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1、3Cr3Mo3 VNb 钢热锻模失效的特征分析及提高模具使用寿命的措施何文超中铁宝桥股份有限公司摘 要 :通过对模具早期失效的特征分析 ,找出影响模具使用寿命的主要因素 ,并在设计 、机械加工 、热处理及 使用过程中采取相应预防措施 ,提高模具使用寿命 ,达到降低成本 、提高产品质量和获得良好经济效益的目的 。关键词 :3Cr3Mo3VNb , 特征 , 热作模具钢 , 疲劳 , 失效 , 热处理Eff icacy Lose Analysis of 3 Cr3Mo3 VNb Steel Mold and Mea sure ofIncrea sing Molding Service L ifeH
2、e WenchaoAbstract : Analyzing the characteristic efficacy of the molding tools in earlier period , the factor of the main influence to mold2 ing tools service life is found , and the prevention in design , machining , heat treatment and application to increase molding service life is adopted. The co
3、st is reduced and the product quality with good and economic performance is increased.Key words :3Cr3Mo3VNb , characteristic , hot molding tool steel , fatigue , efficacy lose , heat treatment最低 ,因此其韧性 、塑性和抗冷热疲劳性比其它钢种高 (见表 2) ;(4) 它抗 650 ( 工作温度) 回火稳定性好 ( 见表3) ,虽然该钢经热处理后在常温下的硬度并不高 ,但 它在使用状态下的热强度却保持很好
4、 ,这与其 Cr32Mo32V2Nb 的合金化组分是分不开的 。据试验统 计 , 工 作 温 度 650 时 其 有 效 工 作 可 达 5 小时 40 分钟 ,模具表面硬度值为原始状态下的79 % ,而 H13 钢为 70 % ,5CrMnMo 为 55 % ,这说明了3Cr3Mo3VNb 钢在 650 工作温度下可持续工作较长 时间 , 模具不会因表面过早软化而失效 。但是 , 由3Cr3Mo3VNb 钢制作的锻模模具 ,特别是断面形状复 杂 、形状差异很大的模具在热处理后和使用过程中常常发生不正常的断裂 、龟裂 ,导致模具早期失效 , 严重影响工厂的生产和经济效益 。我们公司是生产 铁路
5、道岔等产品的国有大型股份制企业 ,在道岔生 产中 ,需将矮型特种断面钢轨 ( 俗称在轨) 锻制成标 准截面钢轨 ,用于和普通标准钢轨接合 。我们采用3Cr3Mo3VNb 钢做热锻模压制钢轨 ,在实际生产中 ,经常在压制 400 根左右便发生龟裂 、断裂 、压塌等现 象 ,导致模具早期失效 ,使生产比较被动 。1引言3Cr3Mo3VNb 钢是由安大航空锻造厂 、北京航空 材料研究所和西北工业大学在 70 年代末共同研制成 功的一种新型热作模具钢 ,曾获国家国防工业重大技 术进步二等奖 。其化学成分和机械性能见表 1 。表 1 3Cr3Mo3 VNb 钢的化学成分( %)3Cr3Mo3VNb 钢的
6、化学成份与我国常用的热作模具 钢 3Cr2W8V 、4Cr5MoSiV1 ( 简 称 H13) 、5CrMnMo相比 ,具有以下独特的特点 :(1 ) 它 属 于 Cr32Mo32V 型 热 强 钢 , Mo 含 量 是4Cr5MoSiV1 平均 Mo 含量的 2 倍 ;(2) 4Cr5MoSiV1 、3Cr2W8V 等钢中不含 Nb ,Nb 在3Cr3Mo3VNb 钢中与碳形成稳定性很高的 NbC 化合 物 ,Nb 有抑制奥氏体晶粒长大 、细化晶粒的作用 ,并 能显著提高钢的热强性 ,有助于提高基体的韧性 ;( 3) 其含碳量在国标所列的所有热作模具钢中收稿日期 :2003 年 6 月2 杨
