摘 要:頂柱(KO)是在高溫、高頻熱鍛工況下熱鍛組合模的關(guān)鍵易損件,其直接承受鍛錘的沖 擊載荷,約束高溫坯料在型腔中的塑性流動(dòng),最后頂出套圈成形鍛坯。在成形過(guò)程中,頂柱表層材 料發(fā)生的大壓縮應(yīng)變-恢復(fù)、高溫加熱-水冷卻的循環(huán)熱疲勞、高溫加熱的回火軟化、表面高溫氧化 起皮、表面上坯料塑性流動(dòng)作用,會(huì)使頂柱發(fā)生早期失效。對(duì)頂柱的失效行為和形成機(jī)制進(jìn)行分 析,可為延長(zhǎng)熱鍛模的使用壽命提供理論支持。

關(guān)鍵詞:熱鍛組合模;頂柱;熱疲勞;開裂;塌陷;氧化皮

中圖分類號(hào):TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)09-0075-04

生產(chǎn)汽車零配件及重要主機(jī)配套用精密軸承套 圈鍛坯的主要技術(shù)路線為:高速鍛造→無(wú)氧球化退 火→冷輾擴(kuò)工藝。采用高速鍛制造套圈毛坯具有高 效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。在高速鍛制造套圈毛 坯時(shí),熱鍛模在高溫下持續(xù)承受高頻率的鐓壓載荷、 擠壓摩擦載荷和熱循環(huán)沖擊載荷,服役條件十分苛 刻,因此,熱鍛模的質(zhì)量水平、服役壽命對(duì)整個(gè)生產(chǎn) 線效率有重要的影響。優(yōu)質(zhì)、高效的熱鍛模可直接 降低鍛件的生產(chǎn)成本并增加企業(yè)的效益。因此,延 長(zhǎng)熱鍛模壽命始終是熱成形技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)[1-3]。

熱鍛模采用優(yōu)質(zhì)熱鍛模具鋼制作,將熱鍛模具鋼切 削成形后,經(jīng)真空淬火+回火處理,得到熱鍛模。熱鍛模 是由前胎,后胎及頂柱(KO)構(gòu)成的組合模,其中 KO的 服役工況最為嚴(yán)酷,因此筆者對(duì)熱鍛模 KO的失效形式 和失效機(jī)制進(jìn)行分析,以提高熱鍛模的使用壽命。

1 KO概況

圖1是熱鍛模的結(jié)構(gòu)及其工作步驟。由圖1可 知:KO 結(jié)構(gòu)為一頭封閉的帶臺(tái)階中空?qǐng)A柱體,在一 定高度上均勻分布著噴水孔,中間為冷卻水孔;KO 頂面為下砧面,間接承受著鍛錘的沖擊載荷,圓柱面 承受著導(dǎo)向孔的滑動(dòng)摩擦力。

一個(gè)完整的熱鍛成形工藝節(jié)拍為:棒料感應(yīng)加熱 到鍛造溫度→切成適當(dāng)長(zhǎng)度→送料機(jī)構(gòu)輸入鍛模腔→ 沖頭沖鍛成套圈毛坯→KO頂出。KO的作用為,在成 形時(shí)作為下砧面和后胎、前胎及沖頭構(gòu)成型腔,成形后 KO上升頂出毛坯。工作時(shí),KO 內(nèi)部始終通有冷卻 水,其頂面與坯料接觸時(shí),受高溫坯料傳導(dǎo)加熱,脫離 接觸時(shí)加熱中斷,導(dǎo)致 KO 頂面材料內(nèi)層存在變動(dòng)的 熱梯度狀態(tài)。工藝節(jié)拍過(guò)快(120件/min),使 KO頂面 與坯料接觸時(shí)間長(zhǎng),冷卻效果受限,因此,KO受到高節(jié) 拍、大載荷沖擊時(shí),會(huì)發(fā)生高溫回火軟化、坯料在頂面 上受迫流動(dòng)摩擦、大氣氧化等損傷作用。

為了適應(yīng)上述工況,KO 采用進(jìn)口 Duro-FZ鋼 制作,該鋼種生產(chǎn)工藝為:真空感應(yīng)熔煉+電渣重熔 生產(chǎn),其適用于以高韌性為特點(diǎn)的精密成形熱鍛模 具,該鋼種具有雜質(zhì)元素含量低、夾雜物和碳化物細(xì) 小均勻分布、組織致密、高韌性、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)。 采用直讀光譜儀對(duì) Duro-FZ鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析, 結(jié)果如表1所示。

