钢质活塞裙锻造模具失效分析及寿命提升措施

2023-02-07王涛徐宝国宋加兵王光明安徽安簧机械股份有限公司

锻造与冲压 2023年1期

关键词：钢质模具钢氮化

文／王涛，徐宝国，宋加兵，王光明·安徽安簧机械股份有限公司

赵中里，冯雅辉·安徽智模新材料科技有限公司

随着西方国家以及国内汽车排放标准的提高，传统压铸铝质活塞已经不能满足对内燃机各项性能指标日益苛刻的要求，而钢质模锻活塞以其高强度、低热膨胀系数、长寿命等优势正逐步替代传统铝质活塞，钢质活塞的市场迎来爆发期。

目前，国内只有少数几家锻造企业可以批量化生产钢质活塞，且大多为手工锻造生产线，生产效率低。高效率的全自动化模锻生产是锻造企业今后的发展方向，要保证全自动模锻生产线顺利运行，长寿命的模具起到至关重要的作用。

活塞裙模具失效分析

失效分析就是探索并解释模具的失效原因，其分析结果可以为正确选择模具材料，合理制定模具制造工艺以及为模具新材料和新工艺的开发提供有指导意义的依据。

模具的失效都是在模具的强度与应力因素和其工作环境最不相适应的情况下发生的，模具失效后，其残骸上会保留与失效相关的信息。活塞裙模具在锻造生产过程中存在两个特殊的高温区域：一是模具型腔与坯料接触时间最长的部位；二是坯料发生剧烈变形的部位。活塞裙模具失效形式及部位见图1。

图1 活塞裙模具失效形式及部位

磨损(粘附磨损、磨粒磨损)

模具与坯料表面在高温、高压下紧密接触，产生强烈的相对摩擦造成模具表面损伤，表现为粘附磨损。坯料高温氧化脱落的氧化皮颗粒起到磨粒作用，夹在坯料和模具型腔表面之间，摩擦模具型腔表面造成模具表面损伤，表现为磨粒磨损。

开裂

开裂失效部位发生在模具型腔的顶杆孔处，此处形状结构变化剧烈造成应力集中诱发产生裂纹，导致开裂。

龟裂

龟裂是指模具在如图2 所示的循环热应力反复作用下产生的热疲劳裂纹和破坏。活塞裙模具在热锻锻造成形过程中，型腔部位与高温坯料接触。锻造成形后，对型腔部位喷洒水基石墨乳冷却润滑，型腔表面受到急冷急热，产生循环反复的拉压应力。

图2 模具表面循环热应力分布

提高活塞裙模具寿命具体措施

改变模具基体材料

模具基体材料是保障模具寿命的基础，根据活塞裙模具的使用工况和使用后的失效形式来选择模具材料。充分考虑到各种元素在钢中的作用，选择综合性能更好的RS8418 模具钢替代公司现在使用的SWQH13 模具钢。钢质活塞裙生产工艺是热锻生产，模具在生产服役过程中直接与温度高达1200℃的坯料接触，这就要求模具材料在高温下具有保持抗热疲劳、抗开裂、抗热磨损、抗塑性变形的能力。选用的牌号RS8418 模具钢中锰和钼的含量明显高于SWQH13，两种模具钢主要元素成分含量见表1。

表1 RS8418 和SWQH13 模具钢主要元素成分含量(wt%)

锰和钼两种有益元素在钢中的作用：锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，它能消除或减弱由于硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能，还能提高钢的淬透性和硬度等；钼在钢中能起到细化晶粒作用，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力。

对模具钢采用纵横锻(变向锻造)和快速冷却、球化退火工艺

采用纵横锻(变向锻造)生产工艺来提高模块自身质量，与普通的一次性镦拔成形相比，此工艺能够增加锻造比，提高模块的致密度和组织均匀性，模块冲击韧性更高。模块纵横锻工艺流程见图3。

图3 纵横锻工艺流程

模具钢锻造后进行喷洒水雾快速冷却，以此来提高模具钢组织均匀性并细化晶粒。采用球化退火工艺可以降低模具钢硬度，改善切削加工性能，消除残余应力，也为后续热处理做准备。

对模具表面进行离子氮化+PVD 镀膜复合强化

对模具表面采用离子氮化+PVD 镀膜复合强化技术处理，具体工艺流程见图4。该工艺主要通过以下几点来提升模具寿命。

图4 离子氮化+PVD 镀膜工艺流程

⑴对模具表面进行喷砂处理，能够清洁表面，改善表面微观形貌，增加和涂层之间的附着力，在模具表面会形成残余压应力。

⑵对模具表面进行磨粒流体抛光处理，能够起到钝化顶杆孔处直角的作用，减小此处的应力集中。

⑶在氮化处理前增加一道深冷处理，目的是为了