分享：轴承套圈坯用热锻模顶柱失效形式及产生原因
胡伟勇1,王 峰1,柯锦宏1,黄 涛1,薛 晶1,梁小燕1,郦 剑2
(1.浙江中集轴承有限公司,新昌 312600;2.浙江大学 材料科学与工程学院,杭州 310027)
摘 要:顶柱(KO)是在高温、高频热锻工况下热锻组合模的关键易损件,其直接承受锻锤的冲 击载荷,约束高温坯料在型腔中的塑性流动,最后顶出套圈成形锻坯。在成形过程中,顶柱表层材 料发生的大压缩应变-恢复、高温加热-水冷却的循环热疲劳、高温加热的回火软化、表面高温氧化 起皮、表面上坯料塑性流动作用,会使顶柱发生早期失效。对顶柱的失效行为和形成机制进行分 析,可为延长热锻模的使用寿命提供理论支持。
关键词:热锻组合模;顶柱;热疲劳;开裂;塌陷;氧化皮
中图分类号:TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)09-0075-04
生产汽车零配件及重要主机配套用精密轴承套 圈锻坯的主要技术路线为:高速锻造→无氧球化退 火→冷辗扩工艺。采用高速锻制造套圈毛坯具有高 效、优质、环保、节能等优点。在高速锻制造套圈毛 坯时,热锻模在高温下持续承受高频率的镦压载荷、 挤压摩擦载荷和热循环冲击载荷,服役条件十分苛 刻,因此,热锻模的质量水平、服役寿命对整个生产 线效率有重要的影响。优质、高效的热锻模可直接 降低锻件的生产成本并增加企业的效益。因此,延 长热锻模寿命始终是热成形技术的研发热点[1-3]。 热锻模采用优质热锻模具钢制作,将热锻模具钢切 削成形后,经真空淬火+回火处理,得到热锻模。热锻模 是由前胎,后胎及顶柱(KO)构成的组合模,其中 KO的 服役工况最为严酷,因此笔者对热锻模 KO的失效形式 和失效机制进行分析,以提高热锻模的使用寿命。
1 KO概况
图1是热锻模的结构及其工作步骤。由图1可 知:KO 结构为一头封闭的带台阶中空圆柱体,在一 定高度上均匀分布着喷水孔,中间为冷却水孔;KO 顶面为下砧面,间接承受着锻锤的冲击载荷,圆柱面 承受着导向孔的滑动摩擦力。
一个完整的热锻成形工艺节拍为:棒料感应加热 到锻造温度→切成适当长度→送料机构输入锻模腔→ 冲头冲锻成套圈毛坯→KO顶出。KO的作用为,在成 形时作为下砧面和后胎、前胎及冲头构成型腔,成形后 KO上升顶出毛坯。工作时,KO 内部始终通有冷却 水,其顶面与坯料接触时,受高温坯料传导加热,脱离 接触时加热中断,导致 KO 顶面材料内层存在变动的 热梯度状态。工艺节拍过快(120件/min),使 KO顶面 与坯料接触时间长,冷却效果受限,因此,KO受到高节 拍、大载荷冲击时,会发生高温回火软化、坯料在顶面 上受迫流动摩擦、大气氧化等损伤作用。 为了适应上述工况,KO 采用进口 Duro-FZ钢 制作,该钢种生产工艺为:真空感应熔炼+电渣重熔 生产,其适用于以高韧性为特点的精密成形热锻模 具,该钢种具有杂质元素含量低、夹杂物和碳化物细 小均匀分布、组织致密、高韧性、高耐磨性等优点。 采用直读光谱仪对 Duro-FZ钢进行化学成分分析, 结果如表1所示。