Duro-FZ鋼的熱處理工藝為1150 ℃真空淬火 580 ℃高溫回火3次,其硬度為55~57HRC,沖擊 吸收能量為190J/cm 2。Duro-Fz的淬火+回火顯 微組織為細(xì)晶粒回火馬氏體基體+均勻分布的少量 粒狀及短桿狀的碳化物+少量殘余奧氏體。

2 KO的失效形式

2.1 正常失效

熱鍛模失效形式包括磨損、開裂、塑性變形和熱 龜裂等[4],其中斷裂失效約占熱鍛模失效事故中的 75%,因此熱鍛模的高溫抗壓強(qiáng)度是影響其服役壽 命的重要指標(biāo)。正常失效的 KO 頂面宏觀及微觀形 貌如圖2所示。由圖2可知:KO表面外周侵蝕稍淺, 堆疊有薄層氧化皮;最外環(huán)表面平整,無(wú)氧化皮;整個(gè) 侵蝕表面形貌呈中心對(duì)稱,無(wú)宏觀滑動(dòng)磨損跡象;KO 頂面中心部位發(fā)生薄層塑性變形、剝脫,存在顯微裂紋;KO 頂面邊緣部位因與后胎模壁存在摩擦阻力, 受力相對(duì)較小,材料損傷較少;中心與邊緣過(guò)渡區(qū)表 面有顯微塑性變形和磨損,呈下凹圓環(huán)槽。

KO 正常失效形式對(duì)應(yīng)其最理想的正常服役壽 命,KO 正常失效的特點(diǎn)是材料表面熱蝕,中心部位 在高溫下受力最大、受力時(shí)間最長(zhǎng),材料受不均勻侵 蝕最嚴(yán)重,侵蝕深度約為0.4mm,并且伴隨有局部塑性變形。

2.2 KO頂面的早期失效

2.2.1 熱疲勞龜裂

熱鍛模表面受高節(jié)拍的鍛打載荷,坯料受到反 復(fù)加熱-冷卻,其表層承受循環(huán)拉伸-壓縮應(yīng)力,晶粒 邊界和顯微缺陷部位會(huì)產(chǎn)生孔洞及微小裂紋,導(dǎo)致 KO 頂面產(chǎn)生熱疲勞龜裂現(xiàn)象,其特征形貌如圖3 所示。由圖3可見:熱龜裂發(fā)生部位與 KO 冷卻水 內(nèi)腔橫截面尺寸相當(dāng),裂紋在擴(kuò)展中呈網(wǎng)狀,組織中 存在夾雜物、疏松,并且存在裂紋。

操作時(shí)因冷卻水壓力和流量不足,不能有效地 散發(fā)頂面吸收的熱量,導(dǎo)致 KO 頂面發(fā)生回火軟化。 因此,KO 頂面的抗壓強(qiáng)度降低、塑性增加,KO 頂 面表層中位錯(cuò)和晶界到晶粒交匯處的滑動(dòng)受阻,造 成了應(yīng)力集中并產(chǎn)生裂紋,裂紋相互連接、擴(kuò)展形成 了龜裂花紋,同時(shí)伴有明顯的頂面塑性變形塌陷,頂 面發(fā)生接觸疲勞,形成了熱龜裂特征形貌。

2.2.2 頂面塌陷

KO 頂面塌陷 早 期 失 效 具 有 頂 面 塑 性 變 形 范 圍更大、更 深、更 明 顯,熱 疲 勞 點(diǎn) 蝕 剝 脫 特 征 不 明 顯,KO 服役壽命更短的特點(diǎn)。KO 頂面塌陷特征 宏觀形貌如圖4所示,可見除 KO 頂面中心部位有 大范圍塑性變形外,其余部位表面光滑,無(wú)黏著或 剝脫現(xiàn)象,整個(gè)頂面無(wú)明顯氧化跡象,外環(huán)面基本 保持著加 工 表 面 形 貌。發(fā) 生 頂 面 塌 陷 的 原 因 為: KO 冷卻水內(nèi)腔的水壓、水量不足,導(dǎo)致冷卻強(qiáng)度 降低,頂面 發(fā) 生 回 火 軟 化,使 其 抗 壓 強(qiáng) 度、硬 度 迅 速下降;淬火后回火操作不當(dāng),使 KO 頂面二次硬 化析出不充分,殘余奧氏體轉(zhuǎn)變不完全,顯微組織 中殘余奧 氏 體 含 量 過(guò) 多,導(dǎo) 致 KO 因 高 溫 強(qiáng) 度 不 足而發(fā)生頂面塌陷。

