5CrNiMo锻模使用中的失效分析与失效防止

摘　要：介绍了5CrNiMo钢锻模的工作条件、化学组成、热处理工艺，特别是它的失效形式(型腔棱边磨损、型腔塌陷及冷热疲劳裂纹)，并介绍了一些防止措施，即通过改进热处理工艺主要是淬火与回火工艺，提高模具使用寿命。

关键词：锻模；失效；5CrNiMo钢；淬火；回火

随着市场竞争的日益加剧，人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要素之一，模具制造技术现已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志，它在很大程度上决定企业的生存空间。

模具的主要失效形式为型腔棱边磨损、型腔塌陷及冷热疲劳裂纹。模具失效的主要原因是模具表面硬度没有超过HRC40。表面硬度偏低，引起棱角磨损；表面硬度不高，再加上心部强度很低，会引起型腔塌陷。如要提高模具寿命，通过对热处理主要是淬火与回火工艺进行改进，可以提高模具的表面硬度、型腔的耐磨性，以及冷热疲劳抗力和塑性变形抗力。锻模的平均寿命现可提高为6000件左右。然而，对于要求较高的模具，如边长大于380mm的较大型模具特别对于边长大于400mm的较大型模具，单纯依靠热处理工艺的调整，已无济于事，实验表明，选用5CrNiMo钢再加上适当的热处理，一般可达到工作要求。

1　模具的工作条件

模具的加工工艺：下料—锻造—退火—粗加工—调质—精加工—淬火+回火—研磨。

始锻温度为1050℃左右，终锻温度为850℃左右，锻造比为2。

退火工艺为830～850℃加热炉冷，调质工艺为860℃，加热油冷，670～680℃回火。精加工后淬火温度为840～860℃，油冷到180℃，立即出油装炉回火，回火温度为440～470℃，硬度要求为HRC44～47，见图1。

图1　5CrNiMo钢锻模的淬火、回火工艺曲线

锻模用5CrNiMo钢制造(化学成分见表1)，模具直径为280mm，高度250mm。

　　锻模安装在4500KN磨擦压力机上服役，被加工坯料为45#钢，在高温盐浴炉中加热(其目的是在盐浴炉中加热可达到加热均匀，防止氧化，但应注意清除干净盐液)到1000～1100℃，每分钟锻压10件。每锻压一件后，在模具型腔表面涂敷机油作为润滑剂兼冷却剂，模具在工作前预热到300℃左右。

2　模具的工作依据

热处理的一些基本原理。

3　模具的服役寿命及失效形式

锻模的平均寿命为1200件左右，其主要失效形式为型腔棱边磨损、型腔塌陷及冷热疲劳裂纹。

4　模具的失效分析

1)硬度分析：将模具剖成小块，测量从形腔表面到心部的洛氏硬度，发现距表面5mm以内的硬度为HRC39～40，距表面10mm以外，硬度即降到HRC36，距表面20mm以外，硬度为HRC34。由此可见，模具的硬度没有达到技术条件所规定的要求(小型模具HRC44～47)，并可看出硬化层很薄。

2)显微组织分析：模具型腔表面为回火马氏体组织，心部为回火马氏体+上贝氏体组织。在距表面约25mm处，就出现上贝氏体组织。显微组织分析结果，进一步证实了模具在淬火时，仅表面一薄层冷却到MS点以下，获得了马氏体组织，其他部分在淬火时，仅部分奥氏体转变成马氏体，没有转变的奥氏体在回火时转变成上贝氏体。

3)模具失效原因的分析：因模具表面硬度没有超过HRC40，表面硬度偏低，是引起棱角磨损的主要原因。表面硬度不高，再加上心部强度很低，是引起型腔塌陷的主要原因。如要提高模具寿命，必须满足下列要求：

(1)提高表面硬度(特别是红硬性)，以提高型腔的耐磨性；

(2)提高淬透性，即增加硬化层的厚度，以提高型腔的抗塌陷(塑性变形)能力；

(3)适当提高奥氏体化温度，有利于提高淬透性、红硬性、热稳定性及冷热疲劳抗力。

5　失效的防止及失效分析

在使用的过程中为了防止模具的失效，对原先的热处理工艺有如下改进：

(1)将模具装入已加热至860～870℃的普通箱式炉内，并在此温度下保温2h；

(2)淬入油中，待冷却至200～100℃后保温15～20min；

(3)装入已加热至350～400℃的回火炉中，然后将温度提高到420～440℃，在此温度保温6h；

(4)取出冷却再进行清洗，最后检查硬度(HRC44～47)。

6　结　论

经热处理，锻模的平均寿命现提高为6000件左右，模具的寿命提高了四倍。并达到了两个目的：一是使表面全部为回火马氏体组织，增强模具的耐磨性；二是使奥氏体转变为马氏体尽可能多，以提高其淬透性，进而达到提高冷热疲劳抗力及塑性变形抗力等。一方面5CrNiMo热作模具钢的形腔表面由于受热而软化，因而降低了耐磨性。高温氧化腐蚀作用产生的氧化铁皮也起到磨料的作用加速磨损；另一方面，锻压钢件的模具与坯料接触时，表层立即升温到600～900℃，而内层仍然处于较低的温度，使得表面层受热而膨胀，又受内层的约束，使表面产生压应力。压应力的数值一般均大于模具材料在该状态下的屈服强度，进而引起塑性变形。锻件脱模后，由于向模具表面喷洒冷却剂，使表面急剧冷却而收缩，当表面收缩受到约束时，便产生拉应力。模具表面层中的循环热应力，是引起冷热疲劳的根本原因。高温氧化、冷却水的电化学腐蚀以及坯料的摩擦作用，加速了冷热疲劳过程。

当然，对于要求较高的模具，如边长大于380mm的较大型模具，单纯依靠热处理工艺的调整，特别对于边长大于400mm的较大型模具，已无济于事，在实践中发现选用5CrNiMo钢再加上适当的热处理，即一般可达到工作要求。

本文摘自：刘　倩“5CrNiMo锻模使用中的失效分析与失效防止”