Duro-FZ钢的热处理工艺为1150 ℃真空淬火 580 ℃高温回火3次,其硬度为55~57HRC,冲击 吸收能量为190J/cm 2。Duro-Fz的淬火+回火显 微组织为细晶粒回火马氏体基体+均匀分布的少量 粒状及短杆状的碳化物+少量残余奥氏体。
2 KO的失效形式
2.1 正常失效
热锻模失效形式包括磨损、开裂、塑性变形和热 龟裂等[4],其中断裂失效约占热锻模失效事故中的 75%,因此热锻模的高温抗压强度是影响其服役寿 命的重要指标。正常失效的 KO 顶面宏观及微观形 貌如图2所示。由图2可知:KO表面外周侵蚀稍浅, 堆叠有薄层氧化皮;最外环表面平整,无氧化皮;整个 侵蚀表面形貌呈中心对称,无宏观滑动磨损迹象;KO 顶面中心部位发生薄层塑性变形、剥脱,存在显微裂纹;KO 顶面边缘部位因与后胎模壁存在摩擦阻力, 受力相对较小,材料损伤较少;中心与边缘过渡区表 面有显微塑性变形和磨损,呈下凹圆环槽。 KO 正常失效形式对应其最理想的正常服役寿 命,KO 正常失效的特点是材料表面热蚀,中心部位 在高温下受力最大、受力时间最长,材料受不均匀侵 蚀最严重,侵蚀深度约为0.4mm,并且伴随有局部塑性变形。
2.2 KO顶面的早期失效
2.2.1 热疲劳龟裂
热锻模表面受高节拍的锻打载荷,坯料受到反 复加热-冷却,其表层承受循环拉伸-压缩应力,晶粒 边界和显微缺陷部位会产生孔洞及微小裂纹,导致 KO 顶面产生热疲劳龟裂现象,其特征形貌如图3 所示。由图3可见:热龟裂发生部位与 KO 冷却水 内腔横截面尺寸相当,裂纹在扩展中呈网状,组织中 存在夹杂物、疏松,并且存在裂纹。
操作时因冷却水压力和流量不足,不能有效地 散发顶面吸收的热量,导致 KO 顶面发生回火软化。 因此,KO 顶面的抗压强度降低、塑性增加,KO 顶 面表层中位错和晶界到晶粒交汇处的滑动受阻,造 成了应力集中并产生裂纹,裂纹相互连接、扩展形成 了龟裂花纹,同时伴有明显的顶面塑性变形塌陷,顶 面发生接触疲劳,形成了热龟裂特征形貌。
2.2.2 顶面塌陷 KO 顶面塌陷
早 期 失 效 具 有 顶 面 塑 性 变 形 范 围更大、更 深、更 明 显,热 疲 劳 点 蚀 剥 脱 特 征 不 明 显,KO 服役寿命更短的特点。KO 顶面塌陷特征 宏观形貌如图4所示,可见除 KO 顶面中心部位有 大范围塑性变形外,其余部位表面光滑,无黏着或 剥脱现象,整个顶面无明显氧化迹象,外环面基本 保持着加 工 表 面 形 貌。发 生 顶 面 塌 陷 的 原 因 为: KO 冷却水内腔的水压、水量不足,导致冷却强度 降低,顶面 发 生 回 火 软 化,使 其 抗 压 强 度、硬 度 迅 速下降;淬火后回火操作不当,使 KO 顶面二次硬 化析出不充分,残余奥氏体转变不完全,显微组织 中残余奥 氏 体 含 量 过 多,导 致 KO 因 高 温 强 度 不 足而发生顶面塌陷。
2.2.3 脆性开裂
KO 顶面脆性开裂特征宏观及微观形貌如图5 所示,可见掉块留下的孔洞边缘呈曲折多边形,边缘 和孔洞底部无塑性变形,孔洞旁的裂纹与轧制方向 垂直。KO 顶面脆性开裂的原因为:钢水在凝固过 程中,冷却速率较慢,KO 顶面中心部位的合金元素 和杂质元素不均匀程度过大,且后续没有进行均匀 化退火或退火扩散时间不足,导致促进晶粒长大的 元素富集在中心部位;终轧温度高于钢材的动态再 结晶温度,变形破碎的细晶粒迅速再结晶长大,其中 富集促进晶粒长大元素部位的晶粒会异常长大,形 成混晶形貌;后期热处理温度一般低于轧制温度,这种混晶组织就无法通过热处理而被矫正,混晶组织 和粗晶粒组织的存在使材料产生应力集中,最终超 过材料的断裂强度而导致其发生穿晶断裂。
