【正文】 損失、提高材料使用壽命 和質(zhì)量的目的。因此，對模具失效分析是模具材料、處理方法、模具設(shè)計改進 的首要步驟。2．1失效H13滲氮模具鋼的選取 取已報廢H13滲氮模具的工作帶部分，測其表面和表面到芯部的顯微硬度，在光學顯微鏡和掃描電鏡上進行滲氮層組織觀察。將失效試樣表面有滲氮層的部位加工成金相試樣，然后經(jīng)過鑲樣一粗磨一 細磨—拋光液拋光—清水拋光后，采用苦味酸飽和水溶液(100m1)+洗滌劑(3 滴)浸蝕。在Polyvar MET II光學顯微鏡和Sirion 200場發(fā)射掃描電鏡上進行 組織分析，觀察失效試樣滲氮層組織形貌。將所做金相樣在HVS．1000型數(shù)顯顯微硬度計進行試樣表面和從試樣表面 到芯部的顯微硬度測量，試驗載荷1公斤力。實驗所取失效H13滲氮模具是由于?？壮叽绯疃鴪髲U。該模具滲氮前的 熱處理狀態(tài)是：淬火+兩次回火。2．2失效分析結(jié)果 如圖2．1和表2．1所示失效H13鋼擠壓模具表層到芯部的金相組織和硬度，可見，H13滲氮模具鋼經(jīng)使用后，模具硬度無論是表層還是芯部都大大降低了， 模具軟化嚴重。表層硬度不均，局部位置可保持884HV，磨損較嚴重的位置和 組織變形嚴重的位置，即受工作條件影響較大的部位，表層硬度已降到759HV。 鋁型材擠壓模具的工作溫度在550℃，而由于熱效應(yīng)，其實際工作溫度將超過 這個溫度，H13模具用鋼回火溫度是560℃，當服役溫度超過回火溫度時，模 具用鋼將會發(fā)生相應(yīng)的組織變化，導(dǎo)致硬度下降。當溫度超過500℃時，滲氮層的硬度將隨著時間的延長而降低，由于表面滲氮層中起硬化作用的彌散分布!墮盔堂型主堂絲墮塞 蔓!童!!!塑塹堡堡星望里星叁墼坌塹 的氯化物在此溫度條件下將集聚長大【20I，降低其硬化效果，導(dǎo)致滲氮層硬度降低。圖2．1失效試樣組織(OM)垂!：!堡旦生塑旦望塑塹墾堡墨垂墨型堇壹塑墾墮位置 1 2 3 4 5硬度mvl 837 759 518 486 469．～、一一p—一～一一。圈瞄旺蛋圈墨五ii圈—l嘣22失效模具繆氮層(SEM圖22所示為失效模具的滲氮層，此處是表面磨損很嚴重和組織發(fā)生較大 變化的部位，整個滲氮層厚度約為o，15ram，該模具原始(初次使用之前)滲氮177。蜜盔主堡主芏魚堡皇 蔓!里!!!塑塹廷夔墨些塾星塞墼坌塹層厚度約為O 25mm，則?？壮叽缇拖鄳?yīng)的增加0 lmm。當鋁型材擠壓模具的模 孔尺寸增加超過擠壓型材公差，該擠壓模具就宣布報廢。例如建筑型材，其尺 寸為1．2ram，當模}L尺寸超過l 35～l 4mm，該模具就宣布報廢。滲氮層厚度減 小較多，且表面幾乎沒有留下氮化層，只在局部位置可看見堆積的白亮層。由 于模具使用過程中已被嚴重磨損，表面白亮層由于處于最表面而被優(yōu)先磨損。 磨損和使用過程中重新滲氮前模具表面的打磨都將導(dǎo)致?？壮叽缭黾?，如此反 復(fù)使得?？壮叽绮粩嘣龃?。由圈2．2還可見，擴散層出現(xiàn)了多層組織，由芯部到邊緣依次為：基體—— 比較粗大的擴散層組織——非常細小的擴散層組織——片狀組織。擴散層組織變得比原始擴散層組織細小，擴散層中的脈狀組織明顯減少，且其含量由里到 外逐漸減少，到靠近邊部位置處幾乎已經(jīng)沒有脈狀組織，脈狀組織的減少可降低擴散層的脆性。鬈一翟i旗矽，? 、 宦纛震西疆黑圖23滲氮層被磨損(SEM圖23所示為H13鋼模具表面滲氮層在使用過程中的磨損情況。模具表面 硬度最高的亮白氮化層因表面出現(xiàn)突起而在擠壓過程中將對制品表面質(zhì)量產(chǎn)生 不利影響，且更容易被逐漸磨損。