热作模具钢3Cr2W8V的失效分析及解决方案
热作模具钢3Cr2W8V的失效分析及解决方案
热作模具钢3Cr2W8V的失效分析及解决方案
3Cr2W8V钢中的主要合金元素的含量是W18Cr4V钢的一半,因此又称为半高速钢,是我国产量较大的热作模具钢之一。由于含W高,当温度大于或等于600℃时,其高温强度、硬度等要高于铬系热作模具钢。但由于其淬火温度较高,易引起晶粒粗化,会显著降低钢的韧性、塑性和冷热疲劳抗力。该钢主要用于制作高温下高应力、但不受冲击负荷的凸模、凹模,如平锻机上用的凸模、凹模、镶块、铜合金挤压模、压铸用模具;也可用于制造同时承受较大压应力、弯曲应力、拉伸应力的模具, 如反挤压的模具;还可用于高温下受力的热金属切刀。其化学成分及临界温度：
化学成分( 质量分数,%)：
C Cr W V Si Mn
0.30~0.40 2.20~2.70 7.50~8.00 0.20~0.50 <0.40 <0.40
临界温度/℃：
Ac1 Ac3 Ms
810 1120 380
3Cr2W8V钢的冷热疲劳性较差,尤其是用水冷却时,模具的热疲劳寿命更低。3Cr2W8V钢冷热疲劳性差的原因除含钨量高外,另一未被充分认识的原因是不尽合理的碳含量。这些常常导致模具失效,而大型的热作模具制造费用高昂,一旦造成失效将造成重大的损失而且严重影响生产效率。本文重点讨论了3Cr2W8V钢热作模具失效形式以及相应的解决方案。
㈠模具失效的形式
⒈3Cr2W8V钢热作模具设计、加工不当造成的失效
3Cr2W8V钢热作模具的失效包括模具的设计造成的失效,其中模具过载设计(工序划分不当) 、工具形状和精度不良( 应力集中L/D较大) 和加强环预应力不足为主要因素,还包括加工不当造成的失效,比如表面粗糙度不良、残存有刀痕、圆角R太小、残存有脱碳层以及残存有放电加工变质层等。尖锐转角和过大的截面变化造成应力集中,常常成为模具早期失效的根源。并且在热处理淬火过程中,尖锐转角引起残余拉应力,会缩短模具寿命。而薄壁和断面太薄则除导致应力集中外,还易造成强度不足,导致塑性变形或开裂失效。
⒉3Cr2W8V钢热作模具热处理不当引起的失效
3Cr2W8V钢含有较多碳及合金元素,导热性差,透热速度慢,因此如果加热过快,模具内外产生很大的热应力。如果控制不当,很容易产生变形或裂纹,甚至开裂。3Cr2W8V钢淬火过热会引起钢的晶粒长大,冲击韧度下降,使模具发生崩刃或早期断裂的危险性增加。模具在淬火或高温回火时未加保护,将引起表面脱碳。如果未将表面脱碳层除去,将严重降低模具的耐磨性,缩短疲劳或冷热疲劳寿命。模具回火不充分,将在模具中残留较大的淬火应力,并使模具的韧性下降,容易发生早期断裂。
⒊3Cr2W8V钢热作模具使用不当引起的失效
热处理不当引起的3Cr2W8V钢热作模具失效形式主要有三种:热磨损、热疲劳和两者同时发生。模具的工作条件实际是严酷的。有较多的工作条件因素对模具的失效有影响,如压力机的刚性差、精度低、加载速度过大、压力机吨位过高或过低,工作频次过高、被加工零件材料的因素、模具的冷却和润滑条件等。
㈡模具失效的解决方案
⒈合理设计、加工模具
