3Cr2W8V钢热作模具的失效形式及分析

随着国内工业的发展, 模具材料的开发和应
用也得到了迅速发展。热作模具材料主要用于制
造在高温状态下进行压力加工的成型模具, 更确
切的说是指制造把金属材料加热到再结晶温度以
上进行压力加工的模具。工业中应用的热作模具
主要有: 锤锻模、 压力机模、 热挤压模、 和压铸模、
热剪切模等, 这些模具承受着周期加载和冷热温
度变化。因此深入了解模具的失效形式, 工作条
件和性能要求, 可指导正确选材, 能有效提高模具
使用寿命。
3cr2w8v 钢中的主要合金元素的含量是
w18cr4v钢的一半,因此又称为半高速钢, 是我国
产量较大的热作模具钢之一。 由于含 w高, 当温度
大于或等于 600℃时, 其高温强度、 硬度等要高于
铬系热作模具钢。但由于其淬火温度较高, 易引起
晶粒粗化, 会显著降低钢的韧性、 塑性和冷热疲劳
抗力。该钢主要用于制作高温下高应力、 但不受冲
击负荷的凸模、 凹模, 如平锻机上用的凸模、 凹模、镶块、 铜合金挤压模、 压铸用模具;也可用于制造同
时承受较大压应力、 弯曲应力、 拉伸应力的模具, 如
反挤压的模具; 还可用于高温下受力的热金属切
刀。其化学成分及临界温度如表 1 所示。
但 3cr2w 8v 钢的冷热疲劳性较差, 尤其是
用水冷却时, 模具的热疲劳寿命更低。3cr2w8v
钢冷热疲劳性差的原因除含钨量高外, 另一未被
充分认识的原因是不尽合理的碳含量。这些常常
导致模具失效, 而大型的热作模具制造费用高昂,
一旦造成失效将造成重大的损失而且严重影响生
产效率。本文重点讨论了 3cr2w8v 钢热作模具
失效形式以及相应的改进方法。
1 3cr2w8v钢热作模具的失效形式
1.1 3cr2w8v钢热作模具设计、 加工不当造成的
化学成分(质量分数,%) 临界温度 /℃
c cr w v si mn ac1 ac3 ms
0.30～
0.40
2.20～
2.70
7.50～
8.00
0.20～
0.50
<0.40 <0.40 810 1120 380
表 1 3cr2w8v(astma681- 94)钢的化学成分及临界温度失效
3cr2w8v 钢热作模具的失效包括模具的设
计造成的失效, 其中模具过载设计 (工序划分不
当)、 工具形状和精度不良(应力集中 l/d较大)和加强环预应力不足为主要因素, 还包括加工不当
造成的失效, 比如表面粗糙度不良、 残存有刀痕、
圆角 r 太小、 残存有脱碳层以及残存有放电加工
变质层等。尖锐转角和过大的截面变化造成应力
集中,常常成为模具早期失效的根源。并且在热处
理淬火过程中,尖锐转角引起残余拉应力,会缩短
模具寿命。而薄壁和断面太薄则除导致应力集中
外,还易造成强度不足,导致塑性变形或开裂失效。
1.2 3cr2w8v钢热作模具热处理不当引起的失效
从表 1 可以看出 3cr2w8v 钢含有较多碳及
合金元素, 导热性差, 透热速度慢,因此如果加热
过快, 模具内外产生很大的热应力。如果控制不
当,很容易产生变形或裂纹,甚至开裂。
3cr2w8v 钢淬火过热会引起钢的晶粒长大,
冲击韧度下降, 使模具发生崩刃或早期断裂的危
险性增加。模具在淬火或高温回火时未加保护,将
引起表面脱碳。如果未将表面脱碳层除去,将严重
降低模具的耐磨性, 缩短疲劳或冷热疲劳寿命。 模具回火不充分, 将在模具中残留较大的淬火应力,
并使模具的韧性下降,容易发生早期断裂。
1.3 3cr2w8v 钢热作模具使用不当引起的失效
