H13熱鍛模具表皮脫落分析及對策
熱模具，特別是鍛錘熱成型模具，由于其高溫、高負荷、高沖擊、熱腐蝕等復雜的服務條件，工作環境非常惡劣。因此，熱鍛模具經常出現磨損、開裂、疲勞、壽命低等缺陷，給鍛造廠帶來很大的麻煩和成本。目前，我公司生產的連桿使用H313鍛錘模具.5kJ程控電液錘上鍛造連桿，模具使用約2000~3000模具，模具模腔表面出現塊、剝落，塊尺寸直徑約1mm，而且分散在不同的部位(圖1)，由于表面脫落造成的模具失效，鍛件的制造成本大大提高，因此，通過分析模具的化學成分、使用、模具加工和熱處理，我公司發現了問題的原因，并制定了相應的解決方案。
圖1 失效模具
1100~1150℃工件對模腔表面產生熱腐蝕，模具在高沖擊鍛造力下受到金屬流動的摩擦和沖擊。為了冷卻和潤滑模具，使用石墨乳等潤滑劑冷卻模具腔。因此，模具反復冷卻和加熱，削弱了模具的疲勞強度。原材料特性H13(4Cr5MoSiV1)模具材料的化學成分如表1所示。原材料特性H13(4Cr5MoSiV1)模具材料化學成分具體如表1所示。工藝流程鑒于H鍛模加工工藝流程為：下料→六面加工模塊→粗加工倉部→調質處理→加工型腔→離子氮化→表面拋光。模具硬度用HR-150A模具表面和模腔基體分別對洛氏硬度計進行了硬度檢測，檢測結果如表2所示。模具表面為灰色，模具硬度和氮化層硬度均符合技術要求，無異常。表1 H13模具材料化學成分(%)
表2 模具硬度檢測結果
采用德國蔡司金相顯微鏡檢測模塊的非金屬夾雜物、顯微組織和模具表面脫碳情況，檢測結果如下。非金屬夾雜物模具基體金屬夾雜物檢測結果未發現異常情況，符合要求，如圖2所示。圖2 金屬夾雜物檢測(放大倍數1000x)
顯微組織H13模具鋼通過(1020±20)℃淬火、600℃高溫回火后，在500倍顯微鏡下觀察其顯微組織為回火索氏體加少量鐵素體，如圖3所示。其組織直接影響模具的機械性能和使用壽命。圖3 模具放大倍數為500x
表面脫碳檢測對調質未氮化的模塊基體進行了表面脫碳檢測。檢測結果如下:脫碳層深度全脫碳0.3～0.5mm。模具脫碳層較深。經檢測，可以看出模具基體組織晶粒粗大，表面脫碳屬于組織異常，是模具表面脫皮、脫塊的主要原因。滲氮溫度高，淬火溫度高，晶粒粗大，氮化物沿晶界延伸，增加表面脆性，脫皮，降低耐磨疲勞強度。應對措施⑴改進熱處理工藝。1)降低模具淬火的加熱溫度，將淬火溫度從原來的1030降低℃降至1010℃，將淬火加熱保溫時間從30分鐘減少到20分鐘。2)在淬火爐中加入適量的抗氧化劑，防止工件在加熱過程中氧化脫碳。3)加快淬火介質中工件的冷卻速度，確保淬火后鐵素體的產生最小化。4)在保證材料中成分奧氏體化的基礎上，延緩模具中奧氏體晶粒的生長，減少表面脫碳。為進一步的氮化做好準備工作。⑵改進氮化工藝，將氮化溫度從原來的510提高℃，提高到540℃，降低滲氮氮位。⑶降低模腔表面粗糙度。⑷確保模鍛模在使用前充分預熱至180~220℃，合理噴灑脫模劑，確保噴灑均勻，不會降低模具溫度。⑸不同類型的鍛造設備應選擇不同的基體硬度、氮化層深度和硬度。圖4 改進后模腔表面
圖5 模具顯微組織工藝改進后
通過調整模具的質量調節工藝參數和氮化工藝參數，顯微組織為回火索氏體，晶粒度在6級以上，模具基體的脫碳層控制在0.05mm。模具使用7000模具后，模腔表面不再脫皮塊。這類問題可以通過上述技術措施來解決。結論模具的使用壽命不僅取決于模具的使用條件、模具材料等，還取決于金屬流線、模具鍛造次數、模具熱處理條件，只有不斷優化熱處理工藝，使模具質量處理和模具氮化工藝有機結合，確保模具耐磨性、紅硬，達到預期的使用效果。—— 來源:2020年第九期鍛造沖壓更多材料及技術問題請咨詢 張經理：13952444299 (微信同號)
