3Cr2W8V鋼中的主要合金元素的含量是W18Cr4V鋼的一半,因此又稱為半高速鋼,是我國產量較大的熱作模具鋼之一。由于含W高,當溫度大于或等于600℃時,其高溫強度、硬度等要高于鉻系熱作模具鋼。但由于其淬火溫度較高,易引起晶粒粗化,會顯著降低鋼的韌性、塑性和冷熱疲勞抗力。該鋼主要用于制作高溫下高應力、但不受沖擊負荷的凸模、凹模,如平鍛機上用的凸模、凹模、鑲塊、銅合金擠壓模、壓鑄用模具;也可用于制造同時承受較大壓應力、彎曲應力、拉伸應力的模具, 如反擠壓的模具;還可用于高溫下受力的熱金屬切刀。其化學成分及臨界溫度：
化學成分( 質量分數,%)：
      C              Cr             W              V            Si       Mn
0.30~0.40  2.20~2.70  7.50~8.00  0.20~0.50   <0.40   <0.40
臨界溫度/℃：
Ac1       Ac3     Ms
810       1120    380
    3Cr2W8V鋼的冷熱疲勞性較差,尤其是用水冷卻時,模具的熱疲勞壽命更低。3Cr2W8V鋼冷熱疲勞性差的原因除含鎢量高外,另一未被充分認識的原因是不盡合理的碳含量。這些常常導致模具失效,而大型的熱作模具制造費用高昂,一旦造成失效將造成重大的損失而且嚴重影響生產效率。本文重點討論了3Cr2W8V鋼熱作模具失效形式以及相應的解決方案。
㈠模具失效的形式
⒈3Cr2W8V鋼熱作模具設計、加工不當造成的失效
3Cr2W8V鋼熱作模具的失效包括模具的設計造成的失效,其中模具過載設計(工序劃分不當) 、工具形狀和精度不良( 應力集中L/D較大) 和加強環預應力不足為主要因素,還包括加工不當造成的失效,比如表面粗糙度不良、殘存有刀痕、圓角R太小、殘存有脫碳層以及殘存有放電加工變質層等。尖銳轉角和過大的截面變化造成應力集中,常常成為模具早期失效的根源。并且在熱處理淬火過程中,尖銳轉角引起殘余拉應力,會縮短模具壽命。而薄壁和斷面太薄則除導致應力集中外,還易造成強度不足,導致塑性變形或開裂失效。
⒉3Cr2W8V鋼熱作模具熱處理不當引起的失效
3Cr2W8V鋼含有較多碳及合金元素,導熱性差,透熱速度慢,因此如果加熱過快,模具內外產生很大的熱應力。如果控制不當,很容易產生變形或裂紋,甚至開裂。3Cr2W8V鋼淬火過熱會引起鋼的晶粒長大,沖擊韌度下降,使模具發生崩刃或早期斷裂的危險性增加。模具在淬火或高溫回火時未加保護,將引起表面脫碳。如果未將表面脫碳層除去,將嚴重降低模具的耐磨性,縮短疲勞或冷熱疲勞壽命。模具回火不充分,將在模具中殘留較大的淬火應力,并使模具的韌性下降,容易發生早期斷裂。
⒊3Cr2W8V鋼熱作模具使用不當引起的失效
熱處理不當引起的3Cr2W8V鋼熱作模具失效形式主要有三種:熱磨損、熱疲勞和兩者同時發生。模具的工作條件實際是嚴酷的。有較多的工作條件因素對模具的失效有影響,如壓力機的剛性差、精度低、加載速度過大、壓力機噸位過高或過低,工作頻次過高、被加工零件材料的因素、模具的冷卻和潤滑條件等。
㈡模具失效的解決方案
⒈合理設計、加工模具
