徐 靜，戚文軍，農(nóng) 登，周 楠

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州510650

熱鍛模失效與強(qiáng)化的研究現(xiàn)狀

徐 靜，戚文軍，農(nóng) 登，周 楠

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院），廣東 廣州510650

在對(duì)模具壽命和失效形式進(jìn)行表述和分析的基礎(chǔ)上，介紹了熱鍛用模的損壞形式．為提高模具使用壽命，模具既要具有優(yōu)良的整體強(qiáng)韌性，還必須具備優(yōu)異的型腔表面性能．針對(duì)熱鍛模具應(yīng)用的特點(diǎn)，闡述了如何從模具強(qiáng)韌化工藝和表面處理方面采取措施來(lái)提高模具使用壽命，并提出了采用多種合金處理的強(qiáng)韌化手段提高模具的綜合性能是模具制造的發(fā)展方向．

熱鍛模；強(qiáng)韌化；表面處理；使用壽命

隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，用模具成型的產(chǎn)品愈來(lái)愈多．利用模具生產(chǎn)的突出特點(diǎn)是：在模具壽命較高的前提下，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定．目前，在我國(guó)的許多企業(yè)中，模具的使用壽命還比較低，僅相當(dāng)于國(guó)外的1/3～1/5．據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于模具壽命低而造成工時(shí)和能源的浪費(fèi)，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響所帶來(lái)的損失，每年達(dá)數(shù)十億人民幣[1]．因此，如何提高模具的使用壽命是當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)課題之一．

1 模具失效形式

模具壽命的高低是衡量模具質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一．從目前的實(shí)際情況看，模具失效的基本形式主要有以下幾種：磨損失效、變形失效、斷裂失效和疲勞失效．

1．1 磨損失效

磨損的主要形式有：磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損以及腐蝕磨損和摩擦磨損的交互作用[2－3]．

磨粒磨損按照磨損形態(tài)和應(yīng)力或沖擊載荷的施加方式，可分為鑿削式磨粒磨損、研磨式磨粒磨損和劃傷式磨粒磨損．鑿削式磨粒磨損的應(yīng)力和沖擊載荷一般很大．對(duì)材質(zhì)不均勻、內(nèi)有夾雜及脆硬相和硬質(zhì)點(diǎn)的板料進(jìn)行沖裁或切斷時(shí)的凸模，以及采用擠壓成型的凸擠陽(yáng)模，其磨損形式均為鑿削式磨粒磨損[4－5]．

研磨式磨損的作用應(yīng)力很大，但沖擊載荷不大，如機(jī)械制造中的研磨、拋光等．劃傷式磨粒磨損多出現(xiàn)在清屑不良的沖裁凹模刃口、凸模表面及潤(rùn)滑不良的模具滑動(dòng)和導(dǎo)向裝置中．外來(lái)硬質(zhì)顆粒加載工件與模具接觸面之間，刮擦模具表面引起模面材料脫落以及工件表面的硬質(zhì)突出物刮擦模具引起的模具損傷均屬磨粒磨損．

粘著磨損多發(fā)生于拉伸凸、凹模的棱角處．為了防止粘著磨損發(fā)生，通過(guò)潤(rùn)滑以防溫升很重要．在非潤(rùn)滑條件下使用時(shí)，應(yīng)盡量減小金屬表面的摩擦系數(shù)，以便在高的接觸應(yīng)力下減小溫升．為了最大限度地降低粘著磨損，選用抗回火軟化能力強(qiáng)的基材，并輔之以表面硬化處理，使之與摩擦密切相關(guān)的表層部分獲得必要的硬度、自潤(rùn)滑性和耐磨性[4－6]．

就疲勞磨損而言，材料本身必須具有足以抵抗變形的切應(yīng)力強(qiáng)度．由于最大切應(yīng)力只產(chǎn)生在表層部分，所以提高表層強(qiáng)度的表面硬化處理對(duì)防止疲勞磨損很有效．當(dāng)表層有微小裂紋或缺陷時(shí)，以這些缺陷為始源地會(huì)發(fā)生異常磨損．在這種情況下，不應(yīng)只提高硬度，還應(yīng)提高材料的強(qiáng)韌性．這對(duì)模具的材質(zhì)和表面強(qiáng)化方法提出了更高的要求[4－5]．

