模具钢锻件材料的要求、成分特点及失效形式

       热作模具钢锻件是指对加热在再结晶温度以上的金属材料进行压力加工的模具，长时间在反复的急冷急热服役条件下工作，与炽热的金属毛坯等接触，在压力作用下成形，型腔温度的升高范围在300~700℃。要确保模具的正常工作，要求模具应具有较高的硬度、良好的耐磨性和热强性、热疲劳性以及足够的韧性等，同时对其进行表面强化处理，可提高使用寿命，避免出现模具的早期磨损、变形、塌陷与开裂等。为了满足热作模具的加工和使用要求，热作模具钢应具备以下两方面的基本性能。

       一 使用性能要求

 1. 其有足够的硬度和高的热硬性，高温耐磨性及良好的韧性。热作模具硬度一般在42～50HRC。热硬性是指模具材料在一定温度下保持硬度，组织稳定性及抗软化的能力。对于热作模具来说，热硬性是其重要的性能指标。同时，高的高温硬度也是高温耐磨性的重要保证，如果模具钢不具备高的强度和良好的冲击韧度，模具在使用中就容易开裂而失效。

 2. 具有高的热疲劳强度。模具工作时反复受到急热急冷的作用，其型腔表面就会产生网状裂纹（龟裂），这种现象称为热疲劳，这是热作模具失效的主要原因之一。 因此，对热作模具钢的基本要求是必须具备较高的疲劳强度。

 3. 具有良好的导热性。为了降低模具表面温度，减小其内外部的温差，要求模具钢具有良好的导热性，以避免力学性能下降，模具的型腔尺寸精度渐低。

二 工艺性能要求

1. 具有良好的可加工性。为了降低模具的制造成本，提高模具的加加工质量，模具应具有良好的冷加工性和热加工性（如可锻性、可切削性、可磨削性、热处理工艺性等）。

       2. 具有高的淬透性和回火稳定性。热作模具的几何尺寸一般都较大，尤其是辊锻模，为保证模具整个截面获得均匀一致的力学性能，尤其是韧性，则要求模具钢具有高的淬透性。另外，为保证模具的高温强度和高温硬度不降低，要求热作模具钢具有高的回火稳定性。

       3. 具有较高的抗氧化性和抗腐蚀能力。尤其是受热较高的辊锻模在使用润滑剂情况下，不仅要具有良好的抗氧化性能，还需具有抗腐蚀的能力，以确保模具尺寸精度和使用寿命。

      三  热作模具钢的成分特点

       热作模具钢锻件的成分与合金调质钢相似， 一般碳的质量分数小于0.5%（个别钢种碳的质量分数可达0.6%~0.7%），并含在Cr、Mn、Ni、Si等合金元素。含碳量低可保证其具有足够的韧性，合金元素的作用是强化铁素体和增加淬透性。为了防止回火脆性，还加入Mo、W等元素；为了提高高温强度和热疲劳抗力，需增加相当数量的Cr、W及Si。这些元素提高了相变温度，使模面在交替受热与冷却过程中不致发生相变而发生较大的容积变化，从而提高其抗热疲劳的能力。另外，W、Mo、V等在回火时以碳化物形式析出而产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下仍保拣相当高的硬度，这是热作模具钢正常工作的重要条件之一。

      四 热作模具钢的失效形式

       热作模具由于使用条性和环境有其特殊性，常常既承受机械载荷又承受热载荷，其失效形式和影响因素更为复杂。因此除了冷作模具常见的失液形式（磨损、断裂，疲劳和塑性变形)外，还会出现热疲势、塌陷和热侵蚀等失效形式。

       1. 热磨损。热作模具由于加工的是高温的坯料或工件，因此模具型腔内的磨损与冷作模具的形成因素不同，其形貌特征也有所差异。如辊锻模的磨损主要是模具与被加工的红热金属坯料之间的摩擦得不到润滑，被高温的金属坯料氧化，型腔表面层被回火软化，而氧化和低硬度又加剧了磨损，同时发生氧化磨损和黏着磨损，沿被加工金属材料塑性流变方向形成无数凹凸不平的摩擦沟痕， 并随着锻造次数的增加，沟痕不断加大加深，最终形成沟槽。磨损不仅破坏模具的尺寸精度。使锻件超差，并且出现的沟槽会破坏锻件的表面粗糙度。

       2. 热疲劳。热疲劳的产生主要是模具在工作过程中其表面反复受到急冷、急热的作用而产生的热应力引起疲劳的结果，另外模具表面的高温氧化也是不可忽视的原因。其表现形式主要是在模具型腔表面产生微细裂纹，这种裂纹有的呈单条状，有的则连成细网状。

       热疲劳是热作模具常见的失效形式。如横轧模在工作过程中，模具表面温度的提高使表面有膨胀的倾向，但被模具内层温度较低的部分所约束，使模具表面出现压应力，同时由于高温导致模具表层材料屈服强度下降，因此，热应力很容易超过模具材料的屈服强度而使表层发生塑性变形。当横轧件脱模后，模具表面迅速降温，特别是采用喷水冷却时，模具表面立即降到室温，由此产生了相反的温度梯度，在模具表层中的压应力逐渐减小并转变为拉应力，模具表层金属随加热和冷却而膨胀和收缩，模具与被加工材料的温差越大，模具表层的膨胀和收缩量就越大，产生的拉应力也就越大，热疲劳裂纹的产生也就越快。

       3.  断裂失效。早期断裂失效发生的机会较少，但由于断裂往往具有突发性，其危害最大。早期断裂的模具，其寿命往往很短，多则数百次至一千次，少则数十次或仅有几次。造成模具断裂和开裂失效的原因很多，包括模具的安装、操作不当，模具的设计、材质、加工质量、热处理工艺等。断裂往往起源于模腔尖角处或应力集中的部位，断口一般较平坦，无明显的裂纹扩展停顿线，宏观无塑性变形和剪切唇，表现为脆性断口或准解理特征。

       4.  腐蚀。腐蚀是热作模具特有的损坏形式。模具表面在一定温度下与化学介质(水基或油基润滑剂)腐蚀作用，型腔表面的损坏情况主要取决于金属坯料的塑性变形程度和受力状态，腐蚀部位往往在模腔内的局部地区。

模具受到冲蚀后，其表面呈凹凸不平，棱角变钝，严重影响锻件的几何形状、尺寸精度和表面质量，从而导致模具早期失效。