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瀏覽☁₪:- 釋出日期☁₪:2022-09-28 16:00:29【

摘 要:頂柱(KO)是在高溫₪₪·☁·、高頻熱鍛工況下熱鍛組合模的關鍵易損件,其直接承受鍛錘的衝 擊載荷,約束高溫坯料在型腔中的塑性流動,最後頂出套圈成形鍛坯╃☁。在成形過程中,頂柱表層材 料發生的大壓縮應變-恢復₪₪·☁·、高溫加熱-水冷卻的迴圈熱疲勞₪₪·☁·、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作用,會使頂柱發生早期失效╃☁。對頂柱的失效行為和形成機制進行分 析,可為延長熱鍛模的使用壽命提供理論支援╃☁。 

關鍵詞:熱鍛組合模;頂柱;熱疲勞;開裂;塌陷;氧化皮 

中圖分類號:TG115.2                                                    文獻標誌碼:A                              文章編號:1001-4012(2022)09-0075-04


生產汽車零配件及重要主機配套用精密軸承套 圈鍛坯的主要技術路線為:高速鍛造→無氧球化退 火→冷輾擴工藝╃☁。採用高速鍛製造套圈毛坯具有高 效₪₪·☁·、優質₪₪·☁·、環保₪₪·☁·、節能等優點╃☁。在高速鍛製造套圈毛 坯時,熱鍛模在高溫下持續承受高頻率的鐓壓載荷₪₪·☁·、 擠壓摩擦載荷和熱迴圈衝擊載荷,服役條件十分苛 刻,因此,熱鍛模的質量水平₪₪·☁·、服役壽命對整個生產 線效率有重要的影響╃☁。優質₪₪·☁·、高效的熱鍛模可直接 降低鍛件的生產成本並增加企業的效益╃☁。因此,延 長熱鍛模壽命始終是熱成形技術的研發熱點[1-3]╃☁。 

熱鍛模採用優質熱鍛模具鋼製作,將熱鍛模具鋼切 削成形後,經真空淬火+回火處理,得到熱鍛模╃☁。熱鍛模 是由前胎,後胎及頂柱(KO)構成的組合模,其中 KO的 服役工況最為嚴酷,因此筆者對熱鍛模 KO的失效形式 和失效機制進行分析,以提高熱鍛模的使用壽命╃☁。

1 KO概況 

圖1是熱鍛模的結構及其工作步驟╃☁。由圖1可 知:KO 結構為一頭封閉的帶臺階中空圓柱體,在一 定高度上均勻分佈著噴水孔,中間為冷卻水孔;KO 頂面為下砧面,間接承受著鍛錘的衝擊載荷,圓柱面 承受著導向孔的滑動摩擦力╃☁。

一個完整的熱鍛成形工藝節拍為:棒料感應加熱 到鍛造溫度→切成適當長度→送料機構輸入鍛模腔→ 衝頭衝鍛成套圈毛坯→KO頂出╃☁。KO的作用為,在成 形時作為下砧面和後胎₪₪·☁·、前胎及衝頭構成型腔,成形後 KO上升頂出毛坯╃☁。工作時,KO 內部始終通有冷卻 水,其頂面與坯料接觸時,受高溫坯料傳導加熱,脫離 接觸時加熱中斷,導致 KO 頂面材料內層存在變動的 熱梯度狀態╃☁。工藝節拍過快(120件/min),使 KO頂面 與坯料接觸時間長,冷卻效果受限,因此,KO受到高節 拍₪₪·☁·、大載荷衝擊時,會發生高溫回火軟化₪₪·☁·、坯料在頂面 上受迫流動摩擦₪₪·☁·、大氣氧化等損傷作用╃☁。

為了適應上述工況,KO 採用進口 Duro-FZ鋼 製作,該鋼種生產工藝為:真空感應熔鍊+電渣重熔 生產,其適用於以高韌性為特點的精密成形熱鍛模 具,該鋼種具有雜質元素含量低₪₪·☁·、夾雜物和碳化物細 小均勻分佈₪₪·☁·、組織緻密₪₪·☁·、高韌性₪₪·☁·、高耐磨性等優點╃☁。 採用直讀光譜儀對 Duro-FZ鋼進行化學成分分析, 結果如表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,衝擊 吸收能量為190J/cm 2╃☁。Duro-Fz的淬火+回火顯 微組織為細晶粒回火馬氏體基體+均勻分佈的少量 粒狀及短桿狀的碳化物+少量殘餘奧氏體╃☁。