在模具與工件（或坯料）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，磨損并不局限于一種形式，而是多種形式交織在一起．模具與工件表面產(chǎn)生粘著磨損后，部分材料脫落形成磨粒磨損．磨粒磨損出現(xiàn)后，使模具表面變得粗糙，進(jìn)一步加劇粘著磨損，并出現(xiàn)疲勞磨損，使模具表面粗化并出現(xiàn)溝痕，加劇了粘 著磨損 和疲勞 磨損[4－5，7－8]．一般來(lái)說(shuō)，若材料組織均勻，有較好的抗疲勞性、抗腐蝕性、較高的強(qiáng)度和韌性，則抗氣蝕和沖蝕磨損性能較好．

1．2 變形失效[3－4，8]

模具在服役時(shí)，一般承受不均勻的應(yīng)力和載荷．當(dāng)模具的某個(gè)部位所受的應(yīng)力超過(guò)了當(dāng)時(shí)溫度下模具材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)以滑移、孿晶、晶界滑移等方式產(chǎn)生塑性變形，造成模具無(wú)法修復(fù)而報(bào)廢．在室溫下服役的模具（冷作模具），其塑性變形過(guò)程是模具材料在室溫下的屈服過(guò)程．模具在室溫下是否發(fā)生塑性變形取決于機(jī)械負(fù)荷以及模具的室溫強(qiáng)度，模具的室溫強(qiáng)度取決于所選擇的材料及熱處理制度．在高溫下服役的承載模具（如壓鑄模、塑料注射模、熱鍛模等），其屈服過(guò)程是在較高溫度下進(jìn)行的，塑性變形主要取決于模具的工作溫度和模具材料的高溫強(qiáng)度．

1．3 斷裂失效[7－8]

鍛打時(shí)，模膛內(nèi)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，有時(shí)高達(dá)2000 MPa．當(dāng)應(yīng)力超過(guò)模具材料的強(qiáng)度極限時(shí)，模具易斷裂．這種情況多數(shù)發(fā)生在模膛最深部，尤其是容易形成應(yīng)力集中的轉(zhuǎn)角處．因此，設(shè)計(jì)模具時(shí)，要保證模膛內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力不能超過(guò)模具材料的強(qiáng)度極限，同時(shí)在轉(zhuǎn)角處要圓滑過(guò)渡，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中．

此外，模具在承受沖擊載荷時(shí)，容易開(kāi)裂．這主要是由模具受力特點(diǎn)決定的．如在沖擊載荷下進(jìn)行閉式模鍛時(shí)，毛坯充滿模腔后，鍛錘還有多余能量，必然傳遞給模具．由能量轉(zhuǎn)換原理得知，當(dāng)多余能量大時(shí)，打擊力也很大，模具常常因?yàn)槌惺懿涣诉@么大的應(yīng)力而開(kāi)裂．

1．4 疲勞失效

模具經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的鍛打，在模具表面產(chǎn)生微觀裂紋，并逐漸擴(kuò)展成宏觀裂紋．當(dāng)其達(dá)到臨界尺寸后，會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷，這就是模具的疲勞損壞．主要形式是激冷激熱疲勞（熱疲勞）和機(jī)械疲勞．熱疲勞裂紋有網(wǎng)狀、放射狀和直線狀．疲勞損壞發(fā)生在模膛內(nèi)冷熱較敏感處，如凸臺(tái)、筋部、模具上表面等．機(jī)械疲勞裂紋常出現(xiàn)在模膛內(nèi)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中處，特別是轉(zhuǎn)角和凸臺(tái)的根部容易出現(xiàn)與打擊方向成45°的裂紋．如果模膛內(nèi)因其他原因己經(jīng)產(chǎn)生了裂紋，在交變應(yīng)力的作用下，裂紋就會(huì)擴(kuò)大，達(dá)到臨界尺寸時(shí)，發(fā)生低應(yīng)力脆斷．

疲勞裂紋從模具表面和內(nèi)部某一缺陷處開(kāi)始，當(dāng)模具內(nèi)部受力不均勻時(shí)，局部區(qū)域就會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中．在載荷的反復(fù)作用下，應(yīng)力集中處最先出現(xiàn)裂紋，裂紋的尖端形成尖銳的缺口，又造成新的應(yīng)力集中．在連續(xù)使用中，該處會(huì)持續(xù)開(kāi)裂，裂紋變得越來(lái)越大，模具上能夠傳遞應(yīng)力的部分越來(lái)越少．當(dāng)不足以傳遞載荷時(shí)，模具就會(huì)突然開(kāi)裂成兩塊或碎裂為數(shù)塊[9－12]．

