锻模失效原因分析与修复方法

        郭国林  

      （常熟理工学院 机械工程系 ，江苏 常熟  215500）

摘要：根据模具断裂失效类型，从多方面分析断裂失效的主要原因，并提出相应的预防措施，如材料选择、结构设计、锻造工艺、热处理工艺、磨削加工等，以改善模具制造质量，提高模具的使用寿命。

关键词：锻模；失效原因；预防措施；修复方法

中图分类号：TG316  文献标识码：B  文章编号： 1001--2168（2009）11--0066--03   

Analysis on failure  cause  of  forging  dies  and  restoration  method 

             GUO Guo-lin      

(Department  of  Mechanical  Engineering , Changshu  Institute  of  Technology ,Changshu, Jiangsu 215500,china)

Abstract:The main causes of various fracture failure in forging dies were analyzed in terms of failure types and some correspongding preventive measures were proposed ,which involves selection of materials,design of structure,forging technique,heat treatment and grinding machining,etc. 

Key words: forging die;failure cause;preventive measures; restoration method 

1引言

   随着制造业的发展，模锻件在锻压制件中所占的比例越来越大。然而在模锻过程中，锻模的工作条件十分恶劣，除了承受巨大的冲击载荷，加热的金属毛胚沿锻模型槽表面流动且发生强烈摩擦，同时锻模工作表面还反复受热与冷却，形成热疲劳应力，常会损伤或损坏而导致模具失效。

2 锻模失效原因与预防措施

     模锻中，造成锻模失效的原因主要有：

（1）裂纹。锻模在反复受热和冷却的工作条件下，材料内部受到交变应力的影响逐步产生网纹状的细小裂纹，形成热龟裂，即热疲劳裂纹。在热应力与机械应力反复作用下，在锻模的应力集中部位，如尖角、沟槽等处，极可能会由微裂纹扩展而导致锻模裂纹、开裂。

预防措施：①提高模具材料的冶金质量和锻造质量，因为钢材中的脆性夹杂物边缘极易产生微裂纹，降低材料的抗疲劳性能，尤其是硅酸盐夹杂物对锻模的疲劳寿命危害极大；②锻模型槽设计时应尽量减小和避免应力集中；③对锻模的工作表面进行强化处理，提高其耐疲劳寿命；④锻模的工作表面应防止碰伤拉伤，因为每一个伤痕都可能成为裂纹源。

（2）磨损。模锻中，毛胚在型槽内受挤压流动，同时与型槽壁面发生剧烈的摩擦，造成型槽面磨损，以致引起型槽尺寸变化与表面质量劣化，尤其是飞边槽过桥处磨损最为严重。因为毛胚金属变形填满型槽后流入飞边槽时，过桥除厚度薄，冷却快，金属与过桥壁摩擦特别剧烈。锻模磨损的主要类型是磨粒磨损与粘着磨损，在模锻型槽表面产生耕犁与微切削现象以及粘着剪断、脱落现象。如果锻模淬火后回火温度过高，硬度不足，或者因毛胚氧化皮未除尽，模具型槽表面粗糙，润滑不良等，都会造成锻模加速磨损。

  预防措施：①控制热处理工艺规程，提高和保持锻模淬火硬度；②合理润滑，建立可靠的润滑保护膜，隔离互相摩擦的金属表面；③适当的表面处理，如表面淬火、渗氮处理及喷涂处理，以提高金属抗磨损的能力；④经常维护，保持锻模工作表面清洁。

（3）变形。模锻时由于外加载荷过大或局部温升过高，使锻模产生塑性变形而造成局部压塌现象以及因锻模工作零件材料的热硬性不足，或者因回火温度过高而造成硬度降低，也会引起锻模局部发生塑性变形。

  预防措施：①合理选材，要求锻模材料强韧性高、抗热变形性高；②严格控制热处理工艺规程，满足技术要求；③限制最大外加载荷。

（4）焊合。模锻过程中，由于型槽表面的损坏而出现非氧化非润滑表面，这种表面极易和毛胚在相对滑动时发生局部焊合（俗称“粘模”）现象，使一个表面的材料转移到另一个表面所引起的磨损，称为粘着磨损。造成焊合的原因是由于摩擦表面粗糙不平，两摩擦表面实际上仅有少量微观点接触，在法向载荷作用下，接触点的压力很大，使金属表面膜破裂，发生焊合。当两表面作相对滑动时，粘合点便发生剪切及材料转移现象，形成磨屑。

 预防措施：①模具材料的选择应考虑与毛胚材料互溶性差异大。因同种材料的互溶性好，而互溶性越好，粘着磨损的倾向越大。②提高模具表面硬度。因材料硬度提高时，粘着磨损的倾向减小。③严格控制外加载荷。因为当载荷增大时，微观接触点处温度升高，氧化膜遭到破坏，就易发生严重的粘着磨损。

（5)断裂。锻模断裂失效的原因是多方面的，可分以下类型：

①过载断裂。当锻模工作零件外加载荷超过其危险截面所能承受的极限应力时，将发生过载断裂。②疲劳断裂。锻模经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的疲劳断裂，其形成分为3个阶段：疲劳裂纹的萌生、裂纹的扩展、断裂或瞬断。③脆性断裂。因锻模钢材存有杂夹物缺陷，或工艺处理不当都有可能使其材质变脆，从而引发脆性断裂。

