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H13鋼模具失效原因及解決方法

  【H13鋼模具失效原因及解決方法】

  H13(4Cr5MoSiV1)是國(guó)際上廣泛使用的熱作模具鋼,它具有較高的熱強(qiáng)度和硬度、高的耐磨性和韌性、較好的耐熱疲勞性能,廣泛應(yīng)用于制造各種鍛模、熱擠壓模以及鋁、銅及其合金的壓鑄模。熱作模具鋼工作時(shí)承受很大的沖擊載荷、強(qiáng)烈的摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力以及高溫氧化,常常出現(xiàn)崩裂、塌陷、磨損、龜裂等失效形式。

  H13鋼模具失效影響因素比較復(fù)雜,主要有材料、設(shè)計(jì)、制造和使用四個(gè)方面。

  1.化學(xué)成分和冶金質(zhì)量

  失效原因:H13鋼屬于過(guò)共析合金鋼類型,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。

  解決方法: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)

  失效原因:外形尺寸不合格,圓角半徑過(guò)小,扁寬薄壁截面壁厚差懸殊及孔、槽位置不合適等。

  解決方法:

  a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。

  b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

  失效原因: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。

  解決方法: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

  失效原因: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。

  解決方法: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)程中模具表面溫升很快會(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

  失效原因: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。火花放電時(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鋼制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。

  解決方法: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)電火花加工前的很高回火溫度。

  (5)熱處理工藝

  失效原因: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、開裂、淬硬層不均勻和硬度不足等。

  解決方法: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)力引起開裂。


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