隨著國內(nèi)工業(yè)的發(fā)展, 模具材料的開發(fā)和應(yīng)
用也得到了迅速發(fā)展。熱作模具材料主要用于制
造在高溫狀態(tài)下進(jìn)行壓力加工的成型模具, 更確
切的說是指制造把金屬材料加熱到再結(jié)晶溫度以
上進(jìn)行壓力加工的模具。工業(yè)中應(yīng)用的熱作模具
主要有: 錘鍛模、 壓力機(jī)模、 熱擠壓模、 和壓鑄模、
熱剪切模等, 這些模具承受著周期加載和冷熱溫
度變化。因此深入了解模具的失效形式, 工作條
件和性能要求, 可指導(dǎo)正確選材, 能有效提高模具
使用壽命。
3cr2w8v 鋼中的主要合金元素的含量是
w18cr4v鋼的一半,因此又稱為半高速鋼, 是我國
產(chǎn)量較大的熱作模具鋼之一。 由于含 w高, 當(dāng)溫度
大于或等于 600℃時(shí), 其高溫強(qiáng)度、 硬度等要高于
鉻系熱作模具鋼。但由于其淬火溫度較高, 易引起
晶粒粗化, 會(huì)顯著降低鋼的韌性、 塑性和冷熱疲勞
抗力。該鋼主要用于制作高溫下高應(yīng)力、 但不受沖
擊負(fù)荷的凸模、 凹模, 如平鍛機(jī)上用的凸模、 凹模、鑲塊、 銅合金擠壓模、 壓鑄用模具;也可用于制造同
時(shí)承受較大壓應(yīng)力、 彎曲應(yīng)力、 拉伸應(yīng)力的模具, 如
反擠壓的模具; 還可用于高溫下受力的熱金屬切
刀。其化學(xué)成分及臨界溫度如表 1 所示。
但 3cr2w 8v 鋼的冷熱疲勞性較差, 尤其是
用水冷卻時(shí), 模具的熱疲勞壽命更低。3cr2w8v
鋼冷熱疲勞性差的原因除含鎢量高外, 另一未被
充分認(rèn)識(shí)的原因是不盡合理的碳含量。這些常常
導(dǎo)致模具失效, 而大型的熱作模具制造費(fèi)用高昂,
一旦造成失效將造成重大的損失而且嚴(yán)重影響生
產(chǎn)效率。本文重點(diǎn)討論了 3cr2w8v 鋼熱作模具
失效形式以及相應(yīng)的改進(jìn)方法。
1 3cr2w8v鋼熱作模具的失效形式
1.1 3cr2w8v鋼熱作模具設(shè)計(jì)、 加工不當(dāng)造成的
化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%) 臨界溫度 /℃
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)鋼的化學(xué)成分及臨界溫度失效
3cr2w8v 鋼熱作模具的失效包括模具的設(shè)
計(jì)造成的失效, 其中模具過載設(shè)計(jì) (工序劃分不
當(dāng))、 工具形狀和精度不良(應(yīng)力集中 l/d較大)和加強(qiáng)環(huán)預(yù)應(yīng)力不足為主要因素, 還包括加工不當(dāng)
造成的失效, 比如表面粗糙度不良、 殘存有刀痕、
圓角 r 太小、 殘存有脫碳層以及殘存有放電加工
變質(zhì)層等。尖銳轉(zhuǎn)角和過大的截面變化造成應(yīng)力
集中,常常成為模具早期失效的根源。并且在熱處
理淬火過程中,尖銳轉(zhuǎn)角引起殘余拉應(yīng)力,會(huì)縮短
模具壽命。而薄壁和斷面太薄則除導(dǎo)致應(yīng)力集中
外,還易造成強(qiáng)度不足,導(dǎo)致塑性變形或開裂失效。
1.2 3cr2w8v鋼熱作模具熱處理不當(dāng)引起的失效
從表 1 可以看出 3cr2w8v 鋼含有較多碳及
合金元素, 導(dǎo)熱性差, 透熱速度慢,因此如果加熱
過快, 模具內(nèi)外產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。如果控制不
當(dāng),很容易產(chǎn)生變形或裂紋,甚至開裂。
3cr2w8v 鋼淬火過熱會(huì)引起鋼的晶粒長大,
沖擊韌度下降, 使模具發(fā)生崩刃或早期斷裂的危
險(xiǎn)性增加。模具在淬火或高溫回火時(shí)未加保護(hù),將
引起表面脫碳。如果未將表面脫碳層除去,將嚴(yán)重
降低模具的耐磨性, 縮短疲勞或冷熱疲勞壽命。 模具回火不充分, 將在模具中殘留較大的淬火應(yīng)力,
并使模具的韌性下降,容易發(fā)生早期斷裂。
1.3 3cr2w8v 鋼熱作模具使用不當(dāng)引起的失效
熱處理不當(dāng)引起的 3cr2w8v 鋼熱作模具失
