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1、24 模具制造对失效的影响 模具制造包括了模具毛坯的锻造、零件的切削加工、电加工和热处理等。模具的制造过程对模具的寿命有很大影响。,241 模具毛坯的锻造 模具材料主要采用高碳钢或高碳高合金钢。由于冶金技术的影响，这些材料不同程度地存在成分和组织的偏析、碳化物粗大不均匀、晶粒粗大等缺陷，使得钢材的性能下降。因此，模具毛坯采用锻造工艺的目的主要是为了改善材料内部缺陷，获得模具所需要的内部组织、使用性能以及一定的形状和尺寸。模具毛坯的锻造是重要的热成形加工工艺，也是提高模具寿命的重要手段。模具毛坯的锻造要经历加热锻打成形冷却的工艺过程，每一环节操作不当都会产生新的缺陷影响毛坯质量。因而，根据模具的
2、要求及特点，对模具毛坯进行正确的锻造和锻后热处理，对防止模具早期失效具有重要意义。,2411 模具毛坯的锻造缺陷 模具毛坯的锻造质量和存在的缺陷，与模具钢的材质、锻造加热、锻造方法和锻后冷却等诸因素有关。对模具失效影响较大的除了锻造的一般缺陷外，主要还有碳化物的形态和分布均匀性不良，流线的走向和分布不合理等。,1锻造的一般缺陷 锻件常见的表面缺陷有裂纹、鳞皮、凹坑、折叠等；常见的内部缺陷有过热、过烧、疏松、组织偏析、流线分布不良等。尤其是高碳高合金模具钢锻件，因其具有塑性低、塑变抗力大、导热性差、锻造温度区间窄、组织缺陷较严重、淬透性高、内应力大等特点，很容易产生锻造缺陷，锻件的报废率也较高。
3、这些缺陷或可成为模具断裂的裂源，或影响模具热处理工艺性及热处理后的强韧性，增加模具早期失效的倾向。,锻件表面缺陷的深度如果在加工余量之内，则经加工去除后，对模具的质量并无显著影响。但若存在表面深裂纹、过烧等不可挽救的缺陷，锻件只能报废。而锻件的某些内部缺陷，如碳化物严重偏析、流线分布不合理等，则须通过进一步锻造来改善。,2碳化物形态和分布均匀性不良 合理的锻造工艺，如采用大锻造比、反复镦拔并正确控制停锻温度和锻后冷却速度等，能够细化钢中的碳化物，改善碳化物分布的均匀性，减轻偏析程度。但大、中截面的高碳高合金钢模具，其碳化物偏析较严重，锻造的难度也较大，锻造后仍可能存在碳化物形态和分布均匀性不良
4、，以致影响模具的内在质量。,3流线走向和分布不合理 钢在锻压加工时，内部的非金属夹杂物随着金属的塑变流动而延伸，在其低倍组织中形成明显的流线。流线会引起模具锻坯的各向异性，即顺着流线方向上的力学性能明显高于横向。对于重载模具，如果它承受最大拉应力的方向与流线方向垂直，就很容易发生早期劈裂失效，如图2-32所示。因而，就高碳合金钢重载模具来说，流线方向及分布的合理性，要比碳化物的不均匀性，对模具失效的影响更大。,合理的流线走向和分布也要通过锻造来实现。如对重载模具，应根据模具型腔的受力情况，通过锻造使流线走向与最大拉应力方向一致，并沿型腔表面连续分布，不被切断；对精密模具，应通过锻造使流线无定向
5、均匀分布，从而使热处理变形各向均匀一致，便于控制。,2412 模具毛坯的锻造工艺 为了避免锻造缺陷，保证锻坯质量，模具毛坯的锻造工艺应注意以下几个方面。 1锻锤吨位的选择 实施锻造的锻锤，其吨位的选择应和模具毛坯的重量及模具材料的塑变抗力相适应。锻锤吨位过小，锻打不深不透，芯部组织得不到改善；吨位过大，则易打击过重，造成锤裂。锻造高合金钢模具毛坯时，锻锤的吨位应大些，如37kg的坯料可选用500kg锻锤，515kg坯料可选用750kg锻锤等。,2锻造温度区间和锻后冷却 模具毛坯的锻造温度区间和锻后冷却方式应根据模具材料的成分和性质合理选择。始锻温度应使坯料具有高的塑性和低的塑变抗力，但温度也不
