鍛造模具的退化機(jī)制詳解

模鍛是當(dāng)前最先進(jìn)的鍛造技術(shù)，主要用于批量生產(chǎn)模具的關(guān)鍵部件。其最大缺點(diǎn)是成型工具的耐久性較差。據(jù)賢集網(wǎng)小編了解工具的成本產(chǎn)品總成本的8-15%。實(shí)際上，如果考慮更換磨損的工具所需要的時(shí)間以及意外失效所帶的損失，成本可能高達(dá)30%至50%。而且，工具的磨損會(huì)導(dǎo)致鍛件質(zhì)量的明顯惡化。刀具磨損導(dǎo)致的最常見(jiàn)的缺陷是模腔填充錯(cuò)誤，即折疊，毛刺，變形，刮傷，分層和微觀和宏觀裂紋。

這些缺陷會(huì)最終影響到鍛造產(chǎn)品的性能。由于市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)很強(qiáng)烈，模鍛產(chǎn)品的制造者不斷降低他們的成本，同時(shí)提高鍛件的質(zhì)量，即便如此他們對(duì)工具的耐久性差問(wèn)題仍然很感興趣。

工具的耐久度通常由幾種方式進(jìn)行定義。在生產(chǎn)方面，工具的耐久性用鍛件的數(shù)量來(lái)表現(xiàn)，也就是說(shuō)用這個(gè)工具能獲得的預(yù)期質(zhì)量的產(chǎn)品的數(shù)量。根據(jù)這一定義，工具的平均耐久度可能在2000至20000件之間變化。在工具方面，耐久度與退化相關(guān)，所以它被定義為耐退化現(xiàn)象的能力。本文主要使用第二種定義。應(yīng)該說(shuō)，鍛造工具在使用過(guò)程中承受著各種各樣的退化因素的影響，這些因素的相互作用使得問(wèn)題的分析逾加困難。在這一主題的文獻(xiàn)中，人們可以發(fā)現(xiàn)各種各樣關(guān)于退化現(xiàn)象的闡述。

根據(jù)許多學(xué)者的統(tǒng)計(jì)，鍛造模具退出服役很大原因是由于磨損尺寸發(fā)生了變化，磨損導(dǎo)致的模具報(bào)廢約占70%，塑性變形約占25%，疲勞開(kāi)裂和其它原因只占約5%。許多現(xiàn)象往往同時(shí)發(fā)生，它們的相互作用取決于模具的設(shè)計(jì)，它們鍛造和制造的條件，模具材料熱處理，以及預(yù)型體和嵌塊的形狀。

鍛造模具的工作條件：熱模鍛的過(guò)程中，工具主要承受來(lái)自三方面的退化作用：密集的熱沖擊，周期性變化的機(jī)械載荷以及高溫高壓。為了在熱鍛過(guò)程中降低鋼鐵產(chǎn)品的屈服應(yīng)力，變形金屬會(huì)被加熱到10000-2000攝氏度。在材料變形的瞬間，工具表面的溫度可能會(huì)達(dá)到800攝氏度，隨后是密集的冷卻，也因此工具會(huì)暴露在很大的溫度梯度下。在模具截面上，模具表面溫度和近表面溫度會(huì)相差幾百攝氏度。熱模鍛比熱鍛的溫度會(huì)低一些，也就是說(shuō)，鋼變形的溫度約達(dá)到900攝氏度。這就意味著工具表面循環(huán)加熱和冷卻產(chǎn)生的載荷并不像熱鍛那樣大。盡管如此，在半熱鍛過(guò)程中使用的工具的壽命還是相當(dāng)短暫，這主要是因?yàn)檠h(huán)變化的溫度和較大的機(jī)械載荷的共同作用，機(jī)械載荷主要來(lái)自冷卻，以及硬度更高的材料。

鍛造工具的退化機(jī)制

鍛造工具的服役壽命主要依賴(lài)于它們的設(shè)計(jì)，制備，工具材料的熱處理，它們鍛造的條件，預(yù)成型件和芯塊的形狀等。有關(guān)這一主題的文獻(xiàn)中，我們能找到許多關(guān)于退化的信息。這些機(jī)制按不同各類(lèi)進(jìn)行了劃分。研究結(jié)果表明，下面的磨損機(jī)制主要發(fā)生在鍛造工具的表層：磨料磨損、熱機(jī)械疲勞、塑性變形、疲勞開(kāi)裂、粘著磨損和氧化。工具工作壓痕的形狀，確定接觸的時(shí)間、壓力、摩擦路徑以及溫度的變化，決定著特別退化機(jī)制的發(fā)生速率。

