汽车零部件的热锻模具失效分析 Ryuichiro Ebara , Katsuaki Kubota (Ryuichiro Ebara：机械系统的工程，广岛技术学院， 2-1-1 ，三宅，佐伯区，日本，广岛731-5193Katsuaki Kubota ：14 nichidai公司， Shiotani ， Zenjoji ，町Ujitawara ，都筑郡，京都610-0201 ，日本2007年10月16日接收， 2007年10月19日被认可，2007年11月4日发表)摘要汽车零部件的热锻模具失效影响变量和原因已经进行了总结热锻模具的失效特性已经被例证工程失效分析中微观断口形貌成挤压状态对于热模锻模具失效是一个重要因素然后分析了热锻模具失败的例子锻模失效及其对策措施和相互影响的变量如模具材料、模具设计、模具制造、锻造操作最后一对夫妇的推荐工程失效分析工作热锻模失效是触及了汽车零部件作了简要介绍 2007爱思唯尔有限公司保留所有权利关键词：热锻模具;微断口形貌 ;拉伸区;低周疲劳，热疲劳1. 简介 汽车零部件热锻模具失效由不足的变量造成，如模具材料，模具设计，模具制造和锻造操作。
为了防止模具失效，迄今已作出许多努力提高模具寿命 在本文中对汽车零部件热锻模具的工程失效分析的几个重要问题从作者的实验结果进行了主要概括汽车零部件模具失效的影响变量和原因进行了分类汽车零部件热锻模具失效的宏观特征作为汽车零部件的热锻模具的典范代表工程失效分析中微观断口形貌成挤压状态对于热模锻模具失效是一个重要因素然后，然后分析了热锻模具失败的例子锻模失效及其对策措施和相互影响的变量如模具材料、模具设计、模具制造、锻造操作最后对汽车零部件的热锻模具工程失效分析中应解决存在的未来问题作了简要描述2. 失效热锻模具的宏观特征和失效原因大部分的热锻模的失效是由于影响变量不足如模具材料,模具设计、模具制造、锻造操作热锻模失效的影响变量和原因可分类为如表1 [1]所示 热锻模经常在应力集中的拐角处失效图1显示了一个典型的失效热锻模具关节从表面宏观断口，它可以很容易判断，脆性破坏从拐角开始的这些裂缝经常可以在热锻模具关节，连杆，曲柄轴和法兰汽车零部件观察到然而，在低倍率观察，大部分的脆性断裂从机械和热疲劳短裂纹拐角处开始这些失效在热锻模关节，法兰，凸轮轴和汽轮机叶片汽车零部件锻模上观察到[2] 。
图2显示了2000锻造操作[3]后SKT4钢法兰模具的断裂面它可以很容易地确定从表面发起冲击破坏深度在2.6毫米图3显示了一个典型连杆[1]在热锻模具的热裂纹观察这些表面裂纹引起锻件产品质量不足的原因图 4和5分别显示带关节的锻模表面裂纹观察和锻造后关节表面的表面裂纹[1]表1热锻模具失效的影响变量和原因[1 ] 影响变量失效的原因模具材料 锻造比不足非金属夹杂物清洁不合理热处理不足模具设计小圆角半径形状设计不合理模具的宽度和厚度的短缺锻造形状不足模具制造表面加工不合理表面处理不足电引发的不规则表面补焊锻造操作不足预先加热模具面不合理不足的钢锭加热润滑不足图1、一个汽车的关节锻造模具宏观断口[ 1 ] 箭头A和B显示了裂纹的萌生点， SKD62R.图2、锻造法兰轭断裂表面失效[3]箭头显示在冲击破坏发起的硫化锰3、 热锻模具失效分析中失效分析过程和微观断口形貌的作用 失效的的热锻模的失效分析过程基本上是相同的传统的机械部件研究过程如图 6 [ 1 ] 起初热锻模具失效情况及其相关数据可以被捕捉到。
