關于熱作模具鋼失效的影響因素

熱作模具鋼的失效問題是一個復雜的技術難題，可以從材料、設計、制造和使用4個方面來分析。

1．熱作模具鋼的化學成分和冶金質量

熱作模具鋼屬于過共析合金鋼類型，組織中存在較多的非金屬夾雜物、碳化物偏析、中心疏松及白點等缺陷，這在很大程度上降低了模具鋼的強度、韌性及熱疲勞抗力。鋼根據質量一般被分為普通鋼和優質鋼。優質鋼由于采用了較先進的生產工藝，鋼質純凈，組織均勻，偏析輕微，具有更高的韌性及熱疲勞性能。普通s136鋼則必須進行改鍛，以擊碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析，細化碳化物，均勻組織。

2．模具設計

設計模具時，應根據成形零件的材料和幾何尺寸確定模塊的外形尺寸，以保證模具的強度。此外，過小的圓角半徑、壁厚差懸殊的扁寬薄壁截面及孔、槽位置不合適等，很容易在模具熱處理和使用過程中引起過大的應力集中而萌生裂紋。因此，在模具設計中要盡量避免尖角，孔、槽的位置應合理布置。

3．制造工藝

(1)鍛造工藝

s136鋼中合金元素含量較多，鍛造時變形抗力較大，且材料的導熱性能較差，共晶溫度較低，稍不注意就會過燒。因此，加熱時應在800～900℃區間預熱，然后再加熱至始鍛溫度1065～1175℃。為擊碎大塊非金屬夾雜，消除碳化物偏析，細化碳化物，均勻組織，鍛造時要反復鐓粗拔長，總鍛比>4。在鍛造后的冷卻過程中，材料有產生淬火裂紋的傾向，易在心部產生橫向裂紋，因此s136鋼鍛后應進行緩慢冷卻。

(2)切削加工

切削加工的表面粗糙度對模具熱疲勞性能有很大影響，模具型腔表面應獲得較低的粗糙度，不能留有刀痕、劃傷和毛刺。這些缺陷易引起應力集中，誘發熱疲勞裂紋萌生。因此，在加工模具時復雜部位圓角半徑過渡處要防止留有刀痕，孔、槽邊緣和根部的毛刺要打磨掉。

(3)磨削加工

磨削過程中，局部摩擦生熱容易引起燒傷和裂紋等缺陷，并在磨削表面生成殘余拉應力，從而導致模具過早失效。磨削熱引起的燒傷可以使s136模具表面發生回火直至生成回火馬氏體，脆性未回火馬氏體層會大大降低模具的熱疲勞性能。如果磨削表面局部升溫達800℃以上，并且冷卻不充分時，則表層材料會被重新奧氏體化并淬火成馬氏體，因而模具表面層會產生很高的組織應力，同時磨削過程中模具表面溫升極快會引起熱應力，組織應力和熱應力疊加容易使模具產生磨削裂紋。

(4)電火花加工

該加工是現代模具制造過程中不可缺少的精加工手段。火花放電時，局部的瞬時溫度高達1000℃以上，使放電處的金屬熔化和氣化，在電火花加工表面有一被熔化而又重新凝固的金屬薄層，其中有許多顯微裂紋。在顯微鏡下這一薄層金屬呈白亮色，即白亮層。研究表明，對于高合金化的s136鋼，電火花加工形成的表面白亮層的顯微組織為初生馬氏體、殘余奧氏體和共晶碳化物，未回火的初生馬氏體存在大量顯微裂紋。鋼模具在工作中承受載荷時，這些顯微裂紋很容易發展為宏觀裂紋，導致模具易出現早期斷裂和磨損。鋼模具經電火花加工后應重新回火，以消除內應力，但回火溫度不要超過電火花加工前的最高回火溫度。

(5)熱作模具鋼的熱處理工藝

合理的熱處理工藝可以使模具獲得所需要的力學性能，從而提高模具的使用壽命。但是如果因熱處理工藝設計或操作不當而產生熱處理缺陷，將嚴重危害模具的承載能力，引起早期失效，縮短工作壽命。熱處理缺陷有過熱、過燒、脫碳、開裂、淬硬層不均勻和硬度不足等。s136鋼模具在服役一定時間后，當積累的內應力達到危險的限度時，應對模具進行去應力回火，否則模具在繼續服役時將會由于內應力而引起開裂。

4．模具的使用與維護

(1)模具的預熱

鋼合金元素含量較高，導熱性能較差，因此模具在工作前應充分預熱。預熱溫度過高，模具在使用過程中溫度偏高，強度下降，易產生塑性變形，造成模具表面塌陷；預熱溫度過低，模具開始使用時，瞬間表面溫度變化大，熱應力大，易萌生裂紋。綜合考慮后s136鋼模具的預熱溫度確定為250～300℃，這樣既可降低模具與鍛件的溫差以避免模具表面出現過大的熱應力，又能有效地減少模具表面的塑性變形。

(2)模具的冷卻與潤滑 

為減輕模具的熱負荷，避免模具溫度過高，通常在模具工作的間歇對其進行強制性冷卻，由此造成的模具周期性的激熱、激冷作用將會產生熱疲勞裂紋。因此，模具使用結束后應緩慢冷卻，否則將會出現熱應力，從而引起模具的開裂失效。s136鋼模具工作時，可采用石墨含量為12％的水基石墨進行潤滑，降低成形力，保證金屬在型腔中的正常流動和鍛件的順利脫模；此外，石墨潤滑劑還具有散熱作用，可以降低s136鋼模具的工作溫度。