及的方面也很多。

2.4必要時(shí)需進(jìn)行中間退火

如果在制造過(guò)程中，模具的變形速度不能夠得到有效的控制，就會(huì)產(chǎn)生一定的裂縫，一般都采用中間退火的方式進(jìn)行防治，但是這種措施在應(yīng)用中會(huì)對(duì)模具造成一定的缺陷，一般在制造過(guò)程中不會(huì)采用這種方式進(jìn)行防治。

2.5采用熱壓變形的方式

如果在制造過(guò)程中，材料再結(jié)晶過(guò)程不能夠有效的進(jìn)行，就會(huì)產(chǎn)生的裂紋，針對(duì)這種情況需要采用熱壓變形工藝方式，這種方式一方面能夠消除出現(xiàn)的變形引起的模具具有一定缺陷。另一方面還能夠提高材料的塑性，實(shí)現(xiàn)更好的制造過(guò)程。

2.6改善坯料的組織

這種方式的應(yīng)用需要在組織上應(yīng)避免出現(xiàn)結(jié)晶溫度的上限的時(shí)候，低熔點(diǎn)物質(zhì)和脆性化合物，在其中加入適當(dāng)鉻、釩等元素，提高材料的高塑性和有用性。

2.7采用高溫均勻化的形式

一般材料要進(jìn)行高溫均勻化，利用這種方式能夠有效的改善材料組織的不均勻性，一方面有效提高材料的塑性，另一方面，降低材料產(chǎn)生裂紋的可能性。

3.制造的過(guò)程中減少金屬雜質(zhì)物出現(xiàn)

模具在制造的過(guò)程中要減少非金屬雜質(zhì)的量，這些非金屬雜質(zhì)能夠使模具鍛件性能降低、并且產(chǎn)生裂紋。其中雜質(zhì)的大小、分布情況對(duì)鍛件的影響最大。出現(xiàn)的鍛件斷裂處都會(huì)有一些鏈狀和條狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)具有很大的危害性，都分布在坯料底部的負(fù)偏析區(qū)。所以要在鍛造的過(guò)程中需要降低非金屬雜質(zhì)的含量。

降低非金屬雜質(zhì)的具體措施主要有以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)于鍛壓應(yīng)力，要求在規(guī)定的數(shù)值中，不能超過(guò)這個(gè)數(shù)值。

（2）進(jìn)行變形處理的時(shí)候，最好采用滿(mǎn)砧送料和“寬砧”鍛造這兩種方式。

（3）選用合理的鐓粗比和鍛造比，需要進(jìn)行有效的控制。

（4）在設(shè)備的工藝參數(shù)和鍛造過(guò)程，需要進(jìn)行合理的選擇。

（5）在水口端和帽口端留有足夠的加工余量。

（6）在坯料加熱時(shí)進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火。

4.鍛造過(guò)程消除鍛件粗晶及防止鍛件出現(xiàn)白點(diǎn)

對(duì)于鍛造過(guò)程，需要在鍛造擠壓過(guò)程中，金屬與鍛造模之間產(chǎn)生的摩擦就會(huì)產(chǎn)生粗晶。這些材料的顆粒比較大，對(duì)筒壁有一定的影響，在溫度比較低的情況需要擠壓時(shí)未能完全再結(jié)晶，防止表層形成了粗晶環(huán)，出現(xiàn)粗晶環(huán)的坯料鍛造時(shí)容易開(kāi)裂。在鍛造過(guò)程中需要防止鍛件出現(xiàn)白點(diǎn)，合金結(jié)構(gòu)鋼很容易產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷，鋼材的力學(xué)性能會(huì)急劇下降。

5.其他的改進(jìn)措施

在生產(chǎn)過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)狀碳化物，這些物質(zhì)的特點(diǎn)是有的硬度過(guò)高或硬度不夠、硬度不均、鍛件流線(xiàn)分布不順。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要防治措施是，需要加熱爐體結(jié)構(gòu)和燒嘴高低位置使噴出火焰分散。注意裝爐位置是否合理。

6.結(jié)束語(yǔ)

上文中介紹了有關(guān)模具鍛造過(guò)程會(huì)出現(xiàn)的缺陷以及防治辦法，在制造過(guò)程中需要制定合理的鍛造工藝，采用正確的鍛造方法是保證模具毛坯質(zhì)量，一方面提高模具使用壽命，另一方面，要降低生產(chǎn)成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]譚補(bǔ)輝.熱作模具鋼鍛造加工的缺陷及預(yù)防[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2012，（5）：105-105.

[2]朱宗元.我國(guó)熱作模具鋼性能數(shù)據(jù)集[J].機(jī)械工程材料，2001，25（1）：40-42.

[3]肖峰，江雷，唐華等.熱作模具鋼4Cr5MoV1Si熱處理工藝改進(jìn)[J].熱加工工藝，2012，41（16）：197-199.