圖1鍛造模具橫截面失效的位置和類(lèi)型

圖1給出了一些特別退化機(jī)制發(fā)生區(qū)域在橫截面上的位置。在平坦的區(qū)域，在工具和熱材料變形過(guò)程中接觸的時(shí)間是最長(zhǎng)的，也是最大壓力出現(xiàn)的地方，熱機(jī)械疲勞是主要的退化機(jī)制。

倒圓的內(nèi)半徑受循環(huán)拉伸載荷的作用，該循環(huán)載荷是由外載荷提高引起的，主要發(fā)生在鍛造過(guò)程中變形趨向于集中。結(jié)果，在工具服役的過(guò)程中疲勞微裂紋發(fā)展成大裂紋，出現(xiàn)在這些地方。模具凹痕的外半徑，以及模具壓印進(jìn)入閃橋的地方由于高溫條件下材料弱化，材料的屈服點(diǎn)降低，導(dǎo)致了塑性變形。變形材料的密集流動(dòng)在這些區(qū)域?qū)е履チ夏p，它因?yàn)橛操|(zhì)氧化物而進(jìn)一步加劇，這些硬質(zhì)氧化物在高溫氧化的過(guò)程中工具的模鍛材料表面形成的。

鍛造模具的退化機(jī)制之粘著磨損

粘著磨損發(fā)生在表面層的塑性變形區(qū)域，特別是在表面不規(guī)則的地方。它通常在較高的壓力同時(shí)在相對(duì)較低的速度條件下發(fā)生，主要是相似的材料相互作用或材料表現(xiàn)出化學(xué)親合力(典型鍛造加工條件)。在較高的壓力條件下，材料成型沿著工具表面滑移，移走了氧化物涂層，使工具的新鮮表面裸露出來(lái)。這主要發(fā)生在表面投影的不規(guī)則區(qū)（粗糙表面的峰值部位）。

當(dāng)這些地方的材料被彼此貼得很近，以致于原子間力開(kāi)始發(fā)生作用時(shí)，局部金屬鍵形成。隨后由于表面進(jìn)一步相互移位，金屬鍵被破壞。表面層塑性變形在這一過(guò)程中形成。金屬鍵的打破導(dǎo)致金屬粒子的剝離，它們趨向粘著在表面上。

鍛造模具的退化機(jī)制之磨粒磨損：

材料損失通常歸因于磨粒磨損。剝離粒子的尺寸主要取決于鍛造系數(shù)以及工具表面層的性能。一個(gè)關(guān)于粘著磨損的例子是CV萬(wàn)向節(jié)殼體鍛造的第二階段操作，如圖。在這一過(guò)程中材料變形的溫度大約在900°C，也就是說(shuō)，通常遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的熱鍛工藝，傾向于這種類(lèi)型的磨損。粘著磨損會(huì)將自身粘著于材料本身上或工具上，在橫截面積減小的位置。

圖鍛造模具表面磨粒磨損形貌

磨粒磨損是材料損失的結(jié)果，主要通過(guò)材料與表面分離實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有松散的或固定的磨料顆粒，或在相互作用表面上存在突起的不規(guī)則的部分時(shí)磨粒磨損會(huì)發(fā)生。對(duì)于鍛造工具來(lái)說(shuō)，它的硬度遠(yuǎn)比變形材料更高，在這種情況下，如果在鍛造工具和變形材料之間相接觸的部分出現(xiàn)磨粒顆粒，磨粒磨損就會(huì)發(fā)生。磨粒磨損會(huì)因硬質(zhì)氧化物顆粒的出現(xiàn)而加劇，這些硬質(zhì)氧化物是在鍛件和模具以及模具表面分離下來(lái)的小粒子表面在高溫條件下形成的。由于這種機(jī)制，槽沿著所述方向產(chǎn)生，在這個(gè)方向上材料變形發(fā)生變化。

圖磨粒磨損機(jī)制

它們的形狀和深度主要取決于鍛造的條件。突起的部分特別容易受到磨損，并且在它進(jìn)一步服役的過(guò)程中會(huì)很快從工具的表面上快速移除，這導(dǎo)致材料損失和材料的幾何形狀變化。特別容易形成磨粒磨損，也對(duì)磨粒磨損特別敏感的地方是在材料發(fā)生變形過(guò)程中發(fā)生最長(zhǎng)滑移的地方。最常見(jiàn)的是模具模腔的外半徑，在模具進(jìn)入閃橋(flash bridge)的區(qū)域。