H13鋼模具失效因素影響

一、失效影響因素

H13鋼模具的失效問(wèn)題是一個(gè)非常復(fù)雜的技術(shù)難題，可以從材料、設(shè)計(jì)、制造和使用四個(gè)方面進(jìn)行分析。

1.化學(xué)成分和冶金質(zhì)量

H13鋼屬于過(guò)共析合金鋼類(lèi)型，組織中存在較多的非金屬夾雜物、碳化物偏析、中心疏松及白點(diǎn)等缺陷，在很大程度上降低模具鋼的強(qiáng)度、韌性及熱疲勞抗力。H13鋼根據(jù)質(zhì)量一般分為普通H13鋼和優(yōu)質(zhì)H13鋼。優(yōu)質(zhì)H13鋼由于采用了較先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，鋼質(zhì)純凈，組織均勻，偏析輕微，具有更高的韌性及熱疲勞性能。普通H13鋼則必須進(jìn)行改鍛，以擊碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，均勻組織。

2.模具設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模具時(shí)應(yīng)根據(jù)成形零件的材料和幾何尺寸確定模塊的外形尺寸，以保證模具的強(qiáng)度。此外，過(guò)小的圓角半徑、壁厚差懸殊的扁寬薄壁截面及孔、槽位置不合適等很容易在模具熱處理和使用過(guò)程中引起過(guò)大的應(yīng)力集中而萌生裂紋。因此，在模具設(shè)計(jì)中盡量避免尖角，孔、槽位置應(yīng)合理布置。

3.制造工藝

（1）鍛造工藝

H13鋼中合金元素含量較多，鍛造時(shí)變形抗力較大，且材料的導(dǎo)熱性能較差，共晶溫度較低，稍不注意就會(huì)過(guò)燒。因此，加熱時(shí)應(yīng)在800～900℃區(qū)間預(yù)熱，然后再加熱至始鍛溫度1065～1175℃。為擊碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析，細(xì)化碳化物，均勻組織，鍛造時(shí)要反復(fù)鐓粗拔長(zhǎng)，總鍛比大于4。在鍛造后的冷卻過(guò)程中，有產(chǎn)生淬火裂紋的傾向，易在心部產(chǎn)生橫向裂紋。因此，H13鋼鍛后應(yīng)進(jìn)行緩慢冷卻。

（2）切削加工

切削加工的表面粗糙度對(duì)模具熱疲勞性能有很大影響，模具型腔表面應(yīng)獲得較低的表面粗糙度，不能留有刀痕、劃傷和毛刺。這些缺陷引起應(yīng)力集中，誘發(fā)熱疲勞裂紋萌生。因此，在加工模具時(shí)復(fù)雜部位圓角半徑過(guò)渡處要防止留有刀痕，孔、槽邊緣和根部的毛刺要打磨掉。

（3）磨削加工

磨削過(guò)程中，局部摩擦生熱容易引起燒傷和裂紋等缺陷，并在磨削表面生成殘余拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致模具過(guò)早失效。磨削熱引起的燒傷可以使H13模具表面發(fā)生回火直至生成回火馬氏體，脆性未回火馬氏體層會(huì)大大降低模具的熱疲勞性能。如果磨削表面局部升溫達(dá)800℃以上，并且冷卻不充分時(shí)，則表層材料會(huì)被重新奧氏體化并淬火成馬氏體，因而模具表面層會(huì)產(chǎn)生很高的組織應(yīng)力，同時(shí)磨削過(guò)程中模具表面溫升極快會(huì)引起熱應(yīng)力，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加容易造成模具產(chǎn)生磨削裂紋。

（4）電火花加工

電火花加工是現(xiàn)代模具制造過(guò)程中不可缺少的精加工手段?；鸹ǚ烹姇r(shí)，局部的瞬時(shí)溫度高達(dá)1000℃以上，使放電處的金屬熔化和氣化，在電火花加工表面有一薄層被熔化而又重新凝固的金屬，其中有許多顯微裂紋。在顯微鏡下這一薄層金屬呈白亮色，即白亮層。研究表明，對(duì)于高合金化的H13鋼，電火花加工形成的表面白亮層的顯微組織為初生馬氏體、殘余奧氏體和共晶碳化物，未回火的初生馬氏體存在大量顯微裂紋。H13鋼模具在工作中承受載荷時(shí)，這些顯微裂紋很容易發(fā)展為宏觀裂紋，導(dǎo)致模具易出現(xiàn)早期斷裂和早期磨損。H13鋼模具經(jīng)電火花加工后應(yīng)重新回火，以消除內(nèi)應(yīng)力，但回火溫度不要超過(guò)電火花加工前的*高回火溫度。

（5）熱處理工藝

合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需要的力學(xué)性能，提高模具的使用壽命。但是如果因熱處理工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)或操作不當(dāng)而產(chǎn)生熱處理缺陷，將嚴(yán)重危害模具的承載能力，引起早期失效，縮短工作壽命。熱處理缺陷有過(guò)熱、過(guò)燒、脫碳、開(kāi)裂、淬硬層不均勻和硬度不足等。H13鋼模具在服役一定時(shí)間后，當(dāng)積累的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到危險(xiǎn)的限度時(shí)，應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行去應(yīng)力回火，否則模具在繼續(xù)服役時(shí)將會(huì)由于內(nèi)應(yīng)力引起開(kāi)裂。

4.模具的使用與維護(hù)

（1）模具的預(yù)熱

HI3鋼合金元素含量較高，導(dǎo)熱性能較差，因此模具在工作前應(yīng)充分預(yù)熱。預(yù)熱溫度過(guò)高，模具在使用過(guò)程中溫度偏高，強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生塑性變形，造成模具表面塌陷；預(yù)熱溫度過(guò)低，模具開(kāi)始使用時(shí)，瞬間表面溫度變化大，熱應(yīng)力大，易萌生裂紋。綜合考慮后H13鋼模具的預(yù)熱溫度確定為250～300℃，既可降低模具與鍛件的溫差以避免模具表面出現(xiàn)過(guò)大的熱應(yīng)力，又有效地減少了模具表面的塑性變形。

（2）模具的冷卻與潤(rùn)滑

為減輕模具的熱負(fù)荷，避免模具溫度過(guò)高，通常在模具工作的間歇對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制性冷卻，由此造成模具周期性的激熱、激冷作用將會(huì)產(chǎn)生熱疲勞裂紋。因此，模具使用結(jié)束后應(yīng)緩慢冷卻，否則將會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)力，從而引起模具的開(kāi)裂失效。H13鋼模具工作時(shí)可采用石墨含量為12％的水基石墨進(jìn)行潤(rùn)滑，降低成形力，保證金屬在型腔中正常流動(dòng)和鍛件順利脫模；此外，石墨潤(rùn)滑劑還具有散熱作用，可以降低H13鋼模具的工作溫度。