预防措施：①设计方面。选材应综合考虑锻模的工作条件、载荷性质、技术要求等因素，结构设计应尽量避免应力集中。②工艺方面。表面强化处理可大大提高模具的疲劳寿命，表面适当的涂层可防止有害介质侵入而造成的脆性断裂。③安装使用方面。正确安装，防止产生附加应力和振动；保护设备运行环境，防止模具各部分温差过大；防止设备过载，严格遵循设备操作规程。

3 修复方法

 模具修复在模具使用过程中占据十分重要的地位。锻模使用中发生故障和失效原因是多方面的，现针对锻模的不同失效现象采取不同的修复方法。

3.1 日常修复

 （1）局部少量损伤。锻模使用中若发现有局部少量损伤时，应及时进行维修，以防止因“小伤变大病”而造成严重损坏，甚至早期报废。例如：型槽表面出现毛刺、微裂纹、轻微磨损、圆角处隆起、局部塌陷等情况，可使用风动砂轮、凿子、扁锉等工具及时修理。或者采用电刷镀技术，对模具表面进行修复及强化处理，如模具型槽表面局部划伤、拉毛、蚀斑磨损等缺陷。修复后，模具表面的耐磨性、硬度、表面粗糙度值等均能达到规定的性能指标，电刷镀工艺过程为：表面预加工  除油除锈  电净处理  活化处理  镀底层  镀工作层  镀后检查修整。

(2)锻模局部断裂。可采用焊补方法进行修复。例如：对于长度较长的锻模（如连杆锻模），由于预热不够或砧座不平等原因，造成锻模中间部分断裂，可在模具两侧面加装紧固夹板，并焊合成一体，提高其强度。有的锻模在小圆角处出现裂纹，可采用侧面加设紧固板并施以焊补进行修复。

(3)锻模型槽局部较严重缺陷（如塌陷、变形等）可采用堆焊进行修复。堆焊前应将需焊补部位清洁干净，以保证补焊质量。若有裂纹，应将该处清洁后加工成“V”形坡口（深度视裂纹而定)。焊后再用手提砂轮打磨复原。若堆焊部位是尖角应先加工成圆角，垂直面应加工成斜面，以提高堆焊质量，堆焊后修磨复原。

3.2 锻模翻新

 锻模使用一段时间后，型槽边缘或凸起部分出现明显的塌陷，或出现较多较深的热疲劳裂纹，或因严重磨损而引起型槽尺寸变化，超出公差范围，造成模锻件表面质量和形状尺寸不合格时，应停止使用，并针对不同情况采用不同的方法翻新。

（1）切除模表层重新加工。对于一些形状较简单、型腔较浅的锻模，可将锻模的上、下模拆下，先进行退火处理，然后从分模面切削去除表层金属，并按加工新模具的要求进行机械加工（或电加工），将型槽加深至尺寸要求，再进行热处理，经检验合格后方可继续使用。特别注意锻模翻新后，上下模的总高度不得小于锤锻所允许的最小高度Hmin，型槽最深处至燕尾肩部平面的最小壁厚不得小于锻锤所允许的最小壁厚Bmin。例如：10kN模锻锤，最小高度Hmin=40mm。翻新的锻模必须留高50mm的最小检验面。

（2）堆焊后加工翻新。有些锻模分模面切去一层金属后，因型槽出现较大磨损，可采用气体保护焊（氩弧焊）进行堆焊。氩弧焊具有氩气保护性好、堆焊层质量高、热量集中、热影响区小、形成良好和适应性强等优点。氩弧焊在锻模修复中应遵循以下要求：①焊丝材料应当与所焊模具材料相同或相近，硬度值相同或接近，使修复后的模具硬度和组织均匀一致。②焊前需将锻模退火，损坏部分彻底清除掉，裂纹部分必须去除足够的深度（大于裂纹深度），塌陷及龟裂部分必须铲除厚度5mm以上的疲劳层。③堆焊时，电流强度应控制得很小，这样有助于防止模具局部硬化及产生粗大组织。④通常所焊补的模具需预热，以减少局部过热而造成残留热应力，尤其是大型模具更应谨慎。预热温度视模具体积大小，一般为350～450℃（不可超过500℃），否则会增大熔焊深度。若堆焊时间较长，锻模温度下降到200～250℃（以下时，还需重新预热。⑤堆焊后应及时用干石棉粉将堆焊层及附近部位覆盖好，使其缓慢冷却，以免产生裂纹。必要时进行去应力退火。⑥再进行修复翻新。若无特殊情况，可多次采用堆焊方法进行修复翻新。翻新后的锻模使用寿命与原模具相近。同样在普通碳钢的模具上型槽部分堆焊硬质合金或高性能优质合金钢，不仅不影响使用性能，而且具有较好的经济效果。

4 表面强化处理提高锻模使用寿命

采用不同的表面强化处理工艺，可以改善锻模表层的成分、组织、性能，与适宜的心部性能相配合，可以提高模具工作表面硬度、耐磨、耐蚀、耐热、抗粘合等性能，显著提高锻模的使用寿命。锻模较为常用的复合热处理方法有渗氮、低温氮碳共渗及淬火、回火工艺。例如某企业柴油机摇臂锻模采用低温氮碳共渗及淬火、回火复合热处理工艺后，模具的使用寿命由原来的模锻1000件提高到1600件以上，模具寿命提高60%以上。最近出现的硼锆共渗新工艺，由于加入了锆，减小了渗透层的脆性，经实际使用效果良好。

5 结束语

锻模失效的原因是多方面的，它与模具材料的选择、结构与型槽设计、制造工艺与质量、热处理工艺规程以及安装、使用、维护等均有极大的关系。改善这些因素，充分发挥锻模材料的潜能，能有效提高模具的使用寿命。

参考文献：

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