幾種模具失效分析及熱處理工藝改進(jìn)
幾種模具失效分析及熱處理工藝改進(jìn)
作者：田邵潔
單位：大連圣潔熱處理高新技術(shù)研究所
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
1.Cr12MoV 鋼冷沖壓模具線切割時(shí)開裂
鏈板落料凹模外形尺寸為413mm×274mm×70mm，距模具周邊25mm左右分布14個(gè)Ф12mm通孔，技術(shù)要求60～62HRC。我們采用高溫箱式爐氬氣保護(hù)1030℃加熱，緩冷至850℃入60℃油冷至150℃左右出油，入180℃井式爐回火，3h回火2次，冷卻至室溫后又在170℃回火爐中回火12h，硬度60～61HRC。該件交付用戶后，經(jīng)過表面磨削又進(jìn)行線切割加工，線切割加工到一半時(shí)，出現(xiàn)開裂，縱向二道裂紋，橫向二道裂紋，使模具報(bào)廢。
經(jīng)過失效分析，我們認(rèn)為該模具的熱處理工藝操作正常，主要原因是該模具的設(shè)計(jì)及冷加工工藝不合理，一是硬度要求高，60～62HRC 使得高溫回火不能進(jìn)行，只好采用低溫回火，而應(yīng)力消除不好造成線切割加工過程中應(yīng)力釋放而開裂；二是線切割工藝不當(dāng)，模具的尺寸要求線切割沿周邊52mm割去心部，在線切割前沒有任何的工藝孔釋放應(yīng)力，使得模具在線切割過程中開裂；三是鍛造廠家只能提供6級(jí)碳化物級(jí)別的模具坯料加上退火不好，造成熱處理后應(yīng)力增大。
解決辦法為：①降低硬度為58～60HRC，采用1060℃油冷和520℃×3h，二次回火，高淬高回的工藝，保證硬度的同時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力。
②熱處理前把模具加工成空心形狀，除去心部應(yīng)力。
③要求鍛造廠家按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鍛造及退火保證鍛件質(zhì)量。這樣隨后加工的模具，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了客戶的要求。
2.H13鋁合金擠壓模淬火后開裂
外形尺寸為Ф270mm×210mm內(nèi)孔為Ф170mm的鋁合金擠壓模具，兩個(gè)工件出自不同的鍛造廠家和不同的冷加工廠家，我們采用真空爐加熱，1030℃保溫緩冷后入35℃油中冷卻80℃左右出油空冷，在室溫下放置1h后，其中一件沿表面的溝槽開裂。
查其原因：①油冷時(shí)油溫較低，應(yīng)該采用60℃油中冷卻。
②出油溫度低，應(yīng)該在150℃左右出油。
③出油后應(yīng)及時(shí)回火。
④是冷加工時(shí)刀痕的影響，失效分析指出裂紋是沿表面的溝槽開裂，這個(gè)工件的溝槽底部不如另一件那樣有過渡圓角。
⑤模具原料可能有問題，客戶明確說明，此件是試驗(yàn)件。
3.Cr12鋼冷作模具磨削裂紋
有一個(gè)客戶的Cr12冷作模具經(jīng)常出現(xiàn)明顯的磨削裂紋，并且表面的磨削痕跡很明顯，經(jīng)過反復(fù)研究與探討，一是和用戶協(xié)商，改變磨削工藝，改變砂輪粒度及磨削進(jìn)給量；二是改變?cè)牧线M(jìn)貨渠道，爭(zhēng)取購(gòu)進(jìn)合格的Cr12鍛造坯料，保證原材料質(zhì)量；三是和用戶協(xié)商降低熱處理后的硬度為58～60HRC，四是改進(jìn)熱處理工藝，采用1030℃加熱及520℃回火的高淬、高回的工藝，保證了熱處理后應(yīng)力更好消除，以避免開裂。這樣，以后熱處理后模具的磨削裂紋減少了許多。
4.DC53及Cr12鋼冷作模具的熱處理后的尺寸變化及控制
一個(gè)客戶的DC53模塊，尺寸為90mm×80mm，淬火時(shí)經(jīng)常發(fā)生縮小，有一次8個(gè)模塊采用1030℃真空爐加熱，緩冷0.5min，油淬，油溫為60℃,500℃×2h二次回火后，90mm長(zhǎng)邊縮小了0.3mm，80mm短邊縮小了0.29mm，查其原材料淬火時(shí)大致尺寸變形為表1所示,回火后要縮小0.10mm左右。
表1淬火后尺寸改變（樣品尺寸：100mm×100mm×25mm）
