鍛造模具的退化機制詳解

模鍛是當前最先進的鍛造技術(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%。實際上，如果考慮更換磨損的工具所需要的時間以及意外失效所帶的損失，成本可能高達30%至50%。而且，工具的磨損會導致鍛件質(zhì)量的明顯惡化。刀具磨損導致的最常見的缺陷是模腔填充錯誤，即折疊，毛刺，變形，刮傷，分層和微觀和宏觀裂紋。

這些缺陷會最終影響到鍛造產(chǎn)品的性能。由于市場的競爭很強烈，模鍛產(chǎn)品的制造者不斷降低他們的成本，同時提高鍛件的質(zhì)量，即便如此他們對工具的耐久性差問題仍然很感興趣。

工具的耐久度通常由幾種方式進行定義。在生產(chǎn)方面，工具的耐久性用鍛件的數(shù)量來表現(xiàn)，也就是說用這個工具能獲得的預期質(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，鍛造工具在使用過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題的分析逾加困難。在這一主題的文獻中，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)許多學者的統(tǒng)計，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，磨損導致的模具報廢約占70%，塑性變形約占25%，疲勞開裂和其它原因只占約5%。許多現(xiàn)象往往同時發(fā)生，它們的相互作用取決于模具的設(shè)計，它們鍛造和制造的條件，模具材料熱處理，以及預型體和嵌塊的形狀。

鍛造模具的工作條件：熱模鍛的過程中，工具主要承受來自三方面的退化作用：密集的熱沖擊，周期性變化的機械載荷以及高溫高壓。為了在熱鍛過程中降低鋼鐵產(chǎn)品的屈服應(yīng)力，變形金屬會被加熱到10000-2000攝氏度。在材料變形的瞬間，工具表面的溫度可能會達到800攝氏度，隨后是密集的冷卻，也因此工具會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相差幾百攝氏度。熱模鍛比熱鍛的溫度會低一些，也就是說，鋼變形的溫度約達到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，在半熱鍛過程中使用的工具的壽命還是相當短暫，這主要是因為循環(huán)變化的溫度和較大的機械載荷的共同作用，機械載荷主要來自冷卻，以及硬度更高的材料。

鍛造工具的退化機制

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

圖1鍛造模具橫截面失效的位置和類型

圖1給出了一些特別退化機制發(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程中接觸的時間是最長的，也是最大壓力出現(xiàn)的地方，熱機械疲勞是主要的退化機制。

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)生在鍛造過程中變形趨向于集中。結(jié)果，在工具服役的過程中疲勞微裂紋發(fā)展成大裂紋，出現(xiàn)在這些地方。模具凹痕的外半徑，以及模具壓印進入閃橋的地方由于高溫條件下材料弱化，材料的屈服點降低，導致了塑性變形。變形材料的密集流動在這些區(qū)域?qū)е履チ夏p，它因為硬質(zhì)氧化物而進一步加劇，這些硬質(zhì)氧化物在高溫氧化的過程中工具的模鍛材料表面形成的。

鍛造模具的退化機制之粘著磨損

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在相對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。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）。

當這些地方的材料被彼此貼得很近，以致于原子間力開始發(fā)生作用時，局部金屬鍵形成。隨后由于表面進一步相互移位，金屬鍵被破壞。表面層塑性變形在這一過程中形成。金屬鍵的打破導致金屬粒子的剝離，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。一個關(guān)于粘著磨損的例子是CV萬向節(jié)殼體鍛造的第二階段操作，如圖。在這一過程中材料變形的溫度大約在900°C，也就是說，通常遠低于傳統(tǒng)的熱鍛工藝，傾向于這種類型的磨損。粘著磨損會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，主要通過材料與表面分離實現(xiàn)。當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)則的部分時磨粒磨損會發(fā)生。對于鍛造工具來說，它的硬度遠比變形材料更高，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，磨粒磨損就會發(fā)生。磨粒磨損會因硬質(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的小粒子表面在高溫條件下形成的。由于這種機制，槽沿著所述方向產(chǎn)生，在這個方向上材料變形發(fā)生變化。

圖磨粒磨損機制

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，并且在它進一步服役的過程中會很快從工具的表面上快速移除，這導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，也對磨粒磨損特別敏感的地方是在材料發(fā)生變形過程中發(fā)生最長滑移的地方。最常見的是模具模腔的外半徑，在模具進入閃橋(flash bridge)的區(qū)域。