尽量避免尖锐圆角和过大截面变化,尖锐圆角引起的应力集中可高达平均计算应力的十多倍;过大截面变化易引起热处理变形与开裂。对于形状复杂且易变形开裂的模具可设计为组合式。同时在选用3Cr2W8V钢前先通过真空冶炼或电渣重熔,提高 模具钢材的材质。根据3Cr2W8V钢制P-Cu合金焊料热挤压模淬火时或使用中多次发生早期开裂的原因,发现挤压模筒劈裂主要是由于结构因素引起应力集中以及模具内孔径向裂纹,对此,可设计成内外模套结构来改善之,热处理时还应适当提高淬火回火温度,再则降低加工粗糙度。
⒉采用合理的热处理工艺
为预防3Cr2W8V钢制热作模具失效,需制定合理的热处理工艺,热处理工艺应视模具具体的失效形式而定。
⑴3Cr2W8V钢热作模具失效形式为热磨损
这种失效主要是由于模具基体室温和高温硬度低、屈服强度低,而磨损抗力、热稳定性较差造成的。要提高模具使用寿命,主要有以下两种途径: ①提高常规处理工艺的淬火温度。文献[王德文.新编模具实用技术300例[M].北京:机械工业出版社,1999.]报道了3Cr2W8V钢制造汽车变速箱主轴齿轮胎模的情况,在常规热处理后,模具生产制品的数量少,脆性断裂严重,耐磨性差,常发生早期失效,使模具报废。当模具采用高温淬火、回火强韧处理后, 模具寿命显著提高,经济效益十分显著。这是因为提高淬火温度, 可使碳化物溶入奥氏体更充分,此外回火时马氏体的分解、晶粒再结晶长大和碳化物的析出聚集粗化等过程也都将推迟并减慢,因而模具材料具有更高的热稳定性;②采用表面强化工艺。表面强化工艺较多,如采用3Cr2W8V钢低温盐浴渗氮(QPQ)后耐磨性大幅度提高,这主要是由于QPQ处理后模具钢形成了高硬度的ε相Fe2~3N化合物组织,因此模具钢硬度比基体硬度大幅度提高,从而大大提高了模具钢耐磨性与抗咬合性能。氮化层明显,深度均匀,渗层与基体有明显清晰的界面。该渗层具有极高的硬度( 900~1130 HV0.1),较高的耐磨性和较好的耐蚀性。因此,温盐浴渗氮(QPQ)处理后, 热作模具钢3Cr2W8V钢具有组织均匀、结构致密的渗层,且具有很高的显微硬度、耐磨性以及强抗腐蚀性。
⑵3Cr2W8V钢热作模具失效形式为热疲劳
3Cr2W8V钢热作模具在服役过程中在循环温度下工作,并受到机械腐蚀和化学腐蚀的作用, 热疲劳破坏是其主要失效形式之一。实践表明,热疲劳裂纹常常萌生于模具型腔表面,因此, 采用适当的表面处理工艺保护模具钢表面是提高其热疲劳抗力、延长模具使用寿命的一种有效方法。用等离子气相沉积的方法在3Cr2W8V钢表面形成TiN等离子气相沉积层。结果表明: TiN沉积层可以有效地提高钢的热疲劳抗力,且随沉积层厚度减薄, 热疲劳抗力增加;随热循环上限温度升高, TiN沉积层的热疲劳抗力降低; TiN 沉积层具有很好的热循环稳定性及抗氧化性。高殿奎等[高殿奎付宇明. 3Cr2W8V热疲劳裂纹的止裂与修复[J] .中国表面工程,2001,(4): 42-44.]运用电磁效应理论最新研究成果,采用脉冲放电方法,对3Cr2W8V热挤压凸模的热疲劳裂纹实施了止裂试验。止裂后的裂纹尖端变得十分圆整,达到了钝化止裂的目的。根据显微组织分析证明,止裂处出现了强韧性极高的超细化组织,改善了裂纹尖端处的力学性能;止裂也为热疲劳裂缝刷镀修复创造了理想的先决条件。3Cr2W8V钢热作模具进行合理的表面处理工艺之后,可提高耐磨性和抗高温氧化性,而模具的热疲劳抗力与耐磨性和抗高温氧化性密切相关,因而提高了模具的热疲劳抗力。