當使用前，模具滲氮層表面祖糙度很大，高 低不平，使用時，這些突起就會被優(yōu)先磨損掉，磨損掉的硬質(zhì)顆粒充當犁削的 作用，從而加速磨損。初次滲氮或使用一段時間對其再次滲氮，在對模具滲氮 前處理時，模具表面沒有打磨平整，滲氦處理后這些來被打磨平整的部位將依 然高低不平。滲氨處理時爐內(nèi)氣氛或其他條件控制不當，使得滲氨處理質(zhì)量很 差，滲氮層表面硬度不均、表面出現(xiàn)孔洞或工件變形，這些都將導(dǎo)致模具表面177。壹盔堂夔主堂些堡塞 璺!童!!!塑塹堡堡墾望墨星圭塾坌塹出現(xiàn)高低不平。這些凸起的部位在使用過程中就會被優(yōu)先磨損掉，加速模具的磨損。圖24H13模具表面滲氮層開裂(SEM圖24所示為H13鋼模具表面滲氮層在使用過程中的開裂情況。表面硬度 最高的亮白氮化層出現(xiàn)明顯的開裂，進而被逐漸剝落或磨損。由圖可見，在模 具工作帶的一個彎曲部位，因擠壓過程中受到拉力作用(如圖中箭頭所示)，表 面亮白氮化層由于很脆，且裂紋源(滲氮處理時，白亮層中會形成很多孔洞) 多，所以在承受拉應(yīng)力時，裂紋將沿著這些空洞向模具芯部擴展，而擴散層由 于具有很好的韌性，將分散裂紋尖端的能量，從而推遲裂紋的產(chǎn)生和擴展。圖2．4可見，裂紋擴展到白亮層邊緣時便停止了，擴散層中內(nèi)服不可見裂紋。圖25所示為模具表面的塑形變形，模具由于嚴重軟化，在高溫和大的擠 壓力作用下極易發(fā)生塑性變形，從而加劇表面的粗糙度，加快磨損速度。圖25 還可見，模具表面氮化層由于磨損、斷裂而脫離模具表面，耐磨層的脫落，導(dǎo) 致磨損進一步加劇。模具滲氮層由于軟化、斷裂和塑性變形等導(dǎo)致和加速磨損而引起失效。圭墮盔堂塑主堂墊堡皇 苧!童!!!塑墊堡堅墨塑塹星塞墼笪塹鬻圖25模具表面的塑性變形(SEM2．3討論 對于正常報廢的模具，其失效形式最常見的表現(xiàn)形式是磨損超差，而磨損超差也不僅僅是由磨損引起的。擠壓模具乃至所有的模具，其失效形式都是多 種多樣的，每一種失效形式都不是單獨存在，而是相互影響，共同作用于模具 的組織、性能和尺寸，最終導(dǎo)致模具不能順利的完成指定的工作。經(jīng)本章分析， 模具在使用過程中要承受高溫高壓，工作環(huán)境十分惡劣。模具無論是表層還是 芯部組織在長時間高溫作用下，都將發(fā)生軟化，從而導(dǎo)致模具承載能力減弱， 模具將發(fā)生塑性變形，模具的高壓的作用下，表面承受極大的拉應(yīng)力，當這種 拉應(yīng)力達到模具的強度極限，表面將出現(xiàn)裂紋，當模具表面滲氯層質(zhì)量較差， 滲氮層內(nèi)部已經(jīng)存在裂紋，此時滲氮層將在拉力的作用下被撕裂而脫落(滲氮 層因撕裂而脫落導(dǎo)致模具失效是早期失效)。軟化，塑性變形，表面裂紋都將導(dǎo) 致模具耐磨性急劇下降，加速磨損。對于模具的非正常報廢，即模具早期失效，通常表現(xiàn)為滲層剝落、爆裂、 早期開裂，其原因是模具選材不當、材質(zhì)差、處理不合理、設(shè)計不合理或使用 條件不當?shù)?。只有對模具的失效形式及起影響因素認識清楚，才能有針對性的 對模具進行改進，雖大限度的提高模具的使用壽命。目前市場上很多模具使用 廠家對模具的這些失效形式及其影響因素沒有認識的根清楚，比如：鋁擠壓模 具，選用H13鋼，經(jīng)過淬火+回火處理后，模具硬度達到48—52HRC，之后再經(jīng) 氣體滲氮處理，滲氫處理后模具表面硬度約為55HRC，使用時模具壽命很短，中南大學碩士學位論文 第2章Hi3鋼擠壓模具滲氮層失效分析模具表面由于很不耐磨而提早出現(xiàn)不能正常工作。