2 模具強(qiáng)化技術(shù)

2．1 模具強(qiáng)韌化工藝

鑒于模具惡劣的工作環(huán)境，為提高模具的使用壽命，除要求模具應(yīng)有優(yōu)良的整體強(qiáng)韌性外，還要求模具在具有優(yōu)異的型腔表面性能．在這種情況下，出現(xiàn)了在模具整體強(qiáng)韌化的基礎(chǔ)上對(duì)其表面進(jìn)行強(qiáng)化的各種處理手段．

在一般工藝條件下，強(qiáng)度與韌性之間存在著制約關(guān)系，材料強(qiáng)度增加，通常伴隨著材料韌性的降低．要求高強(qiáng)度的同時(shí)，又要求材料有較高的韌性，是很困難的．若采取強(qiáng)韌化處理，可使鋼的強(qiáng)度和韌性都得到提高．因此，在含碳量較高的模具鋼中，采用強(qiáng)韌化處理，可保證模具具有高強(qiáng)度的前提下，提高沖擊韌性，使強(qiáng)度和韌性得到最佳配合，有利于進(jìn)一步提高多次沖擊抗力．

強(qiáng)韌化處理方法有多種，歸納起來(lái)主要有以下幾種：

（1）模具鋼高溫淬火[13－16]

熱鍛模具鋼高溫淬火和高溫回火：熱鍛模具鋼5Cr Mn Mo在850℃加熱淬火，淬火馬氏體形態(tài)以片狀為主．把淬火溫度提高到900℃，使奧氏體充分均勻化，消除富碳微區(qū)，淬火后可得到板條狀馬氏體，提高鋼的回火穩(wěn)定性、沖擊韌性和斷裂韌性，同時(shí)也提高了模具壽命．

高溫快速短時(shí)淬火：高碳鋼模具在快速加熱條件下，奧氏體化不均勻，組織中保留未溶碳化物，使奧氏體中固溶碳和合金元素減少，提高了MS點(diǎn)，阻止了富碳區(qū)的形成，減少了片狀馬氏體量，提高了模具的強(qiáng)韌性．

（2）碳化物細(xì)化處理（預(yù)處理）[13]

熱鍛模具鋼經(jīng)常規(guī)球化退火后，很難細(xì)化鋼中的碳化物并使之均勻地分布，也很難消除鏈狀碳化物，因此無(wú)法保證熱處理后獲得理想的強(qiáng)韌性．瑞典人首先提出“組織處理”的概念，目的在于細(xì)化熱模鋼的碳化物．對(duì)熱模鋼進(jìn)行預(yù)處理以細(xì)化其碳化物的關(guān)鍵在于：一是高溫奧氏體化，使原來(lái)組織中較粗大的過(guò)剩碳化物適當(dāng)溶解以減小尺寸；二是其后的快速冷卻獲得馬氏體或下貝氏體，然后再經(jīng)高溫回火或退火，使碳化物重新彌散析出．這樣在熱處理后就會(huì)在馬氏體基體上形成彌散分布的碳化物，提高熱作模具的強(qiáng)韌性．

（3）雙重?zé)崽幚韀17－21]

在常規(guī)淬火、回火前先對(duì)熱模鋼進(jìn)行一次高溫調(diào)質(zhì)處理，這樣可在幾乎不降低其沖擊韌性的條件下，獲得較高的斷裂韌性，并且硬度也高于常規(guī)淬火．經(jīng)過(guò)以上熱處理之后，再進(jìn)行正常的淬火、回火處理．這樣經(jīng)過(guò)雙重?zé)崽幚淼匿?，其中的碳化物均勻?xì)小，硬度、強(qiáng)度和斷裂性能都有所提高，可有效延長(zhǎng)模具壽命．

（4）形變熱處理[7，22]

