高強度鋼熱擠壓模的失效分析

張志明，王長朋，龐丹，孫鋒，黃少東

(1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039;2.遼沈工業集團有限公司，沈陽 110045)

熱擠壓成形是針對高強度鋼深孔精密成形的工藝方法，通常采用正擠壓預成形，再以沖頭進行反擠壓成形內孔的方法。在成形過程中，熱擠壓模具特別是沖頭的工作條件非常惡劣，工作部分長期處于高溫條件下，需不斷地進行潤滑和冷卻。模具在這種即冷即熱的作用過程中，極易產生冷熱疲勞。同時，在反擠壓工藝過程中，模具還受到復雜應力的作用。由此，對高強度鋼熱擠壓成形模具的失效情況進行分析，有助于改進工藝，延長模具的使用壽命[1]。

1 研究對象與試驗方法

1.1 模具材料制備加工過程

采用一種新型的模具材料3Cr3Mo3VNb進行試驗，該材料中V的標準質量分數為0.60% ～0.80%，Nb為0.08% ～0.15%。制備工藝采用電渣重熔冶煉，使鋼液純凈，降低硫、磷等雜質的含量，其中P的標準質量分數為小于等于0.03%，S為小于等于0.03%，實際 S為0.0074%，含量得到顯著降低。嚴格遵守工藝質量要求，粉劑需烤透，同時引錠板也要烘烤干燥，在退火溫度為880℃時保溫10 h[2]。

鍛打之前應進行探傷。首次鍛打，先鍛成方棒料，然后探傷、退火。方棒退火完畢后，進入第2道下料工序。下料后，第2次鍛打成形沖頭，用大鍛造比反復鐓拔工藝，三鐓三拔，最后機械加工，保證尺寸要求。

熱處理工藝為在真空爐內加熱，油冷淬火。回火采用3次回火，第1次回火:600℃，空冷;第2次回火:580℃，空冷;第3次回火:580℃，空冷。熱處理硬度為46～48HRC。經熱處理后的金相組織如圖1所示，其組織為回火針狀馬氏體和少量殘余奧氏體，組織均勻，晶粒細小。

圖1 熱處理后的金相組織(500×)Fig.1 The metallograph after heat treatment

沖頭表面處理采用離子滲氮工藝，在表面形成合金氮化物層，強化表面，提高表面硬度和耐磨性，如圖2所示。

圖2 離子滲氮后的模具(500×)Fig.2 Ion nitriding die after heat treatment

1.2 熱擠壓工藝試驗過程

試驗主要采用以下工藝流程:下料―加熱―預成形―熱擠壓。坯料加熱溫度為1100℃，模具初始預熱溫度為300℃[3]。擠壓成形過程中，模具內腔采用循環水冷卻，每次擠壓前，噴水冷卻沖頭外部，再涂抹石墨乳潤滑劑。模具在擠壓成形工藝試驗時的工作過程如圖3所示。

圖3 擠壓工藝過程Fig.3 Extrusion process

當用該擠壓工藝完成數百件工件后，沖頭失效，失效形式主要表現為表面質量較粗糙，并出現較多縱向裂紋。

2 試驗結果分析

2.1 斷口形貌

從圖4觀察沖頭的宏觀形貌，斷口主要出現在接近沖頭頭部的邊緣處。由于沖頭在高溫環境下工作，表面較為粗糙，且發生明顯氧化，因而呈灰黑色。

圖4 沖頭表面斷口Fig.4 Surface fracture of punch

模具表面裂紋源因高溫氧化，斷口特征均不明顯，如圖5a所示。模具芯部斷口均為河流狀解理形貌，屬于典型的脆性斷裂，如圖5b所示。

2.2 金相分析

圖5 斷口形貌Fig.5 Fracture morphology

模具表面有網狀龜裂裂紋，應為基體硬度偏高而表層硬度偏低，或者是在疲勞沖擊載荷的作用下產生應力集中所致，如圖6所示。垂直方向有較粗裂紋，裂紋末端圓鈍，并有塊狀剝落現象，表面形成凹坑，說明較大的循環外力沖擊和擠壓作用導致表面質量較差，如圖7所示。

圖6 龜裂裂紋(50×)Fig.6 Cracking crackle(50 × )

圖7 表面裂紋(50×)Fig.7 Surface crackle(50 × )

在遠離裂紋部位取樣觀察，表層存在明顯脈狀組織，有裂紋存在部位表面組織未發現典型的滲氮層脈狀組織。這可能是因為外力的沖擊作用導致滲氮層被磨損或發生剝落，如圖8、如圖9所示。

圖8 遠離裂紋處的金相組織(500×)Fig.8 Metallograph far away from crackle(500 × )

圖9 裂紋處的金相組織(500×)Fig.9 Metallograph on crackle(500 × )

模具表層組織發生變化，表層組織為回火針狀馬氏體，次表層組織為回火索氏體，再向里的過渡層組織為鐵素體+索氏體，芯部組織為回火馬氏體。這是由于表層組織在高溫工作條件下噴水冷卻發生局部感應淬火，后在冷卻過程中發生了自回火現象，而次表層及過渡層由于自回火溫度偏高而得到索氏體和鐵素體組織，導致次表層及過渡層硬度嚴重降低[4－5]，如圖 10—13 所示。

圖10 表層金相組織(500×)Fig.10 Surface layer metallograph(500 × )

2.3 模具材料硬度檢測

對模具芯部進行硬度檢測，結果達到50～52.5 HRC。

圖11 次表層金相組織(500×)Fig.11 Subsurface layer metallograph(500 × )

圖12 過渡層金相組織(500×)Fig.12 Transition layer metallograph(500 × )

圖13 芯部金相組織(500×)Fig.13 Core metallograph(500 × )

2.4 斷裂失效原因分析

1)在循環沖擊載荷作用下，沖頭表層因高溫而發生軟化，使表層硬度降低，導致表層在沖擊方向出現裂紋和表層組織塊狀剝落。

2)模具基體硬度高于技術要求，易造成表面龜裂。

3)表層的滲氮層發生磨損和剝落。由于表面溫度反復升降，表層組織發生變化，導致材料表層與芯部存在較大的組織應力，同時使得表層硬度嚴重降低。

3 結語

由于模具在擠壓工藝過程中，需進行表面冷卻，因此不可避免地造成溫度反復升降，產生自回火效應。這時模具表面過渡層硬度低，芯部材料硬度高，極易產生表面脆性斷裂。在模具熱處理過程中，應將回火后的基體硬度控制在44～46HRC，從而提高模具的工作壽命。

[1]吳燕華，朱芬芳，王宏霞，等.銅合金型材熱擠壓模失效分析及改進措施[J].模具工業，2012，38(2):65－68.

[2]熊國鋒，閆明松，符韻.超高強韌性熱模鋼3Cr3Mo3VNb性能及其生產應用[J].精密成形工程，2009，1(2):34－38.

[3]張志明，吳歆，符韻，等.熱收口成形對模具壽命影響的研究[J].鍛壓技術，2007，32(1):60－61.

[4]黃愛云，陳東海，張寶強.鋁型材熱擠壓模具的斷裂及鋼材斷裂韌性的研究[J].焦作工學院學報(自然科學版)，2000，19(5):57 －60.

[5]劉以寬，陳文覺，張丙，等.鋁、銅熱擠壓模的失效分析[J].上海金屬(有色分冊)，1992，13(2):26 －31.