盡量避免尖銳圓角和過大截面變化,尖銳圓角引起的應力集中可高達平均計算應力的十多倍;過大截面變化易引起熱處理變形與開裂。對于形狀復雜且易變形開裂的模具可設計為組合式。同時在選用3Cr2W8V鋼前先通過真空冶煉或電渣重熔,提高模具鋼材的材質。根據3Cr2W8V鋼制P-Cu合金焊料熱擠壓模淬火時或使用中多次發生早期開裂的原因,發現擠壓模筒劈裂主要是由于結構因素引起應力集中以及模具內孔徑向裂紋,對此,可設計成內外模套結構來改善之,熱處理時還應適當提高淬火回火溫度,再則降低加工粗糙度。
⒉采用合理的熱處理工藝
為預防3Cr2W8V鋼制熱作模具失效,需制定合理的熱處理工藝,熱處理工藝應視模具具體的失效形式而定。
⑴3Cr2W8V鋼熱作模具失效形式為熱磨損
這種失效主要是由于模具基體室溫和高溫硬度低、屈服強度低,而磨損抗力、熱穩定性較差造成的。要提高模具使用壽命,主要有以下兩種途徑: ①提高常規處理工藝的淬火溫度。文獻[王德文.新編模具實用技術300例[M].北京:機械工業出版社,1999.]報道了3Cr2W8V鋼制造汽車變速箱主軸齒輪胎模的情況,在常規熱處理后,模具生產制品的數量少,脆性斷裂嚴重,耐磨性差,常發生早期失效,使模具報廢。當模具采用高溫淬火、回火強韌處理后, 模具壽命顯著提高,經濟效益十分顯著。這是因為提高淬火溫度, 可使碳化物溶入奧氏體更充分,此外回火時馬氏體的分解、晶粒再結晶長大和碳化物的析出聚集粗化等過程也都將推遲并減慢,因而模具材料具有更高的熱穩定性;②采用表面強化工藝。表面強化工藝較多,如采用3Cr2W8V鋼低溫鹽浴滲氮(QPQ)后耐磨性大幅度提高,這主要是由于QPQ處理后模具鋼形成了高硬度的ε相Fe2~3N化合物組織,因此模具鋼硬度比基體硬度大幅度提高,從而大大提高了模具鋼耐磨性與抗咬合性能。氮化層明顯,深度均勻,滲層與基體有明顯清晰的界面。該滲層具有極高的硬度( 900~1130 HV0.1),較高的耐磨性和較好的耐蝕性。因此,溫鹽浴滲氮(QPQ)處理后,熱作模具鋼3Cr2W8V鋼具有組織均勻、結構致密的滲層,且具有很高的顯微硬度、耐磨性以及強抗腐蝕性。
⑵3Cr2W8V鋼熱作模具失效形式為熱疲勞
3Cr2W8V鋼熱作模具在服役過程中在循環溫度下工作,并受到機械腐蝕和化學腐蝕的作用, 熱疲勞破壞是其主要失效形式之一。實踐表明,熱疲勞裂紋常常萌生于模具型腔表面,因此, 采用適當的表面處理工藝保護模具鋼表面是提高其熱疲勞抗力、延長模具使用壽命的一種有效方法。用等離子氣相沉積的方法在3Cr2W8V鋼表面形成TiN等離子氣相沉積層。結果表明: TiN沉積層可以有效地提高鋼的熱疲勞抗力,且隨沉積層厚度減薄, 熱疲勞抗力增加;隨熱循環上限溫度升高, TiN沉積層的熱疲勞抗力降低; TiN 沉積層具有很好的熱循環穩定性及抗氧化性。高殿奎等[高殿奎付宇明. 3Cr2W8V熱疲勞裂紋的止裂與修復[J] .中國表面工程,2001,(4): 42-44.]運用電磁效應理論最新研究成果,采用脈沖放電方法,對3Cr2W8V熱擠壓凸模的熱疲勞裂紋實施了止裂試驗。止裂后的裂紋尖端變得十分圓整,達到了鈍化止裂的目的。根據顯微組織分析證明,止裂處出現了強韌性極高的超細化組織,改善了裂紋尖端處的力學性能;止裂也為熱疲勞裂縫刷鍍修復創造了理想的先決條件。3Cr2W8V鋼熱作模具進行合理的表面處理工藝之后,可提高耐磨性和抗高溫氧化性,而模具的熱疲勞抗力與耐磨性和抗高溫氧化性密切相關,因而提高了模具的熱疲勞抗力。
