热锻模粘模问题的原因分析

侯家广

（山东九鑫机械工具有限公司，山东泰安271500）

1 引言

在模具生产、使用中，粘模是减少模具使用寿命的主要原因。如何最大限度地减少粘模，提高生产效率一直是多年来的重要课题。造成粘模的原因很复杂，各种成分的模具、材料不同、制造工艺及工作条件各有不同。本文从同种模具在一定的工艺、制造、热处理及工作条件下进行分析，能减少工艺及工作流程上的过失，避免工作上的盲目性，从而降低成本，提高效率，逐步减少粘模带来的损失，使生产规范有序地进行，通过专家调研52%（上海）、44%（日本）的模具失效都是热处理失效造成的，可见温度变化、热处理都是模具失效的重要因素。

2 温度的影响

2.1 热磨损

热磨损是在机械载荷、热载荷的共同作用下在型腔表面形成复杂的磨损过程。热作模具的磨损主要以表面疲劳磨损为主，因工作条件的不同常伴随着黏着磨损和磨料磨损，磨损表面的特征主要是刮伤、沟槽、麻点和削落等。

2.2 热疲劳

又称冷热疲劳或龟裂，这是指模具工作时，因模具型腔表面存在较大的温差和急冷、急热的作用，使模具产生较大的热应力。当温度反复变化时，这种热应力也随之变化，加上承受较大的机械载荷作用，模具易出现热疲劳裂纹。此裂纹属于表面裂纹，一般较浅，在机械力作用下向内部扩展，最终产生断裂、失效。常伴随以下两种情况。

（1）与模具的材料的亲和力。通常被加工工件与模具材料的亲和力越大，则产生黏着磨损倾向越大，模具寿命越短。

（2）坯料的温度。随着坯料加热温度提高，导致模具温度升高，使模具强度下降，易产生塑性变形。模具表面与内部温差加大，使热应力增加，加速冷热疲劳过程，加剧热应力开裂的倾向。在高温下，模具材料与坯料易形成黏着磨损，并增加氧化倾向。而低的坯料温度，将使变形抗力提高，容易造成模具表面磨损和早期开裂。建议终锻温度保持在850℃～900℃内。

2.3 温度升高导致硬度降低引起的粘模

铁和碳元素是模具钢的主要成分，铁和碳元素能组成各种不同的合金组织：铁素体、渗碳体、珠光体、奥氏体等。马氏体是德国冶金学家发现。他发现钢在淬火后生成一种黑色的组织，通过研究发现它是钢材硬度、强度的重要因素，奥氏体是英国冶金学家发现。奥氏体是加热到一定温度的晶格结构。奥氏体强度很低，硬度较小，170～220HB，但其溶碳能力较大。1，146℃时可以溶进2.04%的碳，有较好的塑性。马氏体是黑色金属材料的一种组织名称，马氏体有两种类型，中碳钢淬火获得板条状马氏体，它是由许多束尺寸大致相同，近似平行排列的细板条组成的组织，各束板条之间的角度比较大。高碳钢淬火获得针状马氏体。针状马氏体是竹叶或凸透镜状。奥氏体是钢铁的一种成片状的显微组织，奥氏体一般有等轴状多边形晶粒组成，晶粒内有弯晶，它是高温下的一种组织，模具钢加热至723℃时就有奥氏体存在，同时残余钢内的奥氏体晶粒900℃就会迅速长大，晶粒度的大小决定了模具的机械性能如强度、硬度等。晶粒越细机械性能越好。由于马氏体和奥氏体的可逆性，部分马氏体转化为奥氏体，从而使模具硬度下降，各种模具材料相变温度不一样，差别都在20℃左右。建议：

