热锻模的典型失效形式及其原因分析

文／包卫平·壹胜百模具（北京）有限公司

锻模是实现模锻工艺的工装，是进行模锻生产的关键因素之一。模具属于耗损件，模具的失效是指在规定的寿命期内丧失使用功能的现象，模具的使用寿命则是指自投入使用直至正常耗损失效期内所生产零件的数量。模具提前失效，不仅会造成生产停顿，而且会使成本增加，影响产品的市场竞争能力，降低企业的经济效益。因此，如何充分发挥模具材料的性能、提高锻模质量和使用寿命、降低模具的生产成本是锻造行业重点关注的问题，本文主要讨论锻模的主要失效形式及其原因分析，并从中找到一些提高锻模使用寿命的有效途径。

热锻模失效的表现形式

锤锻模、机锻模是在自由锻锤、模锻锤和压力机上使用的热成形模具，是典型的热作模具，工作过程中既承受机械负荷，又承受热负荷。机械负荷主要是冲击力和摩擦力，热负荷主要是交替加热和冷却。锻模在上述复杂条件下工作，其失效形式也复杂多样，其主要失效形式有型腔部分的磨损、开裂，型腔表面的热疲劳（热龟裂）和塑性变形。

图1为锻压模具型腔的不同位置模具容易发生的各种失效形式。由图2数据可知，在各种主要失效形式中，磨损发生概率约占68%，开裂约占24%，塑性变形（塌陷）约占3%，热龟裂约占2%。

热锻模的各种典型失效形式及其原因分析

磨损

热锻模发生磨损时的表面特征如图3所示。锻模在机械负荷和热负荷双重作用下，一方面坯料与型腔表面产生冲击性的接触应力，另一方面坯料及其氧化皮的高速流动与型腔表面产生强烈的摩擦，因此，磨损容易发生于如图1所示的模具的凸出圆角部位和飞边槽桥部。

磨损与模具材料、坯料类型及锻造工艺等因素相关。降低锻造温度（使坯料的变形抗力增加）会急剧增加模具的磨损，被约束于模具与坯料间隙的油基润滑剂燃烧时产生的爆炸将导致一种侵蚀性磨损。

因此，热锻模的磨损通常与以下9类因素有关。

⑴高压载荷下坯料与型腔表面接触时间过长导致的过热。

⑵不正确的热处理得到低强度的金相组织。

⑶冷却润滑不够。

⑷过低的模具硬度。

⑸过低的锻造（坯料）温度。

⑹锻造步骤不够。

⑺模具没有足够的排气孔。

⑻型腔的复杂度。

⑼模具的表面处理。

针对以上原因，改善热磨损问题的相应对策如下。

⑴尽可能减少坯料与型腔表面在高压载荷下的接触时间。

⑵正确的热处理工艺，比如合适的奥氏体化温度、尽可能高的淬火冷却速度、避免表面脱碳等。

⑶在确保韧性的前提下，适当提高模具硬度。

⑷锻造过程中确保坯料温度在锻造温度范围内，特别要避免坯料温度低于终锻温度。

⑸合理安排锻造工位。

⑹模具应布置有排气孔。

⑺模具表面做氮化处理。

开裂

锻模开裂的形貌特征如图4所示。按开裂的性质，可分为早期脆性开裂和机械疲劳开裂两种类型。模具的早期脆性开裂一般发生在模具首次使用时，在锤击次数较少时就会发生，有时仅锤击一次就发生断裂，其断口的形貌特征是从断裂源开始，裂纹呈人字花纹向外扩展。模具的机械疲劳开裂是在模具经受多次锻击后发生的断裂，其宏观和微观断口也具有一般疲劳断口的特征，但宏观断口上的裂纹扩展区一般较小。

导致模具开裂的原因概括起来主要有7种，分别如下。

⑴模具过载（如被加工材料温度过低）。

⑵模具预热温度过低或不预热。

⑶过量的冷却剂/润滑剂。

⑷模具结构设计不合理造成应力集中。

⑸模具材料冶金质量不高或锻件质量缺陷。

⑹热处理缺陷和模具机加工缺陷。

⑺模具的不正确安装等。

以上因素均可诱发裂纹萌生，并导致早期断裂和机械疲劳断裂。

图5给出了真空淬火时不同冷却速度对热作钢的冲击韧性和微观组织的影响结果，冷却速度不足时一方面减少了马氏体的含量，另一方面晶界上析出大量的碳化物，从而使材料的冲击韧性急剧降低，增加了模具开裂的风险。