效形式主要有三種: 熱磨損、 熱疲勞和兩者同時(shí)發(fā)
生。
模具的工作條件實(shí)際是嚴(yán)酷的。有較多的工
作條件因素對(duì)模具的失效有影響, 如壓力機(jī)的剛
性差、 精度低、 加載速度過大、 壓力機(jī)噸位過高或
過低,工作頻次過高、 被加工零件材料的因素、 模
具的冷卻和潤滑條件等。
2 預(yù)防3cr2w8v 鋼熱作模具失效
的方法
2.1 合理設(shè)計(jì)、 加工模具
盡量避免尖銳圓角和過大截面變化, 尖銳圓
角引起的應(yīng)力集中可高達(dá)平均計(jì)算應(yīng)力的十多
倍; 過大截面變化易引起熱處理變形與開裂。對(duì)
于形狀復(fù)雜且易變形開裂的模具可設(shè)計(jì)為組合
式。同時(shí)在選用 3cr2w8v 鋼前先通過真空冶煉
或電渣重熔, 提高鋼的材質(zhì)。王昌龍[1]
等分析了
3cr2w8v 鋼制 p- cu 合金焊料熱擠壓模淬火時(shí)或使用中多次發(fā)生早期開裂的原因, 發(fā)現(xiàn)擠壓模
筒劈裂主要是由于結(jié)構(gòu)因素引起應(yīng)力集中以及模
具內(nèi)孔徑向裂紋,對(duì)此, 可設(shè)計(jì)成內(nèi)外模套結(jié)構(gòu)來
改善之, 熱處理時(shí)還應(yīng)適當(dāng)提高淬火回火溫度,再
則降低加工粗糙度。
2.2 采用合理的熱處理工藝
為預(yù)防 3cr2w8v 鋼制熱作模具失效, 需制
定合理的熱處理工藝, 熱處理工藝應(yīng)視模具具體
的失效形式而定。
2.2.1 3cr2w8v 鋼熱作模具失效形式為熱磨損
這種失效主要是由于模具基體室溫和高溫硬
度低、 屈服強(qiáng)度低, 而磨損抗力、 熱穩(wěn)定性較差造
成的。要提高模具使用壽命, 主要有以下兩種途
徑:①提高常規(guī)處理工藝的淬火溫度。文獻(xiàn)[2]報(bào)
道了 3cr2w8v 鋼制造汽車變速箱主軸齒輪胎模
的情況, 在常規(guī)熱處理后, 模具生產(chǎn)制品的數(shù)量
少, 脆性斷裂嚴(yán)重, 耐磨性差, 常發(fā)生早期失效, 使
模具報(bào)廢。當(dāng)模具采用高溫淬火、回火強(qiáng)韌處理后, 模具壽命顯著提高, 經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。這是
因?yàn)樘岣叽慊饻囟? 可使碳化物溶入奧氏體更充
分, 此外回火時(shí)馬氏體的分解、 晶粒再結(jié)晶長大和
碳化物的析出聚集粗化等過程也都將推遲并減
慢, 因而模具材料具有更高的熱穩(wěn)定性;②采用表
面強(qiáng)化工藝 。表面強(qiáng)化工 藝較多, 如 采 用
3cr2w8v 鋼低溫鹽浴滲氮(qpq)后耐磨性大幅
度提高, 這主要是由于 qpq 處理后模具鋼形成了
高硬度的 ε相 fe2～3n 化合物組織, 因此模具鋼硬
度比基體硬度大幅度提高, 從而大大提高了模具
鋼耐磨性與抗咬合性能。從圖 1 可以看出氮化層
明顯, 深度均勻, 滲層與基體有明顯清晰的界面。
該滲層具有極高的硬度( 900～1130 hv0.1) , 較高
的耐磨性和較好的耐蝕性。
因此, 溫鹽浴滲氮(qpq)處理后, 熱作模具鋼
3cr2w8v 鋼具有組織均勻、結(jié)構(gòu)致密的滲層, 且
具有很高的顯微硬度、 耐磨性以及強(qiáng)抗腐蝕性。
2.2.2 3cr2w8v 鋼熱作模具失效形式為熱疲勞
3cr2w8v 鋼熱作模具在服役過程中在循環(huán)溫
度下工作,并受到機(jī)械腐蝕和化學(xué)腐蝕的作用, 熱
疲勞破壞是其主要失效形式之一。 實(shí)踐表明, 熱疲
勞裂紋常常萌生于模具型腔表面, 因此, 采用適當(dāng)
的表面處理工藝保護(hù)模具鋼表面是提高其熱疲勞

抗力、 延長模具使用壽命的一種有效方法。 劉北興
等[3]
用等離子氣相沉積的方法在 3cr2w8v 鋼表
面形成 tin 等離子氣相沉積層。 結(jié)果表明: tin 沉
積層可以有效地提高鋼的熱疲勞抗力, 且隨沉積
層厚度減薄, 熱疲勞抗力增加; 隨熱循環(huán)上限溫
度升高, tin 沉積層的熱疲勞抗力降低; tin 沉積
層具有很好的熱循環(huán)穩(wěn)定性及抗氧化性。高殿奎
等[4]
運(yùn)用電磁效應(yīng)理論Zui新研究成果, 采用脈沖