⑶3Cr2W8V鋼熱作模具失效形式為熱疲勞和熱磨損
為預防3Cr2W8V鋼同時發生熱疲勞和熱磨損失效,要求模具既具有較高的抗拉強度、屈服強度、抗回火穩定性和抗熱疲勞等性能,又要求材料表面具有較高的耐磨性能。那么對3Cr2W8V鋼可以采取以下兩種方法: ①強韌處理。在材料熱處理工藝中強韌處理主要是高溫淬火加高溫回火,淬火加熱溫度為1150~1200℃,回火溫度為600~650℃。楊光龍等[楊光龍,黃曉琴. 提高3Cr2W8V鋼熱擠壓模壽命的工藝措施[J].機械工藝師,2004,(5):31-32.]將淬火溫度提高到1200±10℃,并通過630±10℃的高溫回火兩次,在油中冷卻后再經160~200℃補充回火,使最終硬度為43~46 HRC。這是因為3Cr2W8V鋼的合金碳化物溶入奧氏體,淬火后馬氏體的合金度提高,增加了鋼的回火穩定性,提高了模具的高溫強度,從而延緩了模具工作部位的堆塌,推遲了熱疲勞裂紋的起始時間。隨著奧氏體溫度的提高,板條馬氏體和殘余奧氏體的量增加。與片狀馬氏體相比, 板條馬氏體沒有明顯裂紋,其韌性優于片狀馬氏體。少量殘余奧氏體的存在,可以降低裂紋尖端的應力集中, 阻礙裂紋擴展,從而減少碳化物偏析,減輕剩余碳化物對基體的割裂作用。高溫回火后,碳化物彌散析出,模具獲得強韌的綜合力學性能, 提高了鋼的斷裂韌度值。②激光表面處理。用5KWCO₂激光器在3Cr2W8V鋼上進行鐵基合金的激光熔覆處理,可獲得組織微細、成分均勻的激光表面改性層,其相組成為α′2Fe+γ′2Fe+M₇C₃+M₂₃C6+Fe₂B,此激光改性層產生了多種強化效應。當然還有其它的復合處理方法比如碳氮共滲、高溫淬火+高溫回火,或與稀土復合來改善熱作模具的熱疲勞和磨損失效,其發展前景十分廣闊。
⒊合理使用模具
⑴模具預熱
為了使熱毛坯不至于降溫太快,便于金屬流動和防止模具急熱損壞,模具必須預熱,預熱溫度一般在300 ℃左右。
⑵模具潤滑
采用18%二硫化鉬、25%石墨、57%油酸的混合物有較好的潤滑冷卻效果。使用時必須涂抹均勻,其擠壓件質量、效率以及模具的壽命均較高。
㈢結論
⒈3Cr2W8V鋼熱作模具失效不僅與材料的強度和硬度等有關,而且與模具的設計及使用有關。因此在合理熱處理工藝及表面處理改善模具材料性能時,應該考慮模具的結構,冷加工質量以及模具的工作條件。
⒉進一步研究更先進的熱處理工藝或使用激光表面改性,如激光金屬表面納米化,使材料的性能得到更大的提高,從而提高模具的使用壽命。
⒊模具失效分析與材料摩擦學、腐蝕學、材料強度學、表面科學、電子斷口學等學科密切相關。只有綜合運用多學科的新知識,不斷提高失效分析技術,才能發現新問題,認識新規律,發展新技術,提高模具的質量和水平。
隨著國內工業的發展,模具材料的開發和應用也得到了迅速發展。熱作模具材料主要用于制造在高溫狀態下進行壓力加工的成型模具,更確切的說是指制造把金屬材料加熱到再結晶溫度以上進行壓力加工的模具。工業中應用的熱作模具主要有: 錘鍛模、壓力機模、熱擠壓模、和壓鑄模、熱剪切模等,這些模具承受著周期加載和冷熱溫度變化。因此深入了解模具的失效形式,工作條件和性能要求,可指導正確選材, 能有效提高模具使用壽命。
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