7、坤怡等 . 加工等螺旋角刀具槽形用凸轮廓形的简易作图设计法 . 工具技术 ,1998 (5)作者 : 张敬东 ,讲师 ,攀枝花学院机电工程系 ,617000 四 川省攀枝花市造确带来了极大的方便 。参考文献1 北京煤炭机械厂工人大学编 . 等螺旋角锥度棒铣刀 . 煤炭工业出版社 ,1977CCrMoVNb0124013021603120217031000160018001080115SiMnPS0160013501030103312004 年第 38 卷 2表 2 三种材料的冷热疲劳性能对比不断扩展 ,最终导致模具断裂 ( 见图 2) 。模具断裂失效与模具设计 、材质的选用 、机加工工艺 、热
8、处理 工艺 、模具的安装使用及日常维护等有关 。此外 ,钢中碳和合金元素的严重偏析和亚稳定共晶碳化物的 存在 ,使最终热处理后的钢材组织分布不均匀 ,从而 导致附加热处理应力的产生 ,这也是促使模具淬火 开裂或在使用中早期脆性开裂的重要原因 。表 3 三种材料抗 650 回火稳定性对比2失效的特征分析211热疲劳失效热疲劳磨损主要是模具与红热钢轨的金属坯料 之间得不到有效润滑 ,加之红坯料的氧化物变成磨 料 ,导致表层因温度升高而软化 ,从而加剧了模具和 金属坯料之间的磨损 ,在金属流动最剧烈的部位 ,在摩擦力的作用下产生磨损 ,沿着金属坯料塑性流动 的方向形成无数凸凹不平的沟痕 ,并逐渐扩展
9、为沟 槽 。在频繁的锻造冲击力作用下 ,形成应力集中 ,逐 渐形成裂纹源 ,裂纹继续生长扩展 ,最后导致模具开 裂和疲劳失效 (见图 1) 。图 2213压塌锻模在使用过程中锻打热强性高的毛坯时 ,表 层因与高温金属接触而温度反复升高 ,造成局部软化 ,硬度降低 ,抗压强度不足 ,在压应力的作用下 ,与 高温金属接触部位逐渐变形下陷 ,从而被压塌或压 堆 ,使被加工的工件尺寸超差 ,同时导致模具失效 , 见图 3 。图 33控制模具 失 效 与 提 高 使 用 寿 命 的 措施图 1温度应力也是导致热疲劳失效的一个重要因 素 。当模具刚开始使用时 ,与高温工件接触的模具 表面温度突然升高 ,体
10、积膨胀 ,但心部温度较低 ,于 是形成一个温度梯度 ,使模具表面受到压缩应力的 作用 ;当工作结束 时 , 由 于 模 具 表 面 温 度 散 热 速 度 快 ,温度迅速降低 ,体积收缩 ,此时心部却因传导来 大量热量使温度较高 ,体积向外膨胀 ,因而使模具表 面受到拉缩应力的作用 ;反复工作时 ,模具表面在压 缩应力和拉缩应力的交替作用下 ,晶粒产生往复滑 移 ,逐渐在应力集 中 部 位 形 成 裂 纹 源 , 裂 纹 继 续 扩 展 ,最后产生宏观龟裂 ,导致模具失效 。212断裂断裂是 3Cr3Mo3VNb 钢模具失效的最主要的特 征 。锻打时 ,模具断面产生很大的内应力 ,当内应力 超
11、过模具材料的强度极限时 ,就使模具断裂 。裂纹 往往起源于模具尖角处或应力集中的部位 ,裂纹产 生后 ,在周期性频繁载荷作用下 ,向长度和深度方向通过对失效主要因素的分析 ,我们可以集中在热疲劳 、断裂 、压塌等主要失效形式上着重加以分析 研究 。提高模具钢材质量 、合理优化设计 、改进机加 工及热处理工艺和使用维护等措施以达到提高模具 使用寿命的目的 。311提高模具钢材质量对存在严重化学成分偏析和亚稳定共晶碳化物 的模具钢进行合理锻造 ,大锻造比 ( 通常取 514) 的反复镦拔工艺是提高 3Cr3Mo3VNb 钢组织和性能 各向同性的有效措施 。锻后必须进行严格的锻后冷却和热处理工艺 ,
12、以改善钢中化学成分和组织的均 匀性 ,消除材料中的二次碳化物 ,增加模具的韧性 。312合理优化模具设计3Cr3Mo3VNb 钢热锻模具的设计受许多因素的 制约 ,设计不当容易使模具在后续机加工和热处理及使用过程中产生早期断裂失效 ,因此设计合理的 模具结构是提高 3Cr3Mo3VNb 钢热锻模具寿命的有 效途径之一 。设计锻模必须考虑选择合理的分模面材质原状态20502h105h40硬度 ( HRC)3Cr3Mo3VNb491649124713443912H1351124811443936125CrMnMo481534153329152615材质裂纹长度 (mm)纵向横向3Cr3Mo3VNb