有的廠家便將其歸因于H13 鋼的材質(zhì)不好。其實，造成此模具壽命很短的原因是滲氮處理工藝不當，模具 表面滲氮層質(zhì)量較差，滲氮處理沒有達到提高模具表面質(zhì)量的效果。氣體滲氮 處理后，模具表面硬度應(yīng)為62HRC以上，此時模具表面硬度才得到極大的提高， 表面耐磨性好。滲氮層中的擴散層在使用后形成了三種組織，這些組織的形成原因，擴散 層發(fā)生的這些變化對其性能具體有何影響，以及擴散層在使用溫度下隨著時間 的變化而變化的規(guī)律，目前國內(nèi)外尚沒有相關(guān)報道。擠壓模具的使用溫度達到 并超過了其回火溫度，同時承受高壓，在高溫高壓的共同作用下，模具無論是 芯部組織還是表面滲氮層組織都將發(fā)生非常復(fù)雜的變化，要研究清楚其變化規(guī) 律也非常困難。但實際使用過程中，要判斷一套擠壓模具是否需要重新滲氮， 最常用的方法就是判斷其表面硬度，即模具表面變軟，擠出的型材表面光潔度 變差，甚至出現(xiàn)毛刺。實際生產(chǎn)過程中，滲氮層組織發(fā)生的變化并沒有受到關(guān) 注。中南大學碩士學位論文 第3章H13模具鋼的熱處理工藝優(yōu)化第3章H13模具鋼的熱處理工藝優(yōu)化鋁型材擠壓模具的報廢形式就外因而言主要有兩種：一種是早期失效報廢； 另一種是正常的磨損超差報廢。模具的正常報廢和早期失效大致比例為：正常 報廢為85％左右；早期失效報廢為15％左右pⅢ。其中熱處理不當是導(dǎo)致模具早 期失效的重要因素，約占模具早期失效原因的44％【35】。材料熱處理工藝是影響 模具壽命的關(guān)鍵因素。淬火溫度過高或保溫時間過長，奧氏體晶粒變大，大量 碳化物溶入基體，淬火后出現(xiàn)粗針馬氏體，增加了熱處理應(yīng)力，使模具變脆， 服役中容易開裂、折斷。而淬火溫度過低，合金碳化物溶解不充分，鋼的淬透 性下降，回火穩(wěn)定性降低，模具硬度偏低，易造成模具塌陷、變形和磨損。當 采用恰當?shù)臒崽幚砉に?，模具?nèi)部的組織均勻而細小，彌散程度高，強硬度高， 斷裂韌性值和耐熱疲勞性能好，從而避免模具的早期失效，可極大的提高模具的使用壽命。3．1實驗方案H13鋼屬于過共析鋼，其臨界點與4Cr5MoSiV鋼相近【36J；這種鋼經(jīng)鍛造后 在860—890℃退火可得到球狀珠光體和少量碳化物，其奧氏體在400—500℃比較 穩(wěn)定；淬火加熱溫度一般為10001050℃。對于尺寸較大的模具，將淬火溫度提 高到1100℃時，可使其曲和a02及熱疲勞性能得到提高137】；淬火保溫時間一 般按0．25mirgmm計算，可采用鹽浴冷或油冷，以達到足夠的淬透性。淬火后 組織為針狀馬氏體，硬度一般可達到HRC53．57。淬火后立即回火，回火溫度 一般為530—650℃，保溫2h左右。根據(jù)情況可采用兩次或多次回火工藝，每次 回火后應(yīng)空冷到室溫。雖然對幾何尺寸大的模具進行多次不同的回火處理可明 顯提高模具的韌性和熱疲勞性能【38391，但這樣會顯著增加模具加工的成本。為 了獲得組織穩(wěn)定，良好強韌性配合的模具，應(yīng)對淬火溫度的選取，回火溫度的 選取以及回火次數(shù)的確定進行系統(tǒng)的研究。3．1．1擠壓模具用H13鋼主要的熱處理工序 (1)預(yù)先熱處理工序。擠壓工模具的預(yù)先熱處理工序包括空氣退火、等溫退火、低溫退火和調(diào)質(zhì)等工序。 (2)完全退火。完全退火的目的是消除內(nèi)應(yīng)力，特別是冷、熱加工應(yīng)力，改善金相顯微組織，降低硬度，改善切削加工性能。完全退火工序主要應(yīng)用于改鍛后的坯料退火。