模具鋼鍛件材料的要求、成分特點及失效形式

       熱作模具鋼鍛件是指對加熱在再結晶溫度以上的金屬材料進行壓力加工的模具，長時間在反復的急冷急熱服役條件下工作，與熾熱的金屬毛坯等接觸，在壓力作用下成形，型腔溫度的升高范圍在300~700℃。要確保模具的正常工作，要求模具應具有較高的硬度、良好的耐磨性和熱強性、熱疲勞性以及足夠的韌性等，同時對其進行表面強化處理，可提高使用壽命，避免出現(xiàn)模具的早期磨損、變形、塌陷與開裂等。為了滿足熱作模具的加工和使用要求，熱作模具鋼應具備以下兩方面的基本性能。

       一 使用性能要求

 1. 其有足夠的硬度和高的熱硬性，高溫耐磨性及良好的韌性。熱作模具硬度一般在42～50HRC。熱硬性是指模具材料在一定溫度下保持硬度，組織穩(wěn)定性及抗軟化的能力。對于熱作模具來說，熱硬性是其重要的性能指標。同時，高的高溫硬度也是高溫耐磨性的重要保證，如果模具鋼不具備高的強度和良好的沖擊韌度，模具在使用中就容易開裂而失效。

 2. 具有高的熱疲勞強度。模具工作時反復受到急熱急冷的作用，其型腔表面就會產生網狀裂紋（龜裂），這種現(xiàn)象稱為熱疲勞，這是熱作模具失效的主要原因之一。 因此，對熱作模具鋼的基本要求是必須具備較高的疲勞強度。

 3. 具有良好的導熱性。為了降低模具表面溫度，減小其內外部的溫差，要求模具鋼具有良好的導熱性，以避免力學性能下降，模具的型腔尺寸精度漸低。

二 工藝性能要求

1. 具有良好的可加工性。為了降低模具的制造成本，提高模具的加加工質量，模具應具有良好的冷加工性和熱加工性（如可鍛性、可切削性、可磨削性、熱處理工藝性等）。

       2. 具有高的淬透性和回火穩(wěn)定性。熱作模具的幾何尺寸一般都較大，尤其是輥鍛模，為保證模具整個截面獲得均勻一致的力學性能，尤其是韌性，則要求模具鋼具有高的淬透性。另外，為保證模具的高溫強度和高溫硬度不降低，要求熱作模具鋼具有高的回火穩(wěn)定性。

       3. 具有較高的抗氧化性和抗腐蝕能力。尤其是受熱較高的輥鍛模在使用潤滑劑情況下，不僅要具有良好的抗氧化性能，還需具有抗腐蝕的能力，以確保模具尺寸精度和使用壽命。

      三  熱作模具鋼的成分特點

       熱作模具鋼鍛件的成分與合金調質鋼相似， 一般碳的質量分數(shù)小于0.5%（個別鋼種碳的質量分數(shù)可達0.6%~0.7%），并含在Cr、Mn、Ni、Si等合金元素。含碳量低可保證其具有足夠的韌性，合金元素的作用是強化鐵素體和增加淬透性。為了防止回火脆性，還加入Mo、W等元素；為了提高高溫強度和熱疲勞抗力，需增加相當數(shù)量的Cr、W及Si。這些元素提高了相變溫度，使模面在交替受熱與冷卻過程中不致發(fā)生相變而發(fā)生較大的容積變化，從而提高其抗熱疲勞的能力。另外，W、Mo、V等在回火時以碳化物形式析出而產生二次硬化，使熱作模具鋼在較高溫度下仍保揀相當高的硬度，這是熱作模具鋼正常工作的重要條件之一。

      四 熱作模具鋼的失效形式

       熱作模具由于使用條性和環(huán)境有其特殊性，常常既承受機械載荷又承受熱載荷，其失效形式和影響因素更為復雜。因此除了冷作模具常見的失液形式（磨損、斷裂，疲勞和塑性變形)外，還會出現(xiàn)熱疲勢、塌陷和熱侵蝕等失效形式。

       1. 熱磨損。熱作模具由于加工的是高溫的坯料或工件，因此模具型腔內的磨損與冷作模具的形成因素不同，其形貌特征也有所差異。如輥鍛模的磨損主要是模具與被加工的紅熱金屬坯料之間的摩擦得不到潤滑，被高溫的金屬坯料氧化，型腔表面層被回火軟化，而氧化和低硬度又加劇了磨損，同時發(fā)生氧化磨損和黏著磨損，沿被加工金屬材料塑性流變方向形成無數(shù)凹凸不平的摩擦溝痕， 并隨著鍛造次數(shù)的增加，溝痕不斷加大加深，最終形成溝槽。磨損不僅破壞模具的尺寸精度。使鍛件超差，并且出現(xiàn)的溝槽會破壞鍛件的表面粗糙度。

       2. 熱疲勞。熱疲勞的產生主要是模具在工作過程中其表面反復受到急冷、急熱的作用而產生的熱應力引起疲勞的結果，另外模具表面的高溫氧化也是不可忽視的原因。其表現(xiàn)形式主要是在模具型腔表面產生微細裂紋，這種裂紋有的呈單條狀，有的則連成細網狀。

       熱疲勞是熱作模具常見的失效形式。如橫軋模在工作過程中，模具表面溫度的提高使表面有膨脹的傾向，但被模具內層溫度較低的部分所約束，使模具表面出現(xiàn)壓應力，同時由于高溫導致模具表層材料屈服強度下降，因此，熱應力很容易超過模具材料的屈服強度而使表層發(fā)生塑性變形。當橫軋件脫模后，模具表面迅速降溫，特別是采用噴水冷卻時，模具表面立即降到室溫，由此產生了相反的溫度梯度，在模具表層中的壓應力逐漸減小并轉變?yōu)槔瓚?，模具表層金屬隨加熱和冷卻而膨脹和收縮，模具與被加工材料的溫差越大，模具表層的膨脹和收縮量就越大，產生的拉應力也就越大，熱疲勞裂紋的產生也就越快。

       3.  斷裂失效。早期斷裂失效發(fā)生的機會較少，但由于斷裂往往具有突發(fā)性，其危害最大。早期斷裂的模具，其壽命往往很短，多則數(shù)百次至一千次，少則數(shù)十次或僅有幾次。造成模具斷裂和開裂失效的原因很多，包括模具的安裝、操作不當，模具的設計、材質、加工質量、熱處理工藝等。斷裂往往起源于模腔尖角處或應力集中的部位，斷口一般較平坦，無明顯的裂紋擴展停頓線，宏觀無塑性變形和剪切唇，表現(xiàn)為脆性斷口或準解理特征。

       4.  腐蝕。腐蝕是熱作模具特有的損壞形式。模具表面在一定溫度下與化學介質(水基或油基潤滑劑)腐蝕作用，型腔表面的損壞情況主要取決于金屬坯料的塑性變形程度和受力狀態(tài)，腐蝕部位往往在模腔內的局部地區(qū)。

模具受到沖蝕后，其表面呈凹凸不平，棱角變鈍，嚴重影響鍛件的幾何形狀、尺寸精度和表面質量，從而導致模具早期失效。