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熱鍛模具的失效類型都有哪些?
來源: | 作者:東啟特鋼 | 發布時間: 2021-06-10 | 97 次瀏覽 | 分享到:
熱鍛模具的失效類型都有哪些?
  熱鍛模具的失效類型都有哪些?


  根據模具的磨損形式,鍛模典型的正常失效類型主要包括磨損、熱疲勞裂紋、機械疲勞裂紋、粘著和塑性變形。當然還有脆性斷裂損傷,是由于操作異?;蝈懩2缓细裨斐傻?,屬于異常損傷、早期失效或意外失效。

模具鋼
  1)磨損


  在模鍛加載過程中,模腔表面與熱坯之間的熱傳導加劇,金屬流與模腔表面之間的摩擦產生巨大的熱效應,會引起瞬時高溫升高和氧化反應。氧化反應形成的氧化膜在鍛造載荷和金屬流動侵蝕下會剝落成為磨粒。如果模具型腔表面的瞬時溫升軟化或熔化模具材料,沿模具型腔表面流動的金屬將沖走模具的軟化或熔化部分,使它們起皺,加速腐蝕并形成凹坑。


  在正常使用條件和高溫高壓條件下,潤滑劑中的氧化皮、硬顆粒和其他固體顆粒的侵蝕以及金屬流動和環境介質的腐蝕會導致模具表面的機械磨損、氧化、腐蝕和熔化,統稱為磨損。磨損多以低速進行,但卻是鍛模最明顯的損傷形式,主要表現為外棱角半徑增大、平面內凹陷或凹坑、表面溝痕、起皮、粘模等。


  (1)熱鍛模腔表面各種零件的摩擦磨損主要取決于相應零件的應力狀態、幾何形狀和表面粗糙度。根據各部分的載荷和金屬流動特性,模腔表面可大致分為三個區域:壓縮(應力)區(無滑移區或死區)、剪切(應力)區(滑移區)和過渡區(微滑移區)。


 ?、賶?應)力區或無滑移區。坯料相對于模腔表面基本不流動,模腔主要承受壓應力,本質上相當于鐓粗過程的死區。該區域的中心部分可能會產生極高的壓縮應力,這可能會局部壓下模腔的表面,還可能導致坯料與模腔結合。在鍛造鈦合金和鋁合金鍛件時,經常會出現坯料粘結到模腔的現象。在壓應力作用下,模腔表面不斷粗化,逐漸形成點狀反腔,最后擴展成網絡狀壓痕。


 ?、诩羟?應力)帶稱為滑移帶。坯料相對于模腔表面劇烈流動,模腔承受坯料流動引起的剪切作用,同時也承受壓應力。該區域的應力狀態相當于鐓粗過程的最大變形區域。在該區域(尤其是模具型腔表面由于回火而軟化的部分),模具型腔表面在金屬流的沖刷作用下受到應變,并且形成與金屬滑移方向相同的凹槽。


 ?、圻^渡帶或微滑帶。一般位于滑動區和死區之間。其應力狀態和磨損特性介于兩者之間。其研磨特征是在金屬滑移方向形成不連續的帶橢圓凹坑的溝槽。


  (2)熱鍛模的機械磨損、腐蝕和熔化磨損狀態。機械磨損和氧化磨損主要導致模腔尺寸和形狀的變化,最終使模具外圓變鈍,使模腔側壁擴大,導致模具報廢;但腐蝕和熔化主要影響模腔的表面質量,使鍛模形成嚴重的褶皺和凹坑,無法修復,造成報廢。


  2)附著力


  鍛造潤滑不足時,工件與模具相對滑動面上的氧化膜在摩擦作用下破裂,露出新的金屬表面。在分子力的作用下,兩個表面焊接在一起。如果變形蓮花載荷不能克服焊點的結合力,工件就會粘在模具上;如果變形載荷能克服焊點的結合力,工件就會被撕裂,部分工件金屬會粘附在模具上。根據磨損機理,粘附是磨損的一種形式。


  具有活性化學性質的金屬(如鋁、鈦等。)和強互溶性有很大的附著力。低熱穩定性和高內應力的微結構具有高附著力。負載大,溫度高,滑動速度快,變形附著力大。此外,環境介質也對附著力有影響。


  3)機械疲勞裂紋


  (1)機械疲勞裂紋及其形態:在長期連續使用過程中,由于脈沖載荷的作用,鍛模在應力最高的薄弱部位逐漸疲勞,產生微裂紋。微裂紋進一步擴展為機械疲勞裂紋,模具連續使用時裂紋越來越大,最終模具突然斷裂失效。


  疲勞裂紋總是從模具鋼表面和內部的缺陷開始。當模具內應力不均勻時,局部會有較大的應力集中。在循環荷載的反復作用下,應力集中會先開裂,在連續使用過程中,裂縫會擴大,最終造成斷裂。當模具鋼材料的斷裂韌性較高時,可以有效防止裂紋萌生,降低裂紋擴展速率,從而減少疲勞斷裂失效。


