热锻模具失效分析及提高热锻模具使用寿命的措施

    影响热锻模具使用寿命的因素较多，其中热锻模具钢的选用与热处理工艺制度是最为关键的，其他则为热锻模具钢的质量、表面强化处理、热锻模具的受热及冷却条件、润滑条件、热锻模具结构及机床精度、锻打速度等，因此提高热锻模具的使用寿命应采取综合的措施，既要找出影响使用寿命的关键因素，采取有效措施，又要统筹兼顾其他因素，以此满足热锻模具的服役条件或技术要求。
⒈合理选用热锻模具钢：
传统的热锻模具钢5CrMnMo钢只是适用于3t以下浅槽形的中小锻模，而深型槽锻模则选用5CrNiMo钢，无锡瀚超实际应用证明，连杆模采用4CrMnSiMoV钢，使用寿命比5CrNiMo钢提高68.6%，而选用5Cr2NiMoVSi钢制造汽车前轴锻模，模具尺寸为1825mm×395mm×300mm，硬度要求为37~41HRC，钢件材料为45钢，锻造温度为1230~1260℃，使用寿命达到9000件，而5CrNiMo钢制模具则只有5500~6000件，基体钢类型热作模具钢CG2、RM2、5Cr4Mo2W2VSi及国产新型热锻模具钢GR、HM3、PH、JDH2、JDH3、Y4、Y10、CH95、ER8钢等应用于热锻模具钢，取得了明显成效，可见根据热锻模具的技术要求选择合理的热锻模具钢是提高模具寿命的基础。适合用作热锻模具钢的进口模具钢有：Uddeholm Dievar、Orvar Supreme、Qro90 Supreme、Hotvar、YXR33、GFA、SKT4、1.2367等。
⒉改善热锻模具热处理工艺：
这是依据锻模的服役条件和克服其早期的失效而采取的有效措施，这里主要说明以下几个方面的工艺改善或改进。
⑴、提高淬火温度，改善热锻模具的强韧性。
经过对5CrNiMo钢制齿轮锻模的热处理工艺进行改进，提高淬火温度，使模具的强韧性得到提高，模具的寿命显著提高。下表为5CrNiMo钢制齿轮锻模的两种热处理工艺后模具使用寿命的对比：

模具类型	原热处理工艺/件	新热处理工艺/件	模具寿命提高倍数
1t	800	9000	10
2t	2500	8000	3.6
摘自	无锡市瀚超特殊钢有限公司《合金模具钢质量手册》

对于5CrNiMo钢经过910℃淬火，500℃回火12h，可获得以板条马氏体为主的组织，其强度、塑性、韧性均得到了良好的改善与提高，尤其是显著提高了断裂韧性，汽车变速箱齿轮锻模使用寿命可提高2倍以上，同时也避免了模具的早期断裂。
⑵、采取等温淬火工艺，提高热锻模具的强韧性。
在合理的等温淬火温度下，模具可获得组织，其冲击韧性和断裂韧性均有明显的提高，具有较高的强韧性。采用5CrNiMo钢制作的法兰盘模具等温淬火比常规淬火的使用寿命提高1.5倍，5CrMnMo钢圆环模具等温淬火后使用寿命提高1.5~2倍。可见等温淬火后模具具有良好的强韧性，是提高使用寿命的关键所在，一般等温淬火温度为300℃左右，等温淬火后的回火温度选择原则为5CrNiMo钢490~510℃，5CrMnMo钢为510~530℃。下表为5CrNiMo钢热锻模的等温淬火与常规淬火的组织与性能的差异：

热处理工艺规范	淬火后组织	Kic MPa•mm1/2	αk J/cm2	硬度 HRC
880℃淬火，500℃回火。	针状M+8.2%（体积分数）残留奧氏体。	2940	27.44	43
880℃加热，230℃等温10h，500℃回火。	B下	3420.2	28.32	43
摘自	无锡市瀚超特殊钢有限公司《合金模具钢质量手册》

从表中可知，等温淬火及回火后模具的断裂韧度明显提高，模具的使用寿命有所增加。
⑶、采用化学热处理，提高热锻模具表面的硬度。
采用渗硼淬火，可提高模具型腔的耐磨性和抗咬合性，容易脱模。采用高于Ms点某一温度进行等温淬火，可获得B下+M的混合组织，可提高模具的基体强韧性，避免了模具的开裂，模具寿命成倍提高。
采用氮碳共渗、硫氮碳共渗、碳氮共渗等化学热处理工艺，可显著提高模具的表面硬度、抗冷热疲劳性、抗氧化性和耐磨性，克服了模具型腔的早期塌陷、起皱等失效形式，从而延长了模具的使用寿命。事实证明热锻模进行表面处理的比例高达95%以上，否则无法满足其服役条件的需要。
将5CrMnMo钢热锻模具加热到900℃进行C、N共渗并进行高温淬火处理，再经过500℃的高温回火后，在确保钢的耐热性、耐磨性以及一定硬度的前提下，可提高热锻模的热疲劳寿命，如再进行540℃×4h的气体氮碳共渗，使模具的表面具有抗氧化、抗咬合擦伤能力，较高的耐磨性及良好的减摩性，提高了模具的承载能力、抗挤压能力及高温强度，从而降低了模具的型腔塌陷变形倾向，提高了模具的使用寿命，与常规的热处理比较，使用寿命提高了5~6倍。
⑷、热锻模具的强韧化工艺。
采用5CrMnMo钢制造汽车转向前接头热锻模，其为中小截面热锻模，锻坯材料为40Cr或45钢，加热温度为1200℃，模具常规热处理后的硬度为42~47HRC，平均寿命为2000次，模具在工作前首先预热到250~300℃，在热锻过程中采用水剂石墨进行冷却润滑。而改用H13(4Cr5MoSiV1)钢后，进行常温热处理，可显著提高热锻模的使用寿命，下表为H13钢汽车转向前节头热锻模的寿命：

模具名称	前节头1	前节头2	前节头3	后节头	主销座
硬度HRC	45.0	47.0	46.0	46.5	46.0
使用寿命/万次	0.6	1.0	0.6	1.0	0.5

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资料来源：无锡市瀚超特殊钢有限公司合金模具钢营业部
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