熱作模具鋼H13失效的影響因素
熱作模具鋼H13的失效問題是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)難題，可以從材料、設(shè)計(jì)、制造和使用4個(gè)方面來分析。
1．熱作模具鋼H13的化學(xué)成分和冶金質(zhì)量
熱作模具鋼H13屬于過共析合金鋼類型，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，這在很大程度上降低了模具鋼的強(qiáng)度、韌性及熱疲勞抗力。H13鋼根據(jù)質(zhì)量一般被分為普通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程中引起過大的應(yīng)力集中而萌生裂紋。因此，在模具設(shè)計(jì)中要盡量避免尖角，孔、槽的位置應(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，稍不注意就會過燒。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，總鍛比>4。在鍛造后的冷卻過程中，材料有產(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)獲得較低的粗糙度，不能留有刀痕、劃傷和毛刺。這些缺陷易引起應(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)，則表層材料會被重新奧氏體化并淬火成馬氏體，因而模具表面層會產(chǎn)生很高的組織應(yīng)力，同時(shí)磨削過程中模具表面溫升極快會引起熱應(yīng)力，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加容易使模具產(chǎn)生磨削裂紋。
(4)電火花加工
該加工是現(xiàn)代模具制造過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被熔化而又重新凝固的金屬薄層，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電火花加工前的最高回火溫度。
(5)熱作模具鋼H13的熱處理工藝
合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需要的力學(xué)性能，從而提高模具的使用壽命。但是如果因熱處理工藝設(shè)計(jì)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。熱處理缺陷有過熱、過燒、脫碳、開裂、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)將會由于內(nèi)應(yīng)力而引起開裂。
4．模具的使用與維護(hù)
(1)模具的預(yù)熱
H13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)熱溫度過高，模具在使用過程中溫度偏高，強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生塑性變形，造成模具表面塌陷；預(yù)熱溫度過低，模具開始使用時(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℃，這樣既可降低模具與鍛件的溫差以避免模具表面出現(xiàn)過大的熱應(yīng)力，又能有效地減少模具表面的塑性變形。
(2)模具的冷卻與潤滑
為減輕模具的熱負(fù)荷，避免模具溫度過高，通常在模具工作的間歇對其進(jìn)行強(qiáng)制性冷卻，由此造成的模具周期性的激熱、激冷作用將會產(chǎn)生熱疲勞裂紋。因此，模具使用結(jié)束后應(yīng)緩慢冷卻，否則將會出現(xiàn)熱應(yīng)力，從而引起模具的開裂失效。H13鋼模具工作時(shí)，可采用石墨含量為12％的水基石墨進(jìn)行潤滑，降低成形力，保證金屬在型腔中的正常流動(dòng)和鍛件的順利脫模；此外，石墨潤滑劑還具有散熱作用，可以降低H13鋼模具的工作溫度。
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