2.2.3 脆性開裂

KO 頂面脆性開裂特征宏觀及微觀形貌如圖5 所示,可見掉塊留下的孔洞邊緣呈曲折多邊形,邊緣 和孔洞底部無(wú)塑性變形,孔洞旁的裂紋與軋制方向 垂直。KO 頂面脆性開裂的原因?yàn)?鋼水在凝固過(guò) 程中,冷卻速率較慢,KO 頂面中心部位的合金元素 和雜質(zhì)元素不均勻程度過(guò)大,且后續(xù)沒有進(jìn)行均勻 化退火或退火擴(kuò)散時(shí)間不足,導(dǎo)致促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的 元素富集在中心部位;終軋溫度高于鋼材的動(dòng)態(tài)再 結(jié)晶溫度,變形破碎的細(xì)晶粒迅速再結(jié)晶長(zhǎng)大,其中 富集促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大元素部位的晶粒會(huì)異常長(zhǎng)大,形 成混晶形貌;后期熱處理溫度一般低于軋制溫度,這種混晶組織就無(wú)法通過(guò)熱處理而被矯正,混晶組織 和粗晶粒組織的存在使材料產(chǎn)生應(yīng)力集中,最終超 過(guò)材料的斷裂強(qiáng)度而導(dǎo)致其發(fā)生穿晶斷裂。

2.3 KO柱體塑性變形

KO 柱體塑性變形的原因是:在外力作用下,模 具內(nèi)部產(chǎn)生的壓應(yīng)力大于其抗壓強(qiáng)度,且模具因熱 處理不當(dāng)造成其硬度偏低,導(dǎo)致材料產(chǎn)生塑性變形 并失效。熱處理操作不當(dāng)使材料的回火抗力降低, 進(jìn)而降低了熱鍛模的屈服強(qiáng)度,因此,在外載荷和后 胎孔壁表面摩擦力的反復(fù)作用下,KO 表面會(huì)產(chǎn)生 塑性流變,導(dǎo)致其柱體發(fā)生局部塑性變形,直徑增 大,并與柱面摩擦而生成菱形花紋(見圖6)。

菱形花紋反映了 KO 頂面在吸收坯料的熱量 后,熱量沿 KO 軸向傳遞時(shí)受噴水冷卻干擾而產(chǎn)生 溫度場(chǎng)。KO 頂面溫度高,下端溫度低,在噴水孔幾 何位置的影響下,KO 軸向受冷卻水影響大,周向受 影響小。KO 軸向冷 卻 快、硬 度 損 失 少,周 向 冷 卻 慢、硬度損失大,因此形成的塑性變形區(qū)具有獨(dú)特的 菱形花紋。

2.4 KO根部斷裂和底面斷裂

圖7為 KO 根部及底面斷裂的宏觀形貌。當(dāng) KO 根部過(guò)渡圓角和退刀槽半徑過(guò)小時(shí),在受大載 荷沖擊下,KO 因應(yīng)力集中而開裂。KO 圖紙的要 求為:倒角半徑不小于0.5mm,底面圓平面半徑與 中心軸線成5°斜角。圖7顯示 KO 底面圓平面半徑 與中心軸線的斜角小于 5°,不符合 KO 圖 紙 的 要 求。在鍛造過(guò)程中,當(dāng)沖擊應(yīng)力與 KO 中心軸線發(fā) 生偏差時(shí),KO 軸線在徑向的調(diào)節(jié)空間不足,傳遞到 底面的負(fù)荷不均勻,從而降低了KO的抗彎曲及抗偏載能力,導(dǎo)致在使用過(guò)程中 KO 發(fā)生底面及根部斷 裂或彎折斷裂。

3 結(jié)論

(1)熱鍛模 KO 的工作載荷大、溫度高、節(jié)拍 快,服役環(huán)境惡劣,其正常失效形式是頂面點(diǎn)狀熱蝕 剝脫。

(2)KO 的頂面早期失效形式有頂面熱疲勞龜 裂、頂面塌陷、頂面脆性斷裂,影響因素是材料冶金 質(zhì)量(如結(jié)晶時(shí)的成分偏析)、熱處理工藝(如淬火溫 度偏高、回火不足)和操作規(guī)范(如冷卻強(qiáng)度不足) 等。

(3)KO 的柱體早期失效形式是磨損,其產(chǎn)生 的原因是熱處理后 KO 硬度偏低、冷卻強(qiáng)度不足,導(dǎo) 致 KO 回火軟化且發(fā)生塑性變形,并與后胎孔壁發(fā) 生摩擦磨損。

(4)KO 的底面失效形式是斷裂,當(dāng) KO 底面 斜角過(guò)小,鍛打載荷發(fā)生偏心時(shí),KO 因失去調(diào)節(jié)空 間而使其底面發(fā)生過(guò)大彎曲,此時(shí)若過(guò)渡圓角過(guò)小 則在過(guò)渡圓角處形成應(yīng)力集中,導(dǎo)致 KO 底面斷裂。

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>9期(pp:75-78)>