（1）温度保持830℃～880℃。

（2）去应力回火。回火温度比正常温度低30℃～80℃，降低温度升高带来的内应力。

3 冷水降温硬度的变化

使用过程中高温模具用冷水降温，硬度会降低。轻微的响声伴随着细细的裂纹或者看不到裂纹，但再次升温至原来的温度硬度大大降低，也容易引起粘模。

原因分析：使用过程中加水冷却，模具在800℃左右高温下急剧降温，金属表面温度下降，外层金属就发生收缩，对内部金属产生压力，而内部金属却使外层金属产生拉力作用。晶粒结构改变，体积增大，从而产生很大的内应力，再加温至以前的温度造成硬度下降。如3Cr2W8V钢采用喷水强制冷却，容易出现早起疲劳甚至开裂，4Cr5MoSiV、3CrMoW2V等铬钼为主的合金模具钢比较能够适应喷水强制冷却。这种材料的模具钢可采用石墨喷剂达到降温、润滑的作用。

4 脫碳

碳原子析出俗称脱碳。由于晶界上两个晶粒质点排列取向有一定的差异，结构上比较疏松，在多晶体中，晶界会成为原子或离子快速扩散的通道，并容易引起杂质、原子、离子偏聚，所以碳原子就会容易与其他元素化合而沉淀在晶界外。晶界外，模具钢的脱碳深度与加热温度、加热时间、模具钢的化学成分有关，特别是含碳量。含碳量越多越容易脱碳。原因分析：模具在淬火或高温回火时未加保护，将引起表面氧化与脱碳。经过洛氏硬度检测，脱碳层较深，磨床无法磨掉脱碳层，磨床磨削一毫米HRC增加两个点。脱碳后出现软点或软区，从而使表面硬度降低。建议这种模具高温淬火、回火、正火。

5 氧化层

模具加工过程中氧化层的残余，造成硬度低而引起的粘模。模具钢在使用过程中加热时间越长，产生的氧化皮越多，钢的含碳量越高，生成的氧化皮越少。含铬、镍、钼等元素的合钢在加热时形成的氧化皮就少。这是因为这些元素加入钢中后，形成的氧化皮较牢固致密，不易破裂，因此在表面先形成的氧化皮就起到了保护内部金属的作用，阻止了钢材的进一步氧化。要减少金属被氧化，可以采用快速加热、缩短加热时间和少氧化、无氧化加热方法。我厂生产扳手模具氧化层在1mm以上，可以用磨床磨去氧化层。

6 模具磁性

（1）由于模具是多种合金合成，所以本身自带一定的磁性，在锻压过程中，磁场不能消除，容易吸附工件造成粘模。

（2）模具加工过程中磁性的残留造成的粘模。在制造过程中磨床、电磁铁、磁铁对模具吊装、加工都会带来磁性的增加，有时磁性很大，压力机的压力方向不能改变模具的磁场方向造成吸附工件。

7 表面粗糙度（光洁度）

模具表面粗糙度的降低，既可以减少被加工工件流动的阻力，降低型腔的磨损率，又可以减少表面缺陷及产生裂纹的倾向。建议模具型腔的表面粗糙度值为Ra0.8～0.4μm。

8 合理使用

（1）模具的预热。热锻件模具在工作前应进行预热，使模具上升到200℃～300℃，这样可以减少模具表面和内部的温差，减少热应力，防止出现热应力、开裂。

（2）模具的冷却。热作模具工作表面进行冷却时。

应保持适当的冷却速度，采用下限速度。过于强烈的冷却或过低的温度容易引起冷热疲劳裂纹，正确的冷却方法既要降低模具表面温度，又要保证温度不会降低过低。具体要求：模具表面的上限温度最好低于回火温度，而模具表面下限温度应保证在200℃～300℃。

（3）模具的去应力回火。热作模具工作一定时间后应卸下进行去应力回火，回火温度比正常回火温度低30℃～50℃，以降低模具中的内应力，防止模具开裂。

（4）模具的保温。热作模具工作间歇时间，应对其进行表面保温，保温温度通常与预热温度相同（250℃～300℃），避免直接冷却到室温而引起模具开裂，保温的方法是采用电热丝加热保温或煤气（或天然气）加热保温等。

9 结束语

总之，模具老化是一种很复杂的问题，其中与材料、热处理工艺、制造、使用维护等密不可分。通过以上的分析和建议，可减少粘模几率，缩短压坯时间，提高模具寿命，减少劳动强度，提高生产效率。