热处理不当引起的 3cr2w8v 钢热作模具失
效形式主要有三种: 热磨损、 热疲劳和两者同时发
生。
模具的工作条件实际是严酷的。有较多的工
作条件因素对模具的失效有影响, 如压力机的刚
性差、 精度低、 加载速度过大、 压力机吨位过高或
过低,工作频次过高、 被加工零件材料的因素、 模
具的冷却和润滑条件等。
2 预防3cr2w8v 钢热作模具失效
的方法
2.1 合理设计、 加工模具
尽量避免尖锐圆角和过大截面变化, 尖锐圆
角引起的应力集中可高达平均计算应力的十多
倍; 过大截面变化易引起热处理变形与开裂。对
于形状复杂且易变形开裂的模具可设计为组合
式。同时在选用 3cr2w8v 钢前先通过真空冶炼
或电渣重熔, 提高钢的材质。王昌龙[1]
等分析了
3cr2w8v 钢制 p- cu 合金焊料热挤压模淬火时或使用中多次发生早期开裂的原因, 发现挤压模
筒劈裂主要是由于结构因素引起应力集中以及模
具内孔径向裂纹,对此, 可设计成内外模套结构来
改善之, 热处理时还应适当提高淬火回火温度,再
则降低加工粗糙度。
2.2 采用合理的热处理工艺
为预防 3cr2w8v 钢制热作模具失效, 需制
定合理的热处理工艺, 热处理工艺应视模具具体
的失效形式而定。
2.2.1 3cr2w8v 钢热作模具失效形式为热磨损
这种失效主要是由于模具基体室温和高温硬
度低、 屈服强度低, 而磨损抗力、 热稳定性较差造
成的。要提高模具使用寿命, 主要有以下两种途
径:①提高常规处理工艺的淬火温度。文献[2]报
道了 3cr2w8v 钢制造汽车变速箱主轴齿轮胎模
的情况, 在常规热处理后, 模具生产制品的数量
少, 脆性断裂严重, 耐磨性差, 常发生早期失效, 使
模具报废。当模具采用高温淬火、回火强韧处理后, 模具寿命显著提高, 经济效益十分显著。这是
因为提高淬火温度, 可使碳化物溶入奥氏体更充
分, 此外回火时马氏体的分解、 晶粒再结晶长大和
碳化物的析出聚集粗化等过程也都将推迟并减
慢, 因而模具材料具有更高的热稳定性;②采用表
面强化工艺 。表面强化工 艺较多, 如 采 用
3cr2w8v 钢低温盐浴渗氮(qpq)后耐磨性大幅
度提高, 这主要是由于 qpq 处理后模具钢形成了
高硬度的 ε相 fe2～3n 化合物组织, 因此模具钢硬
度比基体硬度大幅度提高, 从而大大提高了模具
钢耐磨性与抗咬合性能。从图 1 可以看出氮化层
明显, 深度均匀, 渗层与基体有明显清晰的界面。
该渗层具有极高的硬度( 900～1130 hv0.1) , 较高
的耐磨性和较好的耐蚀性。
因此, 温盐浴渗氮(qpq)处理后, 热作模具钢
3cr2w8v 钢具有组织均匀、结构致密的渗层, 且
具有很高的显微硬度、 耐磨性以及强抗腐蚀性。
2.2.2 3cr2w8v 钢热作模具失效形式为热疲劳
3cr2w8v 钢热作模具在服役过程中在循环温
度下工作,并受到机械腐蚀和化学腐蚀的作用, 热
疲劳破坏是其主要失效形式之一。 实践表明, 热疲
劳裂纹常常萌生于模具型腔表面, 因此, 采用适当
的表面处理工艺保护模具钢表面是提高其热疲劳

 

抗力、 延长模具使用寿命的一种有效方法。 刘北兴
等[3]
用等离子气相沉积的方法在 3cr2w8v 钢表
面形成 tin 等离子气相沉积层。 结果表明: tin 沉
积层可以有效地提高钢的热疲劳抗力, 且随沉积
层厚度减薄, 热疲劳抗力增加; 随热循环上限温
度升高, tin 沉积层的热疲劳抗力降低; tin 沉积
层具有很好的热循环稳定性及抗氧化性。高殿奎
