幾種模具失效分析及熱處理工藝改進
2019-12-10 田邵潔
（大連圣潔熱處理研究所）
1.Cr12MoV鋼冷沖壓模具線切割時開裂
鏈板落料凹模外形尺寸為413mm×274mm×70mm，距模具周邊25mm左右分布14個Ф12mm通孔，技術(shù)要求60～62HRC。我們采用高溫箱式爐氬氣保護1030℃加熱，緩冷至850℃入60℃油冷至150℃左右出油，入180℃井式爐回火，3h回火2次，冷卻至室溫后又在170℃回火爐中回火12h，硬度60～61HRC。該件交付用戶后，經(jīng)過表面磨削又進行線切割加工，線切割加工到一半時，出現(xiàn)開裂，縱向二道裂紋，橫向二道裂紋，使模具報廢。
經(jīng)過失效分析，我們認為該模具的熱處理工藝操作正常，主要原因是該模具的設(shè)計及冷加工工藝不合理，一是硬度要求高，60～62HRC使得高溫回火不能進行，只好采用低溫回火，而應(yīng)力消除不好造成線切割加工過程中應(yīng)力釋放而開裂；二是線切割工藝不當(dāng)，模具的尺寸要求線切割沿周邊52mm割去心部，在線切割前沒有任何的工藝孔釋放應(yīng)力，使得模具在線切割過程中開裂；三是鍛造廠家只能提供6級碳化物級別的模具坯料加上退火不好，造成熱處理后應(yīng)力增大。
解決辦法為：
①降低硬度為58～60HRC，采用1060℃油冷和520℃×3h，二次回火，高淬高回的工藝，保證硬度的同時消除內(nèi)應(yīng)力。
?、跓崽幚砬鞍涯＞呒庸こ煽招男螤?，除去心部應(yīng)力。
?、垡箦懺鞆S家按國家標(biāo)準(zhǔn)鍛造及退火保證鍛件質(zhì)量。這樣隨后加工的模具，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了客戶的要求。
2.H13鋁合金擠壓模淬火后開裂
外形尺寸為Ф270mm×210mm內(nèi)孔為Ф170mm的鋁合金擠壓模具，兩個工件出自不同的鍛造廠家和不同的冷加工廠家，我們采用真空爐加熱，1030℃保溫緩冷后入35℃油中冷卻80℃左右出油空冷，在室溫下放置1h后，其中一件沿表面的溝槽開裂。
查其原因：
①油冷時油溫較低，應(yīng)該采用60℃油中冷卻。
?、诔鲇蜏囟鹊?，應(yīng)該在150℃左右出油。
?、鄢鲇秃髴?yīng)及時回火。
④是冷加工時刀痕的影響，失效分析指出裂紋是沿表面的溝槽開裂，這個工件的溝槽底部不如另一件那樣有過渡圓角。
?、菽＞咴峡赡苡袉栴}，客戶明確說明，此件是試驗件。
3.Cr12鋼冷作模具磨削裂紋
有一個客戶的Cr12冷作模具經(jīng)常出現(xiàn)明顯的磨削裂紋，并且表面的磨削痕跡很明顯，經(jīng)過反復(fù)研究與探討，一是和用戶協(xié)商，改變磨削工藝，改變砂輪粒度及磨削進給量；二是改變原材料進貨渠道，爭取購進合格的Cr12鍛造坯料，保證原材料質(zhì)量；三是和用戶協(xié)商降低熱處理后的硬度為58～60HRC，四是改進熱處理工藝，采用1030℃加熱及520℃回火的高淬、高回的工藝，保證了熱處理后應(yīng)力更好消除，以避免開裂。這樣，以后熱處理后模具的磨削裂紋減少了許多。
4.DC53及Cr12鋼冷作模具的熱處理后的尺寸變化及控制
一個客戶的DC53模塊，尺寸為90mm×80mm，淬火時經(jīng)常發(fā)生縮小，有一次8個模塊采用1030℃真空爐加熱，緩冷0.5min，油淬，油溫為60℃，500℃×2h二次回火后，90mm長邊縮小了0.3mm，80mm短邊縮小了0.29mm，查其原材料淬火時大致尺寸變形為表1所示，回火后要縮小0.10mm左右。