|
5#工藝 |
寬度（%） |
長(zhǎng)度（%） |
厚度（%） |
|
990℃油淬 最小 最大 |
-0.02 -0.06 |
+0.08 +0.12 |
+0.08 |
|
990℃油淬 最小 分級(jí)淬火 最大 |
0 -0.01 |
+0.05 +0.06 |
-0.12 |
|
1020℃氣淬 最小 最大 |
+0.01 +0.06 |
+0.04 +0.08 |
-0.10 |
為此經(jīng)過研究分析，我們決定改進(jìn)熱處理工藝，把加熱后出爐緩冷的時(shí)間由0.5min增加至2min，再經(jīng)過處理的模塊就控制在+0.10mm左右，滿足了客戶的要求。查其主要原因是：原來采用真空爐加熱時(shí)，緩冷時(shí)間短而在隨后的油冷時(shí)，導(dǎo)致熱應(yīng)力為主而使得材料發(fā)生縮小，在隨后的熱處理工作中，我們掌握了這一規(guī)律，使得模具的熱處理變形得到了很好的控制。
一次客戶送來兩套外形尺寸最大為600mm×350mm×90mmd 凸凹模，型腔已經(jīng)由線切割加工完畢，要求硬度的同時(shí)，必須保證不縮不漲，否則會(huì)造成廢品，為此我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定了工藝，把緩冷時(shí)間定為3min，淬火回火后不但達(dá)到硬度要求，并且尺寸僅漲大0.1mm，滿足了客戶的要求。另外，還有根據(jù)材料的特性來確定淬火回火工藝參數(shù)。以控制變形，例如對(duì)于一些國(guó)外進(jìn)口的模具鋼，大多給出了淬火溫度和回火溫度尺寸改變的影響曲線及圖表，對(duì)于淬火如表1所示，對(duì)于回火一般的經(jīng)驗(yàn)是Cr12類模具鋼的回火尺寸變化從200℃到500℃時(shí)逐漸縮小，但到500℃時(shí)則開始漲大，并且軸向和徑向變化率并不相同，所以在生產(chǎn)中應(yīng)該把握各個(gè)鋼種的變形特點(diǎn)并參考硬度及強(qiáng)度要求合理制定熱處理工藝，才能滿足客戶要求。
5.消除應(yīng)力的幾種辦法
為了消除機(jī)加工應(yīng)力，以減少淬火時(shí)的變形或開裂，對(duì)于一些形狀復(fù)雜或多孔的模具，應(yīng)該在粗加工和精加工之間增加一次去應(yīng)力的高溫回火（或是調(diào)質(zhì)），可是實(shí)際上因?yàn)槔浼庸r(shí)增加這道工序影響加工周期，模具生產(chǎn)廠家在半精加工，甚至精加工后才把模具送到我們工廠進(jìn)行熱處理，這樣使得熱處理時(shí)，冷加工的殘余應(yīng)力釋放而使得變形增加。
另外，由于不少?gòu)S家為了降低生產(chǎn)成本而購(gòu)買價(jià)格低廉的模具原料，這些原料生產(chǎn)廠家并沒有很好地進(jìn)行鍛造和球化退火，也使得隨后的熱處理過程中應(yīng)力釋放和組織不均勻性導(dǎo)致模具變形。
為此，對(duì)于一些重要模具，我們?cè)谶M(jìn)行熱處理之前，增加一道去應(yīng)力回火的工序，一般采用350～400℃，6～12h出爐空冷，或650～700℃,2～4h，爐冷至500℃出爐的熱處理工藝。經(jīng)過這樣預(yù)處理的模具變形大大降低，保證了熱處理后的模具尺寸合格。
對(duì)于熱處理后需要滲氮處理的有些模具，淬火后回火溫度為570～580℃，以保證隨后的570℃左右的滲氮處理時(shí)，工件不發(fā)生變形。
6.T10鋼冷擠壓凹模高溫淬火表面改性
T10鋼模具常規(guī)的淬火工藝為800℃，硬度可達(dá)到62HRC，但這樣處理的鏈條滾子冷擠壓凹模壽命僅為2000次左右，就因?yàn)閮?nèi)孔磨損超差而失效。經(jīng)研究及工藝試驗(yàn)，我們把外形尺寸為Ф100mm×50mm的冷擠壓凹模加熱溫度定在960℃，保溫為15min，在鹽爐加熱出爐后內(nèi)孔噴水冷卻，內(nèi)孔周邊1.5mm內(nèi)硬度較高，為66～67HRC，大大提高了耐磨性，模具壽命提高至26,000次，使用壽命提高10倍以上。
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