形變熱處理是把鋼的形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化結(jié)合起來(lái)的一種強(qiáng)韌化工藝．低溫強(qiáng)化方法有：旋壓、錘鍛和深拉等熱加工方式．其強(qiáng)韌化本質(zhì)在于獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，細(xì)化馬氏體并增加馬氏體中位錯(cuò)密度，形成胞狀亞結(jié)構(gòu)，同時(shí)促進(jìn)碳化物的彌散硬化作用．低溫形變淬火適用于有雙C曲線亞穩(wěn)奧氏體區(qū)的鋼種，將鋼加熱至奧氏體狀態(tài)，保溫后急冷至亞穩(wěn)奧氏體區(qū)進(jìn)行快速形變．在形變過(guò)程中防止奧氏體分解，使塑性降低．與傳統(tǒng)工藝相比，在相同條件下，不降低塑性、韌性的前提下，較大幅度提高了強(qiáng)度極限、屈服極限和疲勞極限，延遲了斷裂傾向．低溫形變淬火操作難度大，需相應(yīng)的熱加工成形設(shè)備，目前僅適用于形狀簡(jiǎn)單的凸?；蛐巫兇慊鸷箜毥?jīng)線切割的凹模（形變成模塊即可）．變量越大，形變淬火冷卻強(qiáng)化效果越顯著．若形變淬火冷速過(guò)低或掌握不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)非馬氏體組織，降低模具強(qiáng)化效果．

（5）真空熱處理[16]

與大氣下的淬火比較，真空油淬后模具表面硬度比較均勻，且略高一些．主要原因是真空加熱時(shí)，模具表面呈活性狀態(tài)，不脫C，不產(chǎn)生阻礙冷卻的氧化膜，有良好的表面質(zhì)量．爐內(nèi)真空度越高，材料抗彎強(qiáng)度越高．

2．2 模具表面處理工藝

模具表面處理工藝主要有氣體氮化法、離子氮化法、電火花表面強(qiáng)化法、滲硼法、TD法、PVD法、硬鉻法、激光表面強(qiáng)化法、堆焊法和等離子噴涂法等．

（1）滲碳法和TD法

滲碳具有滲速快、滲層深、滲層硬度梯度與成分梯度可方便控制、成本低等特點(diǎn)，能有效地提高材料的室溫表面硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度．滲碳應(yīng)用于冷作、熱作和塑料模具上，能提高模具壽命．對(duì)于注塑模，可采用20鋼粗加工成模，進(jìn)行型腔表面滲碳，再經(jīng)過(guò)精加工拋光后投入使用，這樣除了可以降低表面粗糙度外，還可以提高模具的耐磨性．如3Gr2W8V鋼制壓鑄模具，先滲碳再經(jīng)1140～1150℃淬火，550℃回火兩次，表面硬度可達(dá)58～61 HRC，使模具壽命提高1．8～3．0倍[25]．

TD（Toyota Diffusion Coating Process）法（托氏沉積法）亦稱(chēng)液體滲金法，是由日本豐田中央研究所發(fā)明的．該方法是在鹽浴槽中裝入耐熱鋼制坩堝，將硼砂放入坩堝中加熱至800～1200℃，然后加入相應(yīng)的碳化物形成元素粉末，如V，Nb，Cr，Ti，再將鋼或硬質(zhì)合金工件放入鹽浴中浸漬一段時(shí)間，加入的元素會(huì)擴(kuò)散到工件表面，并與鋼中的碳反應(yīng)形成幾微米至幾十微米厚的致密碳化物層．隨合金種類(lèi)的不同，可分別形成VC，NbC，Cr7C3＋Cr23C6等滲層．由于這些碳化物具有很高的硬度，所以用TD法處理的工具、模具可以獲得優(yōu)異的性能．TD處理可以顯著提高零件的耐磨性和抗粘附性，其壽命高于采用油淬的表面處理方法（詳見(jiàn)表1）[23－27]．

（2）離子氮化法[23，25]

離子氮化能夠提高模具的抗疲勞性和耐磨性．最好采用N2，而不要采用NH3進(jìn)行氮化，避免H＋對(duì)模具的氫脆作用．在真空容器內(nèi)通入氮?dú)?，以真空容器為?yáng)極，工件為陰極，在兩極之間加高壓電場(chǎng)，引起輝光放電，使氮離子轟擊并滲入工件表層，形成氮化層，氮化后表層有很高的耐磨性和熱硬性，從而提高鍛模的使用性能．離子氮化溫度一定要低于淬火后的回火溫度，以避免模具基體硬度降低和模具變形．

表1 TD處理在冷鐓模具上的應(yīng)用實(shí)例[23－27]Table 1 Applications of TD treatment for cold heading dies

（3）滲硼法[25，29]