表1 淬火后尺寸改變（樣品尺寸：100mm×100mm×25mm）
為此經(jīng)過研究分析，我們決定改進熱處理工藝，把加熱后出爐緩冷的時間由0.5min增加至2min，再經(jīng)過處理的模塊就控制在+0.10mm左右，滿足了客戶的要求。查其主要原因是：原來采用真空爐加熱時，緩冷時間短而在隨后的油冷時，導(dǎo)致熱應(yīng)力為主而使得材料發(fā)生縮小，在隨后的熱處理工作中，我們掌握了這一規(guī)律，使得模具的熱處理變形得到了很好的控制。
一次客戶送來兩套外形尺寸為600mm×350mm×90mmd凸凹模，型腔已經(jīng)由線切割加工完畢，要求硬度的同時，必須保證不縮不漲，否則會造成廢品，為此我們根據(jù)經(jīng)驗，確定了工藝，把緩冷時間定為3min，淬火回火后不但達到硬度要求，并且尺寸僅漲大0.1mm，滿足了客戶的要求。另外，還有根據(jù)材料的特性來確定淬火回火工藝參數(shù)。以控制變形，例如對于一些國外進口的模具鋼，大多給出了淬火溫度和回火溫度尺寸改變的影響曲線及圖表，對于淬火如表1所示，對于回火一般的經(jīng)驗是Cr12類模具鋼的回火尺寸變化從200℃到500℃時逐漸縮小，但到500℃時則開始漲大，并且軸向和徑向變化率并不相同，所以在生產(chǎn)中應(yīng)該把握各個鋼種的變形特點并參考硬度及強度要求合理制定熱處理工藝，才能滿足客戶要求。
5.消除應(yīng)力的幾種辦法
為了消除機加工應(yīng)力，以減少淬火時的變形或開裂，對于一些形狀復(fù)雜或多孔的模具，應(yīng)該在粗加工和精加工之間增加一次去應(yīng)力的高溫回火（或是調(diào)質(zhì)），可是實際上因為冷加工時增加這道工序影響加工周期，模具生產(chǎn)廠家在半精加工，甚至精加工后才把模具送到我們工廠進行熱處理，這樣使得熱處理時，冷加工的殘余應(yīng)力釋放而使得變形增加。
另外，由于不少廠家為了降低生產(chǎn)成本而購買價格低廉的模具原料，這些原料生產(chǎn)廠家并沒有很好地進行鍛造和球化退火，也使得隨后的熱處理過程中應(yīng)力釋放和組織不均勻性導(dǎo)致模具變形。
為此，對于一些重要模具，我們在進行熱處理之前，增加一道去應(yīng)力回火的工序，一般采用350～400℃，6～12h出爐空冷，或650～700℃，2～4h，爐冷至500℃出爐的熱處理工藝。經(jīng)過這樣預(yù)處理的模具變形大大降低，保證了熱處理后的模具尺寸合格。
對于熱處理后需要滲氮處理的有些模具，淬火后回火溫度為570～580℃，以保證隨后的570℃左右的滲氮處理時，工件不發(fā)生變形。
6.T10鋼冷擠壓凹模高溫淬火表面改性
T10鋼模具常規(guī)的淬火工藝為800℃，硬度可達到62HRC，但這樣處理的鏈條滾子冷擠壓凹模壽命僅為2000次左右，就因為內(nèi)孔磨損超差而失效。經(jīng)研究及工藝試驗，我們把外形尺寸為Ф100mm×50mm的冷擠壓凹模加熱溫度定在960℃，保溫為15min，在鹽爐加熱出爐后內(nèi)孔噴水冷卻，內(nèi)孔周邊1.5mm內(nèi)硬度較高，為66～67HRC，大大提高了耐磨性，模具壽命提高至26，000次，使用壽命提高10倍以上。
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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