为了防止模具开裂，应当防止如图6所示的电火花加工（EDM）白层的出现，电火花加工白层的韧性很差，容易导致开裂发生。氮化时，过厚的氮化层和脉状氮化物的存在也会严重降低模具的韧性，氮化层深度对韧性的影响及脉状氮化物的微观组织特征分别如图7和图8所示。

综上分析，改善模具开裂问题的相应对策如下。

⑴避免模具过载，比如坯料温度应在合理范围内以确保足够低的变形抗力。

⑵模具应正确预热(150～200℃)，一方面可以提高模具韧性，另一方面能降低模具的热应力。

⑶合理的模具设计，尽可能增加圆角半径、合理布置排气孔和飞边、采用镶块结构等。

⑷采取正确而有效的冷却措施，以避免产生过高的表面热应力。

⑸选择优质并且强韧性能高的模具材料。

⑹正确的淬火回火热处理和表面处理，尤其是避免过氮化。

⑺避免电火花加工白层残留以及粗糙的模具表面（比如深的刀痕）。

热疲劳裂纹（龟裂）

模具型腔表面热疲劳裂纹（龟裂）的形貌特征如图9所示。所谓“热疲劳”是指模具在如图10所示的循环热应力的反复作用下所产生的疲劳裂纹和破坏。发生热疲劳（龟裂）的主要原因有7种，如下。

⑴模具型腔表面过度冷却。

⑵冷却不当。

⑶冷却剂/润滑剂的类型选用不当。

⑷模具型腔表面温度过高。

⑸模具预热不足。

⑹模具材料选择不当。

⑺热处理缺陷和表面处理缺陷。

改善热疲劳（龟裂）的相应对策如下。

⑴避免过高的型腔表面温度带来的表面回火软化，从避免模具抗热疲劳性能下降。

⑵采取正确而有效的冷却措施，一方面避免产生过高的表面热应力，另一方面避免表面回火软化。

⑶正确选择模具的预热温度，一般建议150～200℃，避免过高或过低的预热温度。

⑷选择优质并且具有优异强韧性能的模具材料。

⑸正确的热处理工艺（比如合适的奥氏体化温度和尽可能高的淬火冷却速度，并充分回火），氮化时避免过厚的氮化层及脉状氮化物。

塑性变形（塌陷）

锻模局部受到超过模具材料的屈服强度的工作应力时，塑性变形即发生，图11是典型的由于模具型腔表面温度过高使表面严重回火软化导致的塑性变形形貌特征。塑性变形常发生在模具型腔中受力大且受热温升高的部位，如肋、凸台等凸出部位。模具型腔在坯料的高温、变形过程摩擦产生的温升作用下（高于模具的回火温度），使模具材料的屈服强度下降，表面产生了软化层，在软化层较深的部位，则会产生棱角倒塌或使型腔深处产生凹陷等塑变现象。

导致锻模塑性变形发生的主要原因如下。

⑴坯料的温度过低(导致工件材料的流动应力过大)。

⑵模具钢选材不当，如模具钢的热强度不足。

⑶模具温度过高。

⑷热处理工艺不当，如模具硬度过低。

改善塑性变形的相应对策如下。

⑴坯料应加热到合适的始锻温度，并确保锻造过程中坯料温度不低于终锻温度。

⑵选择具有更高的高温强度和回火抗力的模具材料。

⑶模具应避免过高的预热温度和锻造过程中的型腔表面温度。

⑷制定正确的热处理工艺，适当提高模具硬度。

结束语

锻模的主要失效方式有型腔部分的磨损、开裂、型腔表面的热疲劳（热龟裂）和塑性变形，本文通过讨论锻模的主要失效形式，并分析失效的原因，提出了一些预防锻模失效的方案，希望对锻件生产企业起到一些借鉴作用。