13、01310126H13014501425CrMnMo3139112032工 具 技 术位置 ,选用合适的拔模斜度以及合理的圆角半径 ,尽可能使相邻截面均匀化 、相差不大等等因素 ,以避免 模具在后续热处理过程中和使用中因应力集中而开裂 。此外 ,设计时还要尽量使锻模中心 、压力中心 、滑块中心一致 , 以 达 到 提 高 模 具 使 用 寿 命 的 目 的 。 因此 ,我们用 SolidWorkks 软件来进行模具设计和三维造型 ,使模具设计更加简洁明了 ,避免了设计缺陷 。313机械加工3Cr3Mo3VNb 钢锻模的制造周期一般为 24 个 月 ,模具形状复杂 ,机械加工工序多 ,涉及到车
14、、铣 、 刨 、磨等工序 ,并且受人员素质 、机床精度等诸多因 素制约 ,稍有失误 ,如表面粗糙 、刀痕过深 、圆角半径过小等均有可能使模具局部应力集中 ,淬火时可能 导致模具开裂 ,就有可能造成模具早期失效 。据统 计 ,机械加工过程中 60 %废品是由于人工因素造成的 ,因此 ,尽可能采取以铣代刨和数控加工的加工工 艺 ,最大限度减小人为因素的影响 ,以提高模具表面 加工精度来保证模具质量 。314优化和改进热处理工艺俗话说“好模具要有好的热处理”,可见热处理 在提高模具使用寿命中的重要性 。数据统计表明 :热处理工艺或操作不当而导致模具断裂失效占失效 总数的 60 %以上 。我们对 3C
15、r3Mo3VNb 材质模具热 处理工艺进行了改进和优化 ,收到了明显的效果 ,工艺改进前后金相组织对比见图 4 和图 5 。取对 3Cr3Mo3VNb 钢锻模分别在 550 和 850 两个阶段等温 11. 5 小时 ,使模具在不同厚度截面始终 处于 接 近 温 度 , 以 减 少 变 形 和 断 裂 , 冷 却 时 采 用 含25 %PM 介质的油冷却 ,避免了模具淬火后产生脆性 。( 3 ) 脱 碳 层3Cr3Mo3VNb 钢 含 有 2170 % 3120 %的 Mo ,有脱碳敏感性 。我们曾经有一批模具由于 表 面 脱 碳 , 测 量 表 面 硬 度 HRC38 , 内 部 为HRC4
16、8 ,符合技术要求 ,但仅压制 300 件左右后就产 生龟裂而早期失效 。为此 ,我们采用中科院上海硅酸盐研究所推出的一种安全无 公 害 的 高 温 防 氧 涂料 ,热处理前只需在需要保护的部位刷上一层 ,脱碳 难题即可迎刃而解 。(4) 回火温度 高温回火缓慢冷却易使模具产 生回火脆性 ,因此采用高温 ( 620 ) 回火两次 ,并用 含 25 %PM 介质的油冷却以减缓回火脆性的发生 ,提高韧性 ,延长模具使用寿命 。(5) 模 具 硬 度 值我 们 将 原 来 的 淬 火 硬 度 由HRC5254 调整为 HRC4246 ,改进热处理工艺后 ,断面硬度值分布均匀 ,模具使用寿命明显提高
17、。315模具的精心使用和维护由于模具在使用过程中受到加热和冷却的交替 作用 ,因表面温度变化而产生交变的应力和应变 ,频繁使用后表面出现微小裂纹并不断延伸 ,最终导致模具断裂失效 ,因此 ,必须在使用前对模具进行充分 的预热 。依据我们的经验 , 预 热 到 250 左 右 时 可减小模具与坯料之间的温差 ,防止裂纹产生 ,进而达到延长模具使用寿命的目的 。此外 ,模具的正确使 用和日常精心保养 、维护也可起到延长模具使用寿命的作用 。(a) 退火组织图 4( b) 淬火组织工艺改进前4结语通过以上分析不难看出 ,3Cr3Mo3VNb 钢锻模失 效的特征与模具 钢 材 的 质 量 、合 理 的
18、 设 计 、机 械 加 工 、热处理以及使用等有关 。为了提高 3Cr3Mo3VNb 钢锻模的使用寿命 ,在分析其失效特征的基础上采 取相应的措施 ,可以减少和避免模具的早期失效 ,有 效提高模具的使用寿命 ,降低生产成本 ,提高产品质 量和获得良好的经济效益 。通过对失效主要因素的 分析 ,集中在提高模具钢材质量 、合理优化设计 、改 进机加工 、热处理工艺及使用维护等方面采取了一 系列措施 ,模具寿命明显提高 115 倍以上 ,并且在工 期紧 、任务重的情况下 ,圆满完成了全国铁路第三 、 四次大提速的生产任务 。作者 :何文超 ,中铁宝桥股份有限公司 ,721006 陕西省宝 鸡市(a) 退火组织图 5( b) 淬火组织工艺改进后(1) 淬火温度淬火温度过高 ,淬火后组织晶粒粗大 ,残余奥氏体增多 ,增加了淬裂的可能性 ; 温度 过低 ,碳化物溶解 少 , 基 体 中 碳 和 合 金 元 素 溶 解 不足 ,将导致模具早期龟裂 ,因此 ,3Cr3Mo3VNb 钢锻模 宜采用 1080 的 淬 火 温 度 , 这 样 可 获 得 细 小 的 晶粒 ,提高模具韧性 。(2) 加热速度和冷却速度在加热时 ,为避免断 面形状复杂的模具变形和断裂必须缓慢加热 ,我们采