然后对失效的热锻模进行宏观观察可以分别对锻压设备，模具制造工艺和锻造模具钢的热锻模具失效的影响变量进行调查进研究对有针对性的失效原因进行了详细的故障分析如果需要进行热锻模具失效的模拟试验确认故障原因后的对策，制定了 在详细分析的过程进行显微观察作为与故障分析经常采用传统的机械和结构微观断口的比较到目前为止还没有经常应用在热锻模具失效被认为有两个原因第一，如上述提到的脆性断裂可以很容易用宏观观测确定而不用微观观察第二，有很少的基础类型去确认硬质材料包括锻造模具钢的失效图3、连杆的热锻模具失效[1] 热锻模具失效关节[ 1 ] “a ”显示在锻模出现小的撕裂 因此对热锻模钢材进行拉伸，冲击，低循环疲劳和热疲劳试验然后每个失效的基本微观断口数据可以从实验中获得[4-6] 对带裂纹的2毫米U型缺口摆锤冲击试进行冲击试验图7显示SKD61钢的动态冲击断裂韧性K1d作为测试温度最大K1d达到573 K.韧脆转变温度在423 K图8显示SKD62钢的冲击断裂面解理断裂在室温下观察（图8a），而观察韧窝在673 K （图8b）热锻模具钢的韧脆转变温度一般在373 K至423ķ范围断裂和沿晶断裂的混合模式主要是在温度低于韧脆转变温度，而韧窝是在温度高于韧脆转变温度。
因此冲击韧性或脆性断裂是可使用这些微观冲击断口表面特性定性鉴定图9展示锤锻模具钢SKT4的疲劳和冲击失效表面的拉伸区间.疲劳断口观察显示了较高的测试温度具有更广泛的伸展区宽度图10显示K1d等效延伸区宽度 最后提到热锻模具失效的温度通过测量拉伸断口区宽度可以定量确定图5、锻造关节[ 1 ]处的小裂缝箭头指向小裂缝图6、热锻模失效分析过程[ 1] 图7、动态断裂韧性等效测试温度 K1d [4]图8、冲击断口， SKD62 [4 ]： （一） RT ;（二） 673 K 对SKD62 钢圆形缺口应力集中的圆棒试样，在室温下， 473度和723度的室温和573 K和1CT试样裂纹扩展试验 进行2.3的低循环疲劳寿命试验在低循环疲劳寿命的断裂表面观察的结果测试标本失效条纹周期高于100（图11D ） 在循环次数低于10的情况下，疲劳裂纹源区域可观察到韧窝 （图11b）在断口裂纹扩展测试标本在室温下， 473 K和723 K时出现裂纹 图9、拉伸区， SKD62 [2]： （a）逆转录（b） 673 KSZ：拉伸区，F：疲劳， ：C:解理，D：酒窝图10、动态断裂韧性K1d的等效延伸区的宽度。
在实验室当加热温度的升高，SKD62钢板试样的热疲劳试验热疲劳测试仪器的裂纹萌生周期数量减少热疲劳裂纹伴随穿晶传播路径和纹状的图案出现（图12） 图13所示经过1000热锻操作的齿轮热锻模具失效断裂面热疲劳裂纹主要出现表面上此外，观察断裂面可以辨别条纹或条纹状花纹这些条纹或条纹状花纹是和图12观察的非常相似热疲劳失效可以定量确定条纹状花纹利用热模锻失效的周期疲劳和热疲劳条纹间距的定量分析是未来的问题图11、低周疲劳断裂表面[2] （a，b ）轴向应力： 1274.9 MPa和循环次数： 7 （ c，d）轴向应力： 1029.7 MPa和周期数： 1.4 103 （ b，d）是（ a，c）分别扩大 箭头显示裂纹扩展方向4、热锻模具失效及对策分析实例4.1、锻造模具钢引起的热锻模具失效热锻模具钢的一个重要的力学性能是断裂韧性众所周知断裂韧性是与钢锭的各向异性不同在锻锤模具钢SKT4冲击测试结果中 ，2毫米U型缺口摆锤在573k的影响值的差异表明在不同的方向的40％[1 ]因此，在热锻模具模具设计重力方向必须考虑到锻造模具钢的比例和流动方向图2中1毫米的长度的非金属夹杂物硫化锰可以在冲击失效的的启点观察到。