等[4]
运用电磁效应理论新研究成果, 采用脉冲
放电方法, 对 3cr2w8v 热挤压凸模的热疲劳裂
纹实施了止裂试验。止裂后的裂纹变得十分
圆整, 达到了钝化止裂的目的。 对图 2 所示的显微
组织分析证明, 止裂处出现了强韧性极高的超细
化组织, 改善了裂纹处的力学性能; 止裂也为
热疲劳裂缝刷镀修复创造了理想的先决条件。

3cr2w8v 钢热作模具进行合理的表面处理
工艺之后, 可提高耐磨性和抗高温氧化性,而模具
的热疲劳抗力与耐磨性和抗高温氧化性密切相
关[5,6]
, 因而提高了模具的热疲劳抗力。
2.2.3 3cr2w8v 钢热作模具失效形式为热疲劳
和热磨损
为预防 3cr2w8v 钢同时发生热疲劳和热磨
损失效, 要求模具既具有较高的抗拉强度、 屈服强
度、 抗回火稳定性和抗热疲劳等性能, 又要求材料
表面具有较高的耐磨性能。那么对 3cr2w8v 钢
可以采取以下两种方法:①强韧处理。 在材料热处理工艺中强韧处理主要是高温淬火加高温回火,
淬火加热温度为 1 150～1 200℃, 回火温度为
600～650℃。 杨光龙等[7]
将淬火温度提高到 1 200
± 10℃,并通过 630 ± 10℃的高温回火两次,在油中
冷却后再经 160～200℃补充回火, 使终硬度为
43～46 hrc。这是因为 3cr2w8v 钢的合金碳化
物溶入奥氏体, 淬火后马氏体的合金度提高, 增加
了钢的回火稳定性, 提高了模具的高温强度, 从而
延缓了模具工作部位的堆塌, 推迟了热疲劳裂纹
的起始时间。 随着奥氏体温度的提高, 板条马氏体
和残余奥氏体的量增加。 与片状马氏体相比, 板条
马氏体没有明显裂纹, 其韧性优于片状马氏体。 少
量残余奥氏体的存在, 可以降低裂纹的应力
集中, 阻碍裂纹扩展, 从而减少碳化物偏析, 减轻
剩余碳化物对基体的割裂作用。 高温回火后, 碳化
物弥散析出, 模具获得强韧的综合力学性能, 提高
了钢的断裂韧度值。②激光表面处理。用 5kw
co2 激光器在 3cr2w8v 钢上进行铁基合金的激
光熔覆处理,可获得组织微细、 成分均匀的激光表
面改性层,其相组成为 α ′ 2fe+γ ′ 2fe+m7c3+m23c6+
fe2b ,此激光改性层产生了多种强化效应。 当然还
有其它的复合处理方法比如碳氮共渗、高温淬
火+高温回火, 或与稀土复合来改善热作模具的
热疲劳和磨损失效, 其发展前景十分广阔。
2.3 合理使用模具
2.3.1 模具预热
为了使热毛坯不至于降温太快, 便于金属流
动和防止模具急热损坏,模具必须预热,预热温度
一般在 300℃左右。
2.3.2 模具润滑
采用 18%二硫化钼、 25%石墨、 57%油酸的混
合物有较好的润滑冷却效果。使用时必须涂抹均
匀,其挤压件质量、 效率以及模具的寿命均较高。3 结论
( 1) 3cr2w8v 钢热作模具失效不仅与材料的
强度和硬度等有关, 而且与模具的设计及使用有
关。因此在合理热处理工艺及表面处理改善模具
材料性能时, 应该考虑模具的结构, 冷加工质量以
及模具的工作条件
( 2) 进一步研究更先进的热处理工艺或使用
激光表面改性, 如激光金属表面纳米化, 使材料的
性能得到更大的提高, 从而提高模具的使用寿命。
( 3)模具失效分析与材料摩擦学、腐蚀学、材
料强度学、表面科学、电子断口学等学科密切相
关。只有综合运用多学科的新知识, 不断提高失效
分析技术, 才能发现新问题, 认识新规律, 发展新
技术, 提高模具的质量和水平。