6、宜过高，以免过烧或过热。终锻温度应考虑不致引起锻裂或产生过大的内应力而不宜过低，但终锻温度过高时，会引起晶粒长大、萘状断口、析出网状碳化物等缺陷。,模具毛坯锻造后的冷却，原则上既要防止在Ar1点温度以上冷速过慢而析出网状碳化物，又要防止以后的冷却过快而产生过大的内应力，甚至造成裂纹。Cr2、CrWMn、9SiCr等合金工具钢，对析出网状碳化物和冷裂这两种倾向都比较敏感，其锻后的冷却方式应先快后慢。高合金莱氏体钢主要是冷裂倾向大，锻后应及时埋入热砂或热灰坑中缓冷。,3模具毛坯的锻造方式 由于形状和用途不同，模具毛坯的锻造方式分为以下几种。 （1）基本锻造方式 为了改善模具毛坯中碳化物的均匀性和流
7、线分布的合理性，所采用的基本锻造方式有轴向镦拔、横向镦拔和多向镦拔。,轴向镦拔是沿钢料轴向反复镦粗拔长。这种锻造方式使组织最细密的钢材表面在镦拔后仍处于圆周表层，因而适用于工作部分沿圆周分布的重载模具，如滚丝模、圆剪刃等。但芯部金属塑变流动较小，即心部组织改善的效果较差。,横向镦拔是将钢料轴向镦粗后转90方向，沿垂直于流线的方向作多次镦拔成形。这种锻造方式使钢材原来的表面层处于模具的端面，且心部组织改善效果好，因而适用工作部分（型腔或刃口）位于端面的模具。但因端面处的流线呈横向分布，会引起淬火变形的各向异性，这种锻造方式不适合要求淬火微变形的精密模具。,多向镦拔综合了轴向、横向锻造的优点，是沿
8、三维方向对钢料轮番进行反复换向的锻造。这种锻造方式易使钢料锻透，变形均匀，碳化物细碎，对组织的改善程度高，因而是获得优质模具毛坯的最佳方式。但操作复杂，锻造开裂倾向较大，流线分布难以掌握。,（2）精密模具的锻造特点 精密模具包括淬火前镗好工作孔或配好间隙的薄板冷冲模和淬火后加工余量极小的塑料模、压铸模等。这些模具受力不太大，但要求热处理变形严格，锻造的主要特点是形成有利于减小淬火变形的流线分布，并使碳化物尽可能细小均匀。对小型模块一般采用轴向镦拔，使流线呈轴向或辐条状分布；对中型模块采用多向镦拔，使流线和碳化物呈无定向分布。,（3）重载模具的锻造特点 重载模具，如镦锻、挤压、厚板冲裁等模具，承
9、受较大的机械载荷，服役中易发生断裂失效。这类模具锻造的主要目的之一是使热处理后获得高的强韧性。为此，应选用足够能量的锻锤，采用一定的锻造方式，使模具毛坯的基体组织致密，碳化物颗粒细小均匀。同时，应使流线合理分布，使钢料表层配置于工作部位，使流线走向与易断裂面垂直。或者采用冷压、热压等塑变成形工艺压制模具型腔，使流线沿着型腔表面连续分布。,2413 模具毛坯的预备热处理 锻造后的模具毛坯一般须进行预备热处理（简称预处理），以消除锻坯中的残余内应力和锻造组织的某些缺陷，改善切削加工性能或冷压成形性能，并为以后的淬火作好组织准备。它对模具失效的影响主要是通过改善被加工表面的质量和提高淬火质量来体现的
10、,1预处理对切削加工的影响 锻坯的切削加工性主要取决于它的成分、组织和硬度。而当材料选定时，就要靠预处理获得适宜的组织和硬度。一般钢材适于切削加工的硬度范围是160230HBS。对具有复杂型腔的模具来说，要求其切削加工性好，锻坯的硬度应控制在179217HBS的范围内。据此，对不同种类的模具钢，可有不同的预处理工艺。如对高碳模具钢应采用球化退火工艺；中碳模具钢一般采用完全退火；低碳模具钢一般采用正火。,2预处理对淬火质量的影响 预处理对淬火质量的影响，在很大程度上取决于它对钢中碳化物的形状、尺寸和分布的改善程度。细球化体的过热敏感性小，淬火时晶粒细小均匀，易形成隐晶马氏体或板条马氏体加细小未溶
11、碳化物组织，有利于提高耐磨性和强韧性并减少淬火变形、开裂。因而，共析和过共析的模具钢，通过预处理获得细球化体组织，不仅有利于切削加工，还有利于提高淬火质量。但是，如果预处理组织中含有细片状珠光体，则不能达到预期的效果。,3模具毛坯的预处理工艺 用于模具毛坯预处理的工艺有正火、球化退火、高温回火和调质处理等。 （1）正火 正火可以消除模具毛坯锻造时的组织缺陷，如细化晶粒、消除网状碳化物等。对渗碳钢模具毛坯，正火可细化大块的先共析铁素体，以改善切削加工性能。,（2）球化退火 球化退火是为获得细、小、匀、圆的球化体组织。细球化体硬度较低、塑性较好，冷作硬化倾向小，利于切削加工和冷压成形，利于淬火时获