滲硼法能顯著提高模具表面硬度（HV1300～2000）和耐磨性．滲硼層具有良好的紅硬性和耐磨性，廣泛用于模具表面強(qiáng)化，尤其適合磨粒磨損條件下的模具．近幾年，滲硼技術(shù)有新的發(fā)展，并獲得許多專(zhuān)利．例如英國(guó)的硼砂鹽浴滲硼工藝專(zhuān)利，在熔融硼砂中加入V2O5，NB2O5和B4C或FE－B進(jìn)行滲金屬，其中B4C和FE－B是還原劑．當(dāng)B4C的硼量為V2O5的7%～25%時(shí)，可形成VC層；當(dāng)硼含量超過(guò)這一比例時(shí)，則在VC層下面形成FE2B層．此時(shí)，F(xiàn)E2B層及其次層起到了很好的硬度平緩過(guò)渡的作用，有利于提高模具的壽命．

（4）PVD法（物理氣相沉積法）

物理氣相沉積涂層是應(yīng)用最廣泛的一種表面強(qiáng)化技術(shù)，具有處理溫度低、熱畸變小、無(wú)公害、涂層硬度高及均勻等特點(diǎn)．TiN涂層具有硬度高、粘著強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)低、抗腐蝕性?xún)?yōu)良的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是在工模具行業(yè)．70年代TiN涂層成功地用于刀具鉆頭等工具上，其使用壽命平均提高了2～10倍，引起了一場(chǎng)刀具革命．80年代物理氣相沉積TiN涂層在成形沖頭、沖壓模上試用成功，但由于模具的工作條件和影響因素遠(yuǎn)比刀具復(fù)雜，致使單一的TiN涂層在模具上的應(yīng)用受到很大制約．原因是一般模具鋼基體較軟，涂層與基體的結(jié)合力不夠，在工作中鋼基體不能有力支撐TiN涂層而發(fā)生早期破壞[28－29]．90年代人們通過(guò)多組元涂層、多層涂層和復(fù)合涂層來(lái)提高TiN涂層工模具的性能，取得了一些進(jìn)展．此處復(fù)合涂層是指物理氣相沉積涂層與其它表面處理工藝或涂層相結(jié)合，形成一種帶過(guò)渡層（或中間層interlayer）的雙層涂層．目前，TiN多元涂層、多層涂層由于工藝的復(fù)雜性、昂貴的設(shè)備造價(jià)、高的成本還難以形成廣泛的工業(yè)應(yīng)用．由于過(guò)渡層與硬質(zhì)涂層之間具有高的結(jié)合力、合理的硬度分布及良好的組織匹配等特點(diǎn)，可顯著提高抗疲勞性、耐磨性、塑變抗力和抗腐蝕能力，是今后復(fù)合涂層的發(fā)展趨勢(shì)之一．已報(bào)道的并有一定效果的復(fù)合涂層有：Ti＋TiN的復(fù)合、氮化層＋TiN的復(fù)合以及以TiN為過(guò)渡的復(fù)合涂層[30－31]．

3 結(jié) 語(yǔ)

分析模具的失效形式、壽命特性，研究模具的失效機(jī)理，挖掘材料的性能和改善材料的表面特性已越來(lái)越受到模具加工行業(yè)的重視；模具的失效形式是一個(gè)很復(fù)雜的物理變化過(guò)程，需要針對(duì)不同的磨損失效形式提出材料的強(qiáng)韌化熱處理工藝，以便最有效地發(fā)揮材料在抗磨損破壞中的綜合性能；現(xiàn)代表面處理技術(shù)（如離子復(fù)合氮化、PVD、等離子噴涂等）可以將材料的高強(qiáng)韌性和表面的高硬、高耐磨性有機(jī)結(jié)合起來(lái)，獲得綜合性能優(yōu)異的高品質(zhì)模具，已成為現(xiàn)代模具制造的發(fā)展方向；采用多種合金處理的強(qiáng)韌手段提高模具的綜合性能是模具制造的發(fā)展方向．

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Research status on failure and strengthening of hot forging die

XU Jing，QI Wenjun，NONG Deng，ZHOU Nan
Guangdong General Research Institute of Industrial Technology （Guangzhou Research Institute of Non－ferrous Metals），Guangzhou 510650，China

The damage form of hot forging dis was introduced，based on the description and analysis of die service life and failure mode．To improve the die service life，the mould not only must have excellent strength－ductility，but also must have mould cavities with high surface performance．In view of the application characteristics of hog forging die，this article elaborates how to improve the die service life from technological aspects of improving strength－ductility and surface treatment，and proposes the development trend of mould manufacturing in which the comprehensive properties of the mould are improved by multiple alloys treatment．

hot forging die；strength－ductility；surface treatment；service life

TG76

A

1673－9981（2011）03－0181－05

2010－10－12

徐靜（1985—），女，新疆昌吉人，碩士．