  (2)機械疲勞裂紋的常見位置:機械疲勞裂紋一般首先出現在型腔表面,位置隨型腔結構而變化。當模腔表面存在冶金缺陷或機械損傷時,由于應力集中,機械疲勞提前發生,如在模具尺寸的過渡處(圓角、尖角和凹模),刀痕、磨損槽和材料的冶金缺陷(夾雜物和嚴重偏析)。在載荷的作用下,當這些零件的應力超過材料的疲勞極限時,就會產生機械疲勞裂紋。在疲勞裂紋引起的失效中,錘鍛模比機械壓力機模具多30%左右。


  承受較大彎矩的模腔底部拐角處易產生疲勞裂紋,其延伸方向與鍛造方向成45°。對于圓形截面模腔的側壁,在深而窄的模腔底部和法蘭根部容易產生疲勞裂紋,并由于應力集中和彎矩的作用而沿法蘭根部延伸。因為曲軸的形狀和結構決定了金屬在填充模腔的過程中必須軸向流動,即沿長度方向運動,使得模腔的法蘭部分反復推拉。在巨大的彎矩作用下,翼緣根部必然產生疲勞,形成疲勞裂紋。當長時間作用在法蘭根部的力矩超過模具的疲勞極限時,根部開始開裂,即使嚴重也可以將法蘭拔出。疲勞裂紋也是曲軸模具最常見的失效形式之一。


  4)冷熱疲勞裂紋


  冷熱疲勞裂紋包括冷熱疲勞引起的冷熱疲勞裂紋和相變引起的相變裂紋。冷熱疲勞裂紋以網狀、放射狀、平行等小裂紋或局部裂紋的形式出現,也稱為“裂紋”。冷熱疲勞裂紋往往是皺紋的前奏。冷、熱疲勞裂紋產生的主要原因是加載狀態下坯料與型腔接觸時間長,模具預熱冷卻不當?!傲鸭y”多出現在變形金屬在型腔內緩慢流動的部位。模具正常損壞報廢時,其表面有細小的網狀裂紋(裂紋)。


  5)塑性變形


  模具在生產過程中受到很大的不均勻應用。當模具某一部分的應用超過了當時模具鋼材料的屈服強度時,就會發生塑性變形,從而改變模具的幾何形狀或尺寸,導致模具失效。


  在熱負荷的反復作用下,模腔表面會發生回火,硬度降低。在鍛造載荷的作用下,變形金屬高速流動的部分會因劇烈的摩擦熱效應而進一步軟化,或者模腔的某一部分會因被高溫金屬包圍而軟化,如曲軸模腔內的法蘭,會在局部產生塑性變形,常見于模腔塌陷、模腔側壁膨脹、凸臺和角塌陷等。


  此外,在模鍛過程中,如果模具鋼強度不足,模具壁會發生塑性變形或模具承載面積過小而坍塌。深擠壓沖頭在高溫金屬下容易軟化,擠壓時會彎曲。


  6)脆性斷裂


  脆性斷裂以模塊斷裂、劈裂和脆性斷裂的形式發生,一般是由于操作不當造成的,如鋼坯溫度低、無吹坯、鍛模預熱溫度低(尤其是冬季)、鍛模安裝不當、模具材料不良、模腔表面應力集中等。


  當模塊過熱、過燒、回火不充分、內應力過大、材料存在嚴重冶金缺陷(如組織不均勻、成分偏析嚴重、夾渣、模塊淬透性差或鍛造比小、碳化物無法破碎)時,大型錘鍛模有殘余應力時韌性不足,模腔內圓角過小,模腔表面有刀痕或表面粗糙,即使在正常操作和小機械載荷下,也會引起應力集中。


  比如某鍛造公司新制造的16MN摩擦壓力機模架,墊板厚度為60mm,材料為5CrNiMo,上面有一個深度為12mm的十字鍵模具,四個打開緊固模具的梯形模具,使用一個月后會造成脆性斷裂。發現材料鎳含量低,硬度過高(52HRC)。眾所周知,當5CrNiMo的硬度大于48HRC時,沖擊韌性ak迅速下降,這是墊板發生脆性斷裂的原因。后來按原設計圖紙制造的新基板(圖形相同,化學成分合格,硬度45 HRC~47 HRC)達到了正常使用的要求。


  再比如,某鍛造公司每年都有幾十個鍛模的十字鍵槽斷裂,這是由于十字鍵槽的小圓角(R2mm)造成的應力集中造成的。十字鍵槽的內圓角太小。如果有刀痕或粗糙度高,模具預熱溫度低或不均勻,容易造成模具斷裂。


  必須指出的是,上述熱鍛模的每一種失效模式(磨損、熱疲勞裂紋、機械疲勞裂紋、粘著和塑性變形)都不是獨立發生和發展的,而是由于熱鍛模的工作條件非常復雜,往往會在一對模具上出現各種形式的損傷。這些損傷往往相互作用,加速鍛模的失效過程。例如,磨損的溝槽痕跡不僅會成為機械疲勞斷裂的裂紋源,加速疲勞裂紋的萌生和擴展,還會因應力集中而成為脆性斷裂的起點。又如,冷熱疲勞裂紋或機械疲勞裂紋也會加速鍛模的磨損和脆性斷裂。
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