12、得良好的组织。共析钢、过共析钢模具，拟采用冷压成形的中碳钢模具，在锻造后均应球化退火。若锻坯组织中有网状碳化物，则事先应采用正火工艺消除之。,（3）高温回火 高温回火在这里是指于相变临界点Ac1以下进行加热、保温和冷却的工艺，而不局限于加热前的组织是否处于非平衡态，故又可称为低温退火。它可用于旧模翻新或模具返修的淬火之前，以消除应力、软化组织。也可用于用含钨模具钢3Cr2W8V、5CrW2Si等制作的模具锻造之后，以获得细球化体组织。,（4）调质处理 模具毛坯经调质后可获得很细的球化体，其切削加工性好，能使钢的淬透性和淬硬性提高，有利于减少淬火变形、开裂，并能提高淬火组织的强韧性。,242 模
13、具的热处理缺陷 热处理工艺对模具材料的改性有着非常重要的作用，但一般的热处理过程都会使材料产生各种缺陷，影响模具承载能力，降低使用寿命。热处理缺陷可以分为两类，一类表现为对模具表面或内部组织和性能的影响，这类缺陷一般都能采取相应的技术措施处理解决。另一类缺陷是引起模具的热处理变形，这类缺陷影响模具的尺寸精度和位置形状精度。为此，要耗费大量工时对变形模具进行校正和修磨后才能正常使用，当变形程度超过模具零件尺寸或形状变化的要求而导致无法校正时，就会造成模具的早期失效。,2421 模具热处理的一般缺陷 1过热和过烧 由于加热温度过高、保温时间过长及炉内温度不均匀等，引起模具钢晶粒粗大的现象称为过热。
14、当加热温度过高而引起晶界出现局部熔化和氧化的现象称为过烧。 过热现象会使模具的力学性能变差，尤其是冲击韧度下降，产生变形和开裂，使用时，易引起早期损坏。过热现象通过重新加热的方法可以消除。而出现过烧现象时模具只能报废。这种缺陷常见于碳化物偏析严重的高碳高合金钢的高温淬火加热。,2氧化和脱碳 模具淬火加热时保护不良，介质中含有较多氧化物或腐蚀物质，加热超过一定温度时会使模具表面氧化、脱碳或腐蚀。氧化使表面形成氧化皮，影响冷却的均匀性。氧化和腐蚀使模具表面的粗糙度变差和精度下降。脱碳则造成淬火后硬度不足或出现软点、软块，并降低模具的耐磨性、抗咬合能力、疲劳强度和热疲劳抗力。采用盐浴炉加热和箱式保护
15、加热可以有效防止氧化脱碳的产生。,3热处理裂纹 模具预处理组织不良、碳化物偏析严重、冷加工应力过大、淬火操作不当、模具本身形状复杂薄厚不均等，都可能导致产生淬火裂纹。淬火裂纹将使模具报废，不易发现的裂纹将引起模具的早期断裂。 常见的裂纹有纵向裂纹、横向裂纹和表面裂纹，见图2-33。,（1）产生裂纹的主要原因有 原材料内有显微裂纹；未经预热而使用过急的加热速度；冷却介质选择不当，冷却速度过于剧烈；在MS点以下，冷却速度过大；多次淬火而中间未经充分退火；淬火后未及时回火（热锻模及高合金钢模具更为突出）、回火不足或在回火脆性区域回火；表面增碳、脱碳；化学热处理不当，多次渗金属或渗金属时温度过高。,（
16、2）防止裂纹的措施 1）严格控制原材料的内部质量，防止由于材料缺陷而导致模具在热处理过程中出现的裂纹。 2）淬火前采用一定的工艺措施。 采用预热或充分烘烤，高合金钢尽量采用两次预热。 凹槽丝孔、尖角、非工作部位的直角，尽可能用耐火泥、石棉绳、薄铁皮堵塞或包扎，以减少这部分的冷却速度。 模具加热后淬火前应进行充分的预冷，以减小温差，防止开裂。,3）选择合理的淬火工艺。 形状复杂、截面相差悬殊的模具，采用碱浴或硝盐浴分级或等温淬火。 凡采用水-油双液淬火的模具，在水中停留时间必须严格控制，一般每46mm取1s。 分级淬火冷却的模具，自分级淬火冷却介质中取出，待冷到室温后再清洗，严禁立即放入水中清洗。 4）凡已淬好的模具需立即回火。合金钢模具应采用两次以上的回火。 5）凡需返修或重新淬火的模具，必须进行充分的中间退火。,（3）检查裂纹的方法有： 1）磁粉探伤法 检查钢材内部显微裂纹与表面微细裂纹。 2）肉眼观察法 形状不良引起的热处理裂纹，多数呈弧状，裂纹多
