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(chǎn)量較大的熱作模具鋼之一。由于含W高,當(dāng)溫度大于或等于600℃時,其高溫強(qiáng)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(yīng)力、但不受沖擊負(fù)荷的凸模、凹模,如平鍛機(jī)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(yīng)力、彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)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(xué)成分及臨界溫度：
化學(xué)成分( 質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)：
      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(rèn)識的原因是不盡合理的碳含量。這些常常導(dǎo)致模具失效,而大型的熱作模具制造費(fèi)用高昂,一旦造成失效將造成重大的損失而且嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。本文重點(diǎn)討論了3Cr2W8V鋼熱作模具失效形式以及相應(yīng)的解決方案。
㈠模具失效的形式
⒈3Cr2W8V鋼熱作模具設(shè)計、加工不當(dāng)造成的失效
3Cr2W8V鋼熱作模具的失效包括模具的設(shè)計造成的失效,其中模具過載設(shè)計(工序劃分不當(dāng)) 、工具形狀和精度不良( 應(yīng)力集中L/D較大) 和加強(qiáng)環(huán)預(yù)應(yīng)力不足為主要因素,還包括加工不當(dāng)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(zhì)層等。尖銳轉(zhuǎn)角和過大的截面變化造成應(yīng)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(zhuǎn)角引起殘余拉應(yīng)力,會縮短模具壽命。而薄壁和斷面太薄則除導(dǎo)致應(yīng)力集中外,還易造成強(qiáng)度不足,導(dǎo)致塑性變形或開裂失效。
⒉3Cr2W8V鋼熱作模具熱處理不當(dāng)引起的失效
3Cr2W8V鋼含有較多碳及合金元素,導(dǎo)熱性差,透熱速度慢,因此如果加熱過快,模具內(nèi)外產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。如果控制不當(dāng),很容易產(chǎn)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(fā)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(hù),將引起表面脫碳。如果未將表面脫碳層除去,將嚴(yán)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(yīng)力,并使模具的韌性下降,容易發(fā)生早期斷裂。
⒊3Cr2W8V鋼熱作模具使用不當(dāng)引起的失效
熱處理不當(dāng)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(fā)生。模具的工作條件實(shí)際是嚴(yán)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(jī)的剛性差、精度低、加載速度過大、壓力機(jī)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(shè)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(yīng)力集中可高達(dá)平均計算應(yīng)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(fù)雜且易變形開裂的模具可設(shè)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(zhì)。根據(jù)3Cr2W8V鋼制P-Cu合金焊料熱擠壓模淬火時或使用中多次發(fā)生早期開裂的原因,發(fā)現(xiàn)擠壓模筒劈裂主要是由于結(jié)構(gòu)因素引起應(yīng)力集中以及模具內(nèi)孔徑向裂紋,對此,可設(shè)計成內(nèi)外模套結(jié)構(gòu)來改善之,熱處理時還應(yīng)適當(dāng)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(yù)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(yīng)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(qiáng)度低,而磨損抗力、熱穩(wěn)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(guī)處理工藝的淬火溫度。文獻(xiàn)[王德文.新編模具實(shí)用技術(shù)300例[M].北京:機(jī)械工業(yè)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(guī)熱處理后,模具生產(chǎn)制品的數(shù)量少,脆性斷裂嚴(yán)重,耐磨性差,常發(fā)生早期失效,使模具報廢。當(dāng)模具采用高溫淬火、回火強(qiáng)韌處理后, 模具壽命顯著提高,經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。這是因?yàn)樘岣叽慊饻囟? 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(jié)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(wěn)定性;②采用表面強(qiáng)化工藝。表面強(qiáng)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(jié)構(gòu)致密的滲層,且具有很高的顯微硬度、耐磨性以及強(qiáng)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(huán)溫度下工作,并受到機(jī)械腐蝕和化學(xué)腐蝕的作用, 熱疲勞破壞是其主要失效形式之一。實(shí)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(dāng)?shù)谋砻嫣幚砉に嚤Ｗo(hù)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(jié)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(huán)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(huán)穩(wěn)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(fù)[J] .中國表面工程,2001,(4): 42-44.]運(yùn)用電磁效應(yīng)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(shí)施了止裂試驗(yàn)。止裂后的裂紋尖端變得十分圓整,達(dá)到了鈍化止裂的目的。根據(jù)顯微組織分析證明,止裂處出現(xiàn)了強(qiáng)韌性極高的超細(xì)化組織,改善了裂紋尖端處的力學(xué)性能;止裂也為熱疲勞裂縫刷鍍修復(fù)創(chuàng)造了理想的先決條件。3Cr2W8V鋼熱作模具進(jìn)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(guān),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(yù)防3Cr2W8V鋼同時發(fā)生熱疲勞和熱磨損失效,要求模具既具有較高的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、抗回火穩(wěn)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(qiáng)韌處理。在材料熱處理工藝中強(qiáng)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(jī)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(jīng)160~200℃補(bǔ)充回火,使最終硬度為43~46 HRC。這是因?yàn)?Cr2W8V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(wěn)定性,提高了模具的高溫強(qiáng)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(yōu)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(yīng)力集中, 阻礙裂紋擴(kuò)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(qiáng)韌的綜合力學(xué)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(jìn)行鐵基合金的激光熔覆處理,可獲得組織微細(xì)、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(chǎn)生了多種強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)然還有其它的復(fù)合處理方法比如碳氮共滲、高溫淬火+高溫回火,或與稀土復(fù)合來改善熱作模具的熱疲勞和磨損失效,其發(fā)展前景十分廣闊。
⒊合理使用模具
⑴模具預(yù)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(yù)熱,預(yù)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(zhì)量、效率以及模具的壽命均較高。
㈢結(jié)論
⒈3Cr2W8V鋼熱作模具失效不僅與材料的強(qiáng)度和硬度等有關(guān),而且與模具的設(shè)計及使用有關(guān)。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(yīng)該考慮模具的結(jié)構(gòu),冷加工質(zhì)量以及模具的工作條件。
⒉進(jìn)一步研究更先進(jìn)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(xué)、腐蝕學(xué)、材料強(qiáng)度學(xué)、表面科學(xué)、電子斷口學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)。只有綜合運(yùn)用多學(xué)科的新知識,不斷提高失效分析技術(shù),才能發(fā)現(xiàn)新問題,認(rèn)識新規(guī)律,發(fā)展新技術(shù),提高模具的質(zhì)量和水平。
隨著國內(nèi)工業(yè)的發(fā)展,模具材料的開發(fā)和應(yīng)用也得到了迅速發(fā)展。熱作模具材料主要用于制造在高溫狀態(tài)下進(jìn)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(jié)晶溫度以上進(jìn)行壓力加工的模具。工業(yè)中應(yīng)用的熱作模具主要有: 錘鍛模、壓力機(jī)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(dǎo)正確選材, 能有效提高模具使用壽命。
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