鋼質(zhì)活塞裙鍛造模具失效分析及壽命提升措施

文／王濤，徐寶國(guó)，宋加兵，王光明·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

趙中里，馮雅輝·安徽智模新材料科技有限公司

隨著西方國(guó)家以及國(guó)內(nèi)汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，傳統(tǒng)壓鑄鋁質(zhì)活塞已經(jīng)不能滿足對(duì)內(nèi)燃機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)日益苛刻的要求，而鋼質(zhì)模鍛活塞以其高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)正逐步替代傳統(tǒng)鋁質(zhì)活塞，鋼質(zhì)活塞的市場(chǎng)迎來(lái)爆發(fā)期。

目前，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)幾家鍛造企業(yè)可以批量化生產(chǎn)鋼質(zhì)活塞，且大多為手工鍛造生產(chǎn)線，生產(chǎn)效率低。高效率的全自動(dòng)化模鍛生產(chǎn)是鍛造企業(yè)今后的發(fā)展方向，要保證全自動(dòng)模鍛生產(chǎn)線順利運(yùn)行，長(zhǎng)壽命的模具起到至關(guān)重要的作用。

活塞裙模具失效分析

失效分析就是探索并解釋模具的失效原因，其分析結(jié)果可以為正確選擇模具材料，合理制定模具制造工藝以及為模具新材料和新工藝的開發(fā)提供有指導(dǎo)意義的依據(jù)。

模具的失效都是在模具的強(qiáng)度與應(yīng)力因素和其工作環(huán)境最不相適應(yīng)的情況下發(fā)生的，模具失效后，其殘骸上會(huì)保留與失效相關(guān)的信息。活塞裙模具在鍛造生產(chǎn)過(guò)程中存在兩個(gè)特殊的高溫區(qū)域：一是模具型腔與坯料接觸時(shí)間最長(zhǎng)的部位；二是坯料發(fā)生劇烈變形的部位。活塞裙模具失效形式及部位見圖1。

圖1 活塞裙模具失效形式及部位

磨損(粘附磨損、磨粒磨損)

模具與坯料表面在高溫、高壓下緊密接觸，產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對(duì)摩擦造成模具表面損傷，表現(xiàn)為粘附磨損。坯料高溫氧化脫落的氧化皮顆粒起到磨粒作用，夾在坯料和模具型腔表面之間，摩擦模具型腔表面造成模具表面損傷，表現(xiàn)為磨粒磨損。

開裂

開裂失效部位發(fā)生在模具型腔的頂桿孔處，此處形狀結(jié)構(gòu)變化劇烈造成應(yīng)力集中誘發(fā)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致開裂。

龜裂

龜裂是指模具在如圖2 所示的循環(huán)熱應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生的熱疲勞裂紋和破壞。活塞裙模具在熱鍛鍛造成形過(guò)程中，型腔部位與高溫坯料接觸。鍛造成形后，對(duì)型腔部位噴灑水基石墨乳冷卻潤(rùn)滑，型腔表面受到急冷急熱，產(chǎn)生循環(huán)反復(fù)的拉壓應(yīng)力。

圖2 模具表面循環(huán)熱應(yīng)力分布

提高活塞裙模具壽命具體措施

改變模具基體材料

模具基體材料是保障模具壽命的基礎(chǔ)，根據(jù)活塞裙模具的使用工況和使用后的失效形式來(lái)選擇模具材料。充分考慮到各種元素在鋼中的作用，選擇綜合性能更好的RS8418 模具鋼替代公司現(xiàn)在使用的SWQH13 模具鋼。鋼質(zhì)活塞裙生產(chǎn)工藝是熱鍛生產(chǎn)，模具在生產(chǎn)服役過(guò)程中直接與溫度高達(dá)1200℃的坯料接觸，這就要求模具材料在高溫下具有保持抗熱疲勞、抗開裂、抗熱磨損、抗塑性變形的能力。選用的牌號(hào)RS8418 模具鋼中錳和鉬的含量明顯高于SWQH13，兩種模具鋼主要元素成分含量見表1。

