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几种模具失效分析及热处理工艺改进
几种模具失效分析及热处理工艺改进
作者：田邵洁
单位：大连圣洁热处理高新技术研究所
来源：《金属加工（热加工）》杂志
1.Cr12MoV 钢冷冲压模具线切割时开裂
链板落料凹模外形尺寸为413mm×274mm×70mm，距模具周边25mm左右分布14个Ф12mm通孔，技术要求60～62HRC。我们采用高温箱式炉氩气保护1030℃加热，缓冷至850℃入60℃油冷至150℃左右出油，入180℃井式炉回火，3h回火2次，冷却至室温后又在170℃回火炉中回火12h，硬度60～61HRC。该件交付用户后，经过表面磨削又进行线切割加工，线切割加工到一半时，出现开裂，纵向二道裂纹，横向二道裂纹，使模具报废。
经过失效分析，我们认为该模具的热处理工艺操作正常，主要原因是该模具的设计及冷加工工艺不合理，一是硬度要求高，60～62HRC 使得高温回火不能进行，只好采用低温回火，而应力消除不好造成线切割加工过程中应力释放而开裂；二是线切割工艺不当，模具的尺寸要求线切割沿周边52mm割去心部，在线切割前没有任何的工艺孔释放应力，使得模具在线切割过程中开裂；三是锻造厂家只能提供6级碳化物级别的模具坯料加上退火不好，造成热处理后应力增大。
解决办法为：①降低硬度为58～60HRC，采用1060℃油冷和520℃×3h，二次回火，高淬高回的工艺，保证硬度的同时消除内应力。
②热处理前把模具加工成空心形状，除去心部应力。
③要求锻造厂家按国家标准锻造及退火保证锻件质量。这样随后加工的模具，保证了产品质量，满足了客户的要求。
2.H13铝合金挤压模淬火后开裂
外形尺寸为Ф270mm×210mm内孔为Ф170mm的铝合金挤压模具，两个工件出自不同的锻造厂家和不同的冷加工厂家，我们采用真空炉加热，1030℃保温缓冷后入35℃油中冷却80℃左右出油空冷，在室温下放置1h后，其中一件沿表面的沟槽开裂。
查其原因：①油冷时油温较低，应该采用60℃油中冷却。
②出油温度低，应该在150℃左右出油。
③出油后应及时回火。
④是冷加工时刀痕的影响，失效分析指出裂纹是沿表面的沟槽开裂，这个工件的沟槽底部不如另一件那样有过渡圆角。
⑤模具原料可能有问题，客户明确说明，此件是试验件。
3.Cr12钢冷作模具磨削裂纹
有一个客户的Cr12冷作模具经常出现明显的磨削裂纹，并且表面的磨削痕迹很明显，经过反复研究与探讨，一是和用户协商，改变磨削工艺，改变砂轮粒度及磨削进给量；二是改变原材料进货渠道，争取购进合格的Cr12锻造坯料，保证原材料质量；三是和用户协商降低热处理后的硬度为58～60HRC，四是改进热处理工艺，采用1030℃加热及520℃回火的高淬、高回的工艺，保证了热处理后应力更好消除，以避免开裂。这样，以后热处理后模具的磨削裂纹减少了许多。
4.DC53及Cr12钢冷作模具的热处理后的尺寸变化及控制
一个客户的DC53模块，尺寸为90mm×80mm，淬火时经常发生缩小，有一次8个模块采用1030℃真空炉加热，缓冷0.5min，油淬，油温为60℃,500℃×2h二次回火后，90mm长边缩小了0.3mm，80mm短边缩小了0.29mm，查其原材料淬火时大致尺寸变形为表1所示,回火后要缩小0.10mm左右。
表1淬火后尺寸改变（样品尺寸：100mm×100mm×25mm）
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5#工艺 |
宽度（%） |
长度（%） |
厚度（%） |
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990℃油淬 最小 最大 |
-0.02 -0.06 |
+0.08 +0.12 |
+0.08 |
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990℃油淬 最小 分级淬火 最大 |
0 -0.01 |
+0.05 +0.06 |
-0.12 |
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1020℃气淬 最小 最大 |
+0.01 +0.06 |
+0.04 +0.08 |
-0.10 |
为此经过研究分析，我们决定改进热处理工艺，把加热后出炉缓冷的时间由0.5min增加至2min，再经过处理的模块就控制在+0.10mm左右，满足了客户的要求。查其主要原因是：原来采用真空炉加热时，缓冷时间短而在随后的油冷时，导致热应力为主而使得材料发生缩小，在随后的热处理工作中，我们掌握了这一规律，使得模具的热处理变形得到了很好的控制。
一次客户送来两套外形尺寸最大为600mm×350mm×90mmd 凸凹模，型腔已经由线切割加工完毕，要求硬度的同时，必须保证不缩不涨，否则会造成废品，为此我们根据经验，确定了工艺，把缓冷时间定为3min，淬火回火后不但达到硬度要求，并且尺寸仅涨大0.1mm，满足了客户的要求。另外，还有根据材料的特性来确定淬火回火工艺参数。以控制变形，例如对于一些国外进口的模具钢，大多给出了淬火温度和回火温度尺寸改变的影响曲线及图表，对于淬火如表1所示，对于回火一般的经验是Cr12类模具钢的回火尺寸变化从200℃到500℃时逐渐缩小，但到500℃时则开始涨大，并且轴向和径向变化率并不相同，所以在生产中应该把握各个钢种的变形特点并参考硬度及强度要求合理制定热处理工艺，才能满足客户要求。
5.消除应力的几种办法
为了消除机加工应力，以减少淬火时的变形或开裂，对于一些形状复杂或多孔的模具，应该在粗加工和精加工之间增加一次去应力的高温回火（或是调质），可是实际上因为冷加工时增加这道工序影响加工周期，模具生产厂家在半精加工，甚至精加工后才把模具送到我们工厂进行热处理，这样使得热处理时，冷加工的残余应力释放而使得变形增加。
另外，由于不少厂家为了降低生产成本而购买价格低廉的模具原料，这些原料生产厂家并没有很好地进行锻造和球化退火，也使得随后的热处理过程中应力释放和组织不均匀性导致模具变形。
为此，对于一些重要模具，我们在进行热处理之前，增加一道去应力回火的工序，一般采用350～400℃，6～12h出炉空冷，或650～700℃,2～4h，炉冷至500℃出炉的热处理工艺。经过这样预处理的模具变形大大降低，保证了热处理后的模具尺寸合格。
对于热处理后需要渗氮处理的有些模具，淬火后回火温度为570～580℃，以保证随后的570℃左右的渗氮处理时，工件不发生变形。
6.T10钢冷挤压凹模高温淬火表面改性
T10钢模具常规的淬火工艺为800℃，硬度可达到62HRC，但这样处理的链条滚子冷挤压凹模寿命仅为2000次左右，就因为内孔磨损超差而失效。经研究及工艺试验，我们把外形尺寸为Ф100mm×50mm的冷挤压凹模加热温度定在960℃，保温为15min，在盐炉加热出炉后内孔喷水冷却，内孔周边1.5mm内硬度较高，为66～67HRC，大大提高了耐磨性，模具寿命提高至26,000次，使用寿命提高10倍以上。