放電方法, 對(duì) 3cr2w8v 熱擠壓凸模的熱疲勞裂
紋實(shí)施了止裂試驗(yàn)。止裂后的裂紋變得十分
圓整, 達(dá)到了鈍化止裂的目的。 對(duì)圖 2 所示的顯微
組織分析證明, 止裂處出現(xiàn)了強(qiáng)韌性極高的超細(xì)
化組織, 改善了裂紋處的力學(xué)性能; 止裂也為
熱疲勞裂縫刷鍍修復(fù)創(chuàng)造了理想的先決條件。

3cr2w8v 鋼熱作模具進(jìn)行合理的表面處理
工藝之后, 可提高耐磨性和抗高溫氧化性,而模具
的熱疲勞抗力與耐磨性和抗高溫氧化性密切相
關(guān)[5,6]
, 因而提高了模具的熱疲勞抗力。
2.2.3 3cr2w8v 鋼熱作模具失效形式為熱疲勞
和熱磨損
為預(yù)防 3cr2w8v 鋼同時(shí)發(fā)生熱疲勞和熱磨
損失效, 要求模具既具有較高的抗拉強(qiáng)度、 屈服強(qiáng)
度、 抗回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞等性能, 又要求材料
表面具有較高的耐磨性能。那么對(duì) 3cr2w8v 鋼
可以采取以下兩種方法:①強(qiáng)韌處理。 在材料熱處理工藝中強(qiáng)韌處理主要是高溫淬火加高溫回火,
淬火加熱溫度為 1 150～1 200℃, 回火溫度為
600～650℃。 楊光龍等[7]
將淬火溫度提高到 1 200
± 10℃,并通過 630 ± 10℃的高溫回火兩次,在油中
冷卻后再經(jīng) 160～200℃補(bǔ)充回火, 使Zui終硬度為
43～46 hrc。這是因?yàn)?3cr2w8v 鋼的合金碳化
物溶入奧氏體, 淬火后馬氏體的合金度提高, 增加
了鋼的回火穩(wěn)定性, 提高了模具的高溫強(qiáng)度, 從而
延緩了模具工作部位的堆塌, 推遲了熱疲勞裂紋
的起始時(shí)間。 隨著奧氏體溫度的提高, 板條馬氏體
和殘余奧氏體的量增加。 與片狀馬氏體相比, 板條
馬氏體沒有明顯裂紋, 其韌性優(yōu)于片狀馬氏體。 少
量殘余奧氏體的存在, 可以降低裂紋的應(yīng)力
集中, 阻礙裂紋擴(kuò)展, 從而減少碳化物偏析, 減輕
剩余碳化物對(duì)基體的割裂作用。 高溫回火后, 碳化
物彌散析出, 模具獲得強(qiáng)韌的綜合力學(xué)性能, 提高
了鋼的斷裂韌度值。②激光表面處理。用 5kw
co2 激光器在 3cr2w8v 鋼上進(jìn)行鐵基合金的激
光熔覆處理,可獲得組織微細(xì)、 成分均勻的激光表
面改性層,其相組成為 α ′ 2fe+γ ′ 2fe+m7c3+m23c6+
fe2b ,此激光改性層產(chǎn)生了多種強(qiáng)化效應(yīng)。 當(dāng)然還
有其它的復(fù)合處理方法比如碳氮共滲、高溫淬
火+高溫回火, 或與稀土復(fù)合來改善熱作模具的
熱疲勞和磨損失效, 其發(fā)展前景十分廣闊。
2.3 合理使用模具
2.3.1 模具預(yù)熱
為了使熱毛坯不至于降溫太快, 便于金屬流
動(dòng)和防止模具急熱損壞,模具必須預(yù)熱,預(yù)熱溫度
一般在 300℃左右。
2.3.2 模具潤滑
采用 18%二硫化鉬、 25%石墨、 57%油酸的混
合物有較好的潤滑冷卻效果。使用時(shí)必須涂抹均
勻,其擠壓件質(zhì)量、 效率以及模具的壽命均較高。3 結(jié)論
( 1) 3cr2w8v 鋼熱作模具失效不僅與材料的
強(qiáng)度和硬度等有關(guān), 而且與模具的設(shè)計(jì)及使用有
關(guān)。因此在合理熱處理工藝及表面處理改善模具
材料性能時(shí), 應(yīng)該考慮模具的結(jié)構(gòu), 冷加工質(zhì)量以
及模具的工作條件
( 2) 進(jìn)一步研究更先進(jìn)的熱處理工藝或使用
激光表面改性, 如激光金屬表面納米化, 使材料的
性能得到更大的提高, 從而提高模具的使用壽命。
( 3)模具失效分析與材料摩擦學(xué)、腐蝕學(xué)、材
料強(qiáng)度學(xué)、表面科學(xué)、電子斷口學(xué)等學(xué)科密切相
關(guān)。只有綜合運(yùn)用多學(xué)科的新知識(shí), 不斷提高失效
分析技術(shù), 才能發(fā)現(xiàn)新問題, 認(rèn)識(shí)新規(guī)律, 發(fā)展新
技術(shù), 提高模具的質(zhì)量和水平。