中南大學碩士學位論文 第3章Hi3模具鋼的熱處理工藝優(yōu)化(3)等溫退火。等溫退火主要也應(yīng)用于改鍛鍛后的坯料退火，其目的也與 完全退火相同，但為了更好地消除應(yīng)力、改善組織、降低硬度、提高切削性能， 增加了一個等溫過程。(4)低溫退火。低溫退火的目的是消除應(yīng)力、降低硬度、改善組織，為減少淬火變形作好準備，常用于返修件降低硬度和淬火前消除加工應(yīng)力處理。(5)淬火工序。淬火是模具鋼最為重要的熱處理工序。如果鋼從奧氏體狀 態(tài)以超過J艋界冷卻的速度快冷，那么在Ms點開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，至Ml點轉(zhuǎn) 變終了，成為完全淬透組織。Ms點和Ml點溫度由幾乎對冷卻速度無影響的化 學成分決定，對其影響最大的是碳，金屬學研究表明，當含碳量增加時，Ms 點下降，而Ms點以下的馬氏體轉(zhuǎn)變進行程度不變，冷卻速度的影響只取決于 溫度的降低。由于馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生晶格畸變，使鋼材硬度增加。一般來說，馬 氏體硬度的最高值出現(xiàn)在碳含量為0．6％的時候。即使淬火鋼獲得所需的硬度，但產(chǎn)生10％馬氏體的情況是十分罕見的，特 別是在過共析模具鋼中，Ml點大都在常溫以下，這些鋼在普通淬火后的淬火狀 態(tài)或在低溫回火狀態(tài)，都殘存有若干奧氏體，即殘余奧氏體。殘余奧氏體對鋼 的性能有極大的影響，特別是在高溫耐熱合金模具鋼中，一般認為是模具熱處 理成敗的決定因素之一。碳、錳、鎳和鉻的含量愈高，淬火溫度愈高和冷卻愈慢，奧氏體殘留量就 愈多，當殘余奧氏體增多時，模具的淬火溫度就降低，彈性極限和磁感應(yīng)強度 下降，具有時效變形和在使用中因馬氏體而脆化等不良影響，但可以使韌性提高，淬火尺寸變形量減少等好處。一般來說，擠壓工模具在淬火后，穩(wěn)定的殘 余奧氏體在10％左右為好。淬火溫度、保溫時間和冷卻方式是工模具淬火工序的主要工藝參數(shù)。為了 獲得足夠的淬火硬度、良好的綜合性能與內(nèi)部組織，防止淬火變形和開裂，必 須選擇最佳的淬火溫度、保溫時間和冷卻方式。(6)回火工序?；鼗鹗菍⒋慊痄撛谙嘧凕cAc以下的溫度下，進行再加熱，使碳化物析出，消除淬火晶格畸變，增加韌性，或使殘余奧氏體分解，使工件 變成穩(wěn)定狀態(tài)的熱處理方法。因此，往往把回火作為一種最終的熱處理。如上所述，鋼的淬火組織是由馬氏體、殘余奧氏體和碳化物等所組成。但 在常溫下，馬氏體處于含碳過飽和狀態(tài)，奧氏體是不穩(wěn)定組織，因此，在回火 加熱時，能看到分解或穩(wěn)定的鐵素體加碳化物回復(fù)到平衡狀態(tài)的現(xiàn)象。這種變 化隨著溫度的升高和時間的延長是連續(xù)變化的。在回火過程中，隨著溫度的增 高，組織的變化可分為四個階段。第一階段是70℃200。C，淬火馬氏體分解成 低碳馬氏體和￡碳化物，并消除內(nèi)應(yīng)力。第二階段在200．300℃，殘余奧氏體分中南大學碩士學位論文 第3章H13模具鋼的熱處理工藝優(yōu)化解成馬氏體。第三階段在250℃以上進行，把馬氏體和∈相轉(zhuǎn)變成鐵素體加滲 碳體，隨著溫度的增高發(fā)生連續(xù)軟化過程，滲碳體呈片狀析出時表現(xiàn)出低溫脆 化現(xiàn)象。第四階段是含有Cr、W、Mo、V和n等碳化物生成元素的合金鋼， 在約500℃以上的置換型擴散自由進行的溫度下伴隨有穩(wěn)定碳化物析出和長大 的變化。此外，除C