表1 RS8418 和SWQH13 模具鋼主要元素成分含量(wt%)

錳和鉬兩種有益元素在鋼中的作用：錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，它能消除或減弱由于硫引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工性能，還能提高鋼的淬透性和硬度等；鉬在鋼中能起到細(xì)化晶粒作用，提高淬透性和熱強(qiáng)性能，在高溫時(shí)保持足夠的強(qiáng)度和抗蠕變能力。

對(duì)模具鋼采用縱橫鍛(變向鍛造)和快速冷卻、球化退火工藝

采用縱橫鍛(變向鍛造)生產(chǎn)工藝來(lái)提高模塊自身質(zhì)量，與普通的一次性鐓拔成形相比，此工藝能夠增加鍛造比，提高模塊的致密度和組織均勻性，模塊沖擊韌性更高。模塊縱橫鍛工藝流程見圖3。

圖3 縱橫鍛工藝流程

模具鋼鍛造后進(jìn)行噴灑水霧快速冷卻，以此來(lái)提高模具鋼組織均勻性并細(xì)化晶粒。采用球化退火工藝可以降低模具鋼硬度，改善切削加工性能，消除殘余應(yīng)力，也為后續(xù)熱處理做準(zhǔn)備。

對(duì)模具表面進(jìn)行離子氮化+PVD 鍍膜復(fù)合強(qiáng)化

對(duì)模具表面采用離子氮化+PVD 鍍膜復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)處理，具體工藝流程見圖4。該工藝主要通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)提升模具壽命。

圖4 離子氮化+PVD 鍍膜工藝流程

⑴對(duì)模具表面進(jìn)行噴砂處理，能夠清潔表面，改善表面微觀形貌，增加和涂層之間的附著力，在模具表面會(huì)形成殘余壓應(yīng)力。

⑵對(duì)模具表面進(jìn)行磨粒流體拋光處理，能夠起到鈍化頂桿孔處直角的作用，減小此處的應(yīng)力集中。

⑶在氮化處理前增加一道深冷處理，目的是為了將經(jīng)過(guò)淬火后的殘余奧氏體進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變，減少奧氏體殘留。馬氏體含量的增加會(huì)使得材料硬度提高，耐磨性和尺寸穩(wěn)定性也隨之提高。

⑷考慮到涂層的蛋殼效應(yīng)，在覆涂層之前，對(duì)模具表面進(jìn)行離子氮化處理，目的是提高涂層的抗壓潰結(jié)合強(qiáng)度。

⑸模具表面涂層是基于多元高熵合金思想制備的高熵合金氮化物，其與模具表面結(jié)合力強(qiáng)，抗腐蝕性能優(yōu)異，抗高溫氧化，適合在熱鍛模具上生產(chǎn)使用。

優(yōu)化模具熱處理工藝

對(duì)于活塞裙模具，目前模具基體表面硬度為43 ～45HRC，其硬度較高，韌性較低。通過(guò)觀察使用后的活塞裙模具，失效主要是因?yàn)槟＞咝颓豁敆U孔處的開裂。分析認(rèn)為除了此處應(yīng)力集中導(dǎo)致開裂，另一個(gè)原因是基體硬度較高、模具韌性較低。因此，在保證模具正常使用的前提下，將模具熱處理時(shí)的回火溫度提高15 ～25℃，回火時(shí)間延長(zhǎng)1h。通過(guò)降低基體硬度，調(diào)整為40 ～43HRC，進(jìn)而提高其韌性來(lái)延緩開裂造成的模具失效。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)使用后的模具觀察分析，為提升模具壽命提供思路。針對(duì)活塞裙模具的失效部位及形式，本文給出的四項(xiàng)具體措施應(yīng)用于車間實(shí)際生產(chǎn)，取得了良好效果，驗(yàn)證了措施的有效性。為后續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)線需要的長(zhǎng)壽命模具提供保障。后期將持續(xù)優(yōu)化模具制造工藝，不斷提高模具壽命，降低模具成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。