2.3 KO柱体塑性变形
KO 柱体塑性变形的原因是:在外力作用下,模 具内部产生的压应力大于其抗压强度,且模具因热 处理不当造成其硬度偏低,导致材料产生塑性变形 并失效。热处理操作不当使材料的回火抗力降低, 进而降低了热锻模的屈服强度,因此,在外载荷和后 胎孔壁表面摩擦力的反复作用下,KO 表面会产生 塑性流变,导致其柱体发生局部塑性变形,直径增 大,并与柱面摩擦而生成菱形花纹(见图6)。
菱形花纹反映了 KO 顶面在吸收坯料的热量 后,热量沿 KO 轴向传递时受喷水冷却干扰而产生 温度场。KO 顶面温度高,下端温度低,在喷水孔几 何位置的影响下,KO 轴向受冷却水影响大,周向受 影响小。KO 轴向冷 却 快、硬 度 损 失 少,周 向 冷 却 慢、硬度损失大,因此形成的塑性变形区具有独特的 菱形花纹。
2.4 KO根部断裂和底面断裂
图7为 KO 根部及底面断裂的宏观形貌。当 KO 根部过渡圆角和退刀槽半径过小时,在受大载 荷冲击下,KO 因应力集中而开裂。KO 图纸的要 求为:倒角半径不小于0.5mm,底面圆平面半径与 中心轴线成5°斜角。图7显示 KO 底面圆平面半径 与中心轴线的斜角小于 5°,不符合 KO 图 纸 的 要 求。在锻造过程中,当冲击应力与 KO 中心轴线发 生偏差时,KO 轴线在径向的调节空间不足,传递到 底面的负荷不均匀,从而降低了KO的抗弯曲及抗偏载能力,导致在使用过程中 KO 发生底面及根部断 裂或弯折断裂。
3 结论
(1)热锻模 KO 的工作载荷大、温度高、节拍 快,服役环境恶劣,其正常失效形式是顶面点状热蚀 剥脱。 (2)KO 的顶面早期失效形式有顶面热疲劳龟 裂、顶面塌陷、顶面脆性断裂,影响因素是材料冶金 质量(如结晶时的成分偏析)、热处理工艺(如淬火温 度偏高、回火不足)和操作规范(如冷却强度不足) 等。 (3)KO 的柱体早期失效形式是磨损,其产生 的原因是热处理后 KO 硬度偏低、冷却强度不足,导 致 KO 回火软化且发生塑性变形,并与后胎孔壁发 生摩擦磨损。 (4)KO 的底面失效形式是断裂,当 KO 底面 斜角过小,锻打载荷发生偏心时,KO 因失去调节空 间而使其底面发生过大弯曲,此时若过渡圆角过小 则在过渡圆角处形成应力集中,导致 KO 底面断裂。
参考文献: [1] 吴晓春,施渊吉.热锻模材料的发展现状与趋势[J]. 模具工业,2015,41(8):1-10. [2] 吴延昭,王华君,王华昌,等.长寿命热锻模的磨损分 析与寿命预测[J].锻压技术,2011,36(2):90-94. [3] 陈建礼,张晓 琨.H13 钢 热 锻 模 开 裂 失 效 原 因 分 析 [J].锻压技术,2019,44(12):109-113. [4] 包卫平.热锻模的典型失效形式及其原因分析[J].锻 造与冲压,2020(5):28,30-32.