这种钢的清洁度D6 400 是0.083 ，表明值正常这种钢的微观结构也正常据说这种失效由不当锻件和锻造比不足造成锻件锻造比和数量的控制可阻止这种失效耐磨损性和可加工性也热锻模具钢的重要性能通过严格控制熔化到加热热锻模具钢可以防止热锻模具的失效图12、CT试样的热疲劳断裂表面[ 5] （a）加热温度： 673 K和循环次数：100（b）加热温度： 873 K和周期数：100 4.2热锻模模具设计引起的失效大多数热锻模具失效从压痕拐角开始因此在模具设计中压痕拐角决定图其尺寸是非常重要的 可以对SKD62钢圆棒应力集中系数为1.4-2.6 u的缺口试样进行低循环疲劳试验图14显示了104次的疲劳强度和应力集中系数之间的关系在104周期下提高应力集中系数疲劳强度降低热锻模具钢的低周疲劳强度与热锻模具是不完全重合然而热锻模具几乎要考虑重复机械加载引起的裂纹源和在压痕拐角的应力集中之间的关系为了防止热锻模具失效和压痕拐角尺寸必须非常仔细地确定[1]4.3、模具制造一起热锻模失效如扩散氮化和离子氮化等表面处理经常用于热锻模，以防止模具失效，延长模具寿命很明显，表面处理效果如扩散氮化和离子氮化不能在高应力区域预期（图15） 。
反复的压力和预期改善的周期数列于表2 表面处理的疲劳强度取决于表面硬度，淬火硬化层深度和性质的差异图16显示改善表面处理的预期应力的和应力集中系数之间的关系表面处理可以降低预计应力集中系数图13、倒档热锻模具的热疲劳断裂面[5]： （a）启始; （b）从表面0.75毫米图14、 104次的疲劳强度和应力集中系数之间的关系[ 1 ]图15、表面硬化SKD62 钢对低循环疲劳强度的影响[4]表2表面硬化对低循环疲劳强度影响[4 ]表面处理rc/rBNC 周期离子氮化(773 K *30 h)0.793 * 103离子氮化(723 K *30 h)0.735 * 103扩散渗氮(823 K *12 h)0.637 * 103rc：抗拉强度，rb：预计应力， NC ：预期的表面硬化效果的周期数图16、预计表面硬化效应的应力和应力集中系数之间的关系4.4、锻造操作引起的热锻模具失效正如上述提到的热锻模具钢的断裂韧性被设计成约573 K具有最大疲劳韧性.这意味着锻造操作前进行预热是绝对必要的到目前为止，热锻模预热温度不足造成的失效被当做锻造操作 最近测量断裂表面的伸展区宽度能定量假设热锻模失效的预热温度。
图17显示连杆和倒档的热锻模具断裂表面观察的拉伸区疲劳和冲击断裂面可以清楚地观察伸展区利用如图 6中的关系，动态断裂韧性K1d可以从测得的延伸区宽度建立然后加热温度可以从如图7所示的关系获得连杆的热锻模， SZW ; 12.5lm， K1d ; 34.1MN m3/2和失效温度328 K.在这种情况下，预热温度不足和失效温度被认为是低于373 K由于预热不够在10次锻造操作后可以再模具表面发现裂纹对于倒档热锻模具， SZW; 41lm， K1d ; 47.4MN m3/2和失效的温度; 473 K在这种情况下的预热是有足够的和失效的原因被认为是不当的模具设置在如图2中热锻在法兰模具失效情况，伸展区宽度也被测量失效温度被确定为373 K图17、热锻模的断裂表面拉伸区间[1] ： （a）连杆（b）倒档的C：裂解，F ：疲劳;SZ：拉伸区域5、 结束语 在这个文章中热锻模具失效的影响变量和原因，模具失效特征，失效热锻模具及其对策的分析例子都做了简要分析热锻模失效是复杂的，因为存在多种影响变量如模具。