⑶3Cr2W8V钢热作模具失效形式为热疲劳和热磨损
为预防3Cr2W8V钢同时发生热疲劳和热磨损失效,要求模具既具有较高的抗拉强度、屈服强度、抗回火稳定性和抗热疲劳等性能,又要求材料表面具有较高的耐磨性能。那么对3Cr2W8V钢可以采取以下两种方法: ①强韧处理。在材料热处理工艺中强韧处理主要是高温淬火加高温回火,淬火加热温度为1150~1200℃,回火温度为600~650℃。杨光龙等[杨光龙,黄晓琴. 提高3Cr2W8V钢热挤压模寿命的工艺措施[J].机械工艺师,2004,(5):31-32.]将淬火温度提高到1200±10℃,并通过630±10℃的高温回火两次,在油中冷却后再经160~200℃补充回火,使最终硬度为43~46 HRC。这是因为3Cr2W8V钢的合金碳化物溶入奥氏体,淬火后马氏体的合金度提高,增加了钢的回火稳定性,提高了模具的高温强度,从而延缓了模具工作部位的堆塌,推迟了热疲劳裂纹的起始时间。随着奥氏体温度的提高,板条马氏体和残余奥氏体的量增加。与片状马氏体相比, 板条马氏体没有明显裂纹,其韧性优于片状马氏体。少量残余奥氏体的存在,可以降低裂纹尖端的应力集中, 阻碍裂纹扩展,从而减少碳化物偏析,减轻剩余碳化物对基体的割裂作用。高温回火后,碳化物弥散析出,模具获得强韧的综合力学性能, 提高了钢的断裂韧度值。②激光表面处理。用5KWCO2激光器在3Cr2W8V钢上进行铁基合金的激光熔覆处理,可获得组织微细、成分均匀的激光表面改性层,其相组成为α′2Fe+γ′2Fe+M7C3+M23C6+Fe2B,此激光改性层产生了多种强化效应。当然还有其它的复合处理方法比如碳氮共渗、高温淬火+高温回火,或与稀土复合来改善热作模具的热疲劳和磨损失效,其发展前景十分广阔。
⒊合理使用模具
⑴模具预热
为了使热毛坯不至于降温太快,便于金属流动和防止模具急热损坏,模具必须预热,预热温度一般在300 ℃左右。
⑵模具润滑
采用18%二硫化钼、25%石墨、57%油酸的混合物有较好的润滑冷却效果。使用时必须涂抹均匀,其挤压件质量、效率以及模具的寿命均较高。
㈢结论
⒈3Cr2W8V钢热作模具失效不仅与材料的强度和硬度等有关,而且与模具的设计及使用有关。因此在合理热处理工艺及表面处理改善模具材料性能时,应该考虑模具的结构,冷加工质量以及模具的工作条件。
⒉进一步研究更先进的热处理工艺或使用激光表面改性,如激光金属表面纳米化,使材料的性能得到更大的提高,从而提高模具的使用寿命。
⒊模具失效分析与材料摩擦学、腐蚀学、材料强度学、表面科学、电子断口学等学科密切相关。只有综合运用多学科的新知识,不断提高失效分析技术,才能发现新问题,认识新规律,发展新技术,提高模具的质量和水平。
随着国内工业的发展,模具材料的开发和应用也得到了迅速发展。热作模具材料主要用于制造在高温状态下进行压力加工的成型模具,更确切的说是指制造把金属材料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具。工业中应用的热作模具主要有: 锤锻模、压力机模、热挤压模、和压铸模、热剪切模等,这些模具承受着周期加载和冷热温度变化。因此深入了解模具的失效形式,工作条件和性能要求,可指导正确选材, 能有效提高模具使用寿命。