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],其中斷裂失效約佔熱鍛模失效事故中的 75%,因此熱鍛模的高溫抗壓強度是影響其服役壽 命的重要指標╃☁。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;最外環表面平整,無氧化皮;整個 侵蝕表面形貌呈中心對稱,無宏觀滑動磨損跡象;KO 頂面中心部位發生薄層塑性變形₪₪·☁·、剝脫,存在顯微裂紋;KO 頂面邊緣部位因與後胎模壁存在摩擦阻力, 受力相對較小,材料損傷較少;中心與邊緣過渡區表 面有顯微塑性變形和磨損,呈下凹圓環槽╃☁。

KO 正常失效形式對應其最理想的正常服役壽 命,KO 正常失效的特點是材料表面熱蝕,中心部位 在高溫下受力最大₪₪·☁·、受力時間最長,材料受不均勻侵 蝕最嚴重,侵蝕深度約為0.4mm,並且伴隨有區域性塑性變形╃☁。

2.2 KO頂面的早期失效 

2.2.1 熱疲勞龜裂 

熱鍛模表面受高節拍的鍛打載荷,坯料受到反 復加熱-冷卻,其表層承受迴圈拉伸-壓縮應力,晶粒 邊界和顯微缺陷部位會產生孔洞及微小裂紋,導致 KO 頂面產生熱疲勞龜裂現象,其特徵形貌如圖3 所示╃☁。由圖3可見:熱龜裂發生部位與 KO 冷卻水 內腔橫截面尺寸相當,裂紋在擴充套件中呈網狀,組織中 存在夾雜物₪₪·☁·、疏鬆,並且存在裂紋╃☁。

操作時因冷卻水壓力和流量不足,不能有效地 散發頂面吸收的熱量,導致 KO 頂面發生回火軟化↟↟•₪↟。 因此,KO 頂面的抗壓強度降低✘╃·╃、塑性增加,KO 頂 面表層中位錯和晶界到晶粒交匯處的滑動受阻,造 成了應力集中併產生裂紋,裂紋相互連線✘╃·╃、擴充套件形成 了龜裂花紋,同時伴有明顯的頂面塑性變形塌陷,頂 面發生接觸疲勞,形成了熱龜裂特徵形貌↟↟•₪↟。

2.2.2 頂面塌陷 

KO 頂面塌陷 早 期 失 效 具 有 頂 面 塑 性 變 形 範 圍更大✘╃·╃、更 深✘╃·╃、更 明 顯,熱 疲 勞 點 蝕 剝 脫 特 徵 不 明 顯,KO 服役壽命更短的特點↟↟•₪↟。KO 頂面塌陷特徵 宏觀形貌如圖4所示,可見除 KO 頂面中心部位有 大範圍塑性變形外,其餘部位表面光滑,無黏著或 剝脫現象,整個頂面無明顯氧化跡象,外環面基本 保持著加 工 表 面 形 貌↟↟•₪↟。發 生 頂 面 塌 陷 的 原 因 為: KO 冷卻水內腔的水壓✘╃·╃、水量不足,導致冷卻強度 降低,頂面 發 生 回 火 軟 化,使 其 抗 壓 強 度✘╃·╃、硬 度 迅 速下降;淬火後回火操作不當,使 KO 頂面二次硬 化析出不充分,殘餘奧氏體轉變不完全,顯微組織 中殘餘奧 氏 體 含 量 過 多,導 致 KO 因 高 溫 強 度 不 足而發生頂面塌陷↟↟•₪↟。 

2.2.3 脆性開裂 

KO 頂面脆性開裂特徵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 和孔洞底部無塑性變形,孔洞旁的裂紋與軋製方向 垂直↟↟•₪↟。KO 頂面脆性開裂的原因為:鋼水在凝固過 程中,冷卻速率較慢,KO 頂面中心部位的合金元素 和雜質元素不均勻程度過大,且後續沒有進行均勻 化退火或退火擴散時間不足,導致促進晶粒長大的 元素富集在中心部位;終軋溫度高於鋼材的動態再 結晶溫度,變形破碎的細晶粒迅速再結晶長大,其中 富集促進晶粒長大元素部位的晶粒會異常長大,形 成混晶形貌;後期熱處理溫度一般低於軋製溫度,這種混晶組織就無法透過熱處理而被矯正,混晶組織 和粗晶粒組織的存在使材料產生應力集中,最終超 過材料的斷裂強度而導致其發生穿晶斷裂↟↟•₪↟。