锻造模具的退化机制详解

模锻是当前最先进的锻造技术，主要用于批量生产模具的关键部件。其最大缺点是成型工具的耐久性较差。据贤集网小编了解工具的成本产品总成本的8-15%。实际上，如果考虑更换磨损的工具所需要的时间以及意外失效所带的损失，成本可能高达30%至50%。而且，工具的磨损会导致锻件质量的明显恶化。刀具磨损导致的最常见的缺陷是模腔填充错误，即折叠，毛刺，变形，刮伤，分层和微观和宏观裂纹。

这些缺陷会最终影响到锻造产品的性能。由于市场的竞争很强烈，模锻产品的制造者不断降低他们的成本，同时提高锻件的质量，即便如此他们对工具的耐久性差问题仍然很感兴趣。

工具的耐久度通常由几种方式进行定义。在生产方面，工具的耐久性用锻件的数量来表现，也就是说用这个工具能获得的预期质量的产品的数量。根据这一定义，工具的平均耐久度可能在2000至20000件之间变化。在工具方面，耐久度与退化相关，所以它被定义为耐退化现象的能力。本文主要使用第二种定义。应该说，锻造工具在使用过程中承受着各种各样的退化因素的影响，这些因素的相互作用使得问题的分析逾加困难。在这一主题的文献中，人们可以发现各种各样关于退化现象的阐述。

根据许多学者的统计，锻造模具退出服役很大原因是由于磨损尺寸发生了变化，磨损导致的模具报废约占70%，塑性变形约占25%，疲劳开裂和其它原因只占约5%。许多现象往往同时发生，它们的相互作用取决于模具的设计，它们锻造和制造的条件，模具材料热处理，以及预型体和嵌块的形状。

锻造模具的工作条件：热模锻的过程中，工具主要承受来自三方面的退化作用：密集的热冲击，周期性变化的机械载荷以及高温高压。为了在热锻过程中降低钢铁产品的屈服应力，变形金属会被加热到10000-2000摄氏度。在材料变形的瞬间，工具表面的温度可能会达到800摄氏度，随后是密集的冷却，也因此工具会暴露在很大的温度梯度下。在模具截面上，模具表面温度和近表面温度会相差几百摄氏度。热模锻比热锻的温度会低一些，也就是说，钢变形的温度约达到900摄氏度。这就意味着工具表面循环加热和冷却产生的载荷并不像热锻那样大。尽管如此，在半热锻过程中使用的工具的寿命还是相当短暂，这主要是因为循环变化的温度和较大的机械载荷的共同作用，机械载荷主要来自冷却，以及硬度更高的材料。

锻造工具的退化机制

锻造工具的服役寿命主要依赖于它们的设计，制备，工具材料的热处理，它们锻造的条件，预成型件和芯块的形状等。有关这一主题的文献中，我们能找到许多关于退化的信息。这些机制按不同各类进行了划分。研究结果表明，下面的磨损机制主要发生在锻造工具的表层：磨料磨损、热机械疲劳、塑性变形、疲劳开裂、粘着磨损和氧化。工具工作压痕的形状，确定接触的时间、压力、摩擦路径以及温度的变化，决定着特别退化机制的发生速率。

图1锻造模具横截面失效的位置和类型

图1给出了一些特别退化机制发生区域在横截面上的位置。在平坦的区域，在工具和热材料变形过程中接触的时间是最长的，也是最大压力出现的地方，热机械疲劳是主要的退化机制。

倒圆的内半径受循环拉伸载荷的作用，该循环载荷是由外载荷提高引起的，主要发生在锻造过程中变形趋向于集中。结果，在工具服役的过程中疲劳微裂纹发展成大裂纹，出现在这些地方。模具凹痕的外半径，以及模具压印进入闪桥的地方由于高温条件下材料弱化，材料的屈服点降低，导致了塑性变形。变形材料的密集流动在这些区域导致磨料磨损，它因为硬质氧化物而进一步加剧，这些硬质氧化物在高温氧化的过程中工具的模锻材料表面形成的。

锻造模具的退化机制之粘着磨损

粘着磨损发生在表面层的塑性变形区域，特别是在表面不规则的地方。它通常在较高的压力同时在相对较低的速度条件下发生，主要是相似的材料相互作用或材料表现出化学亲合力(典型锻造加工条件)。在较高的压力条件下，材料成型沿着工具表面滑移，移走了氧化物涂层，使工具的新鲜表面裸露出来。这主要发生在表面投影的不规则区（粗糙表面的峰值部位）。

当这些地方的材料被彼此贴得很近，以致于原子间力开始发生作用时，局部金属键形成。随后由于表面进一步相互移位，金属键被破坏。表面层塑性变形在这一过程中形成。金属键的打破导致金属粒子的剥离，它们趋向粘着在表面上。

锻造模具的退化机制之磨粒磨损：

材料损失通常归因于磨粒磨损。剥离粒子的尺寸主要取决于锻造系数以及工具表面层的性能。一个关于粘着磨损的例子是CV万向节壳体锻造的第二阶段操作，如图。在这一过程中材料变形的温度大约在900°C，也就是说，通常远低于传统的热锻工艺，倾向于这种类型的磨损。粘着磨损会将自身粘着于材料本身上或工具上，在横截面积减小的位置。

图锻造模具表面磨粒磨损形貌

磨粒磨损是材料损失的结果，主要通过材料与表面分离实现。当有松散的或固定的磨料颗粒，或在相互作用表面上存在突起的不规则的部分时磨粒磨损会发生。对于锻造工具来说，它的硬度远比变形材料更高，在这种情况下，如果在锻造工具和变形材料之间相接触的部分出现磨粒颗粒，磨粒磨损就会发生。磨粒磨损会因硬质氧化物颗粒的出现而加剧，这些硬质氧化物是在锻件和模具以及模具表面分离下来的小粒子表面在高温条件下形成的。由于这种机制，槽沿着所述方向产生，在这个方向上材料变形发生变化。

图磨粒磨损机制

它们的形状和深度主要取决于锻造的条件。突起的部分特别容易受到磨损，并且在它进一步服役的过程中会很快从工具的表面上快速移除，这导致材料损失和材料的几何形状变化。特别容易形成磨粒磨损，也对磨粒磨损特别敏感的地方是在材料发生变形过程中发生最长滑移的地方。最常见的是模具模腔的外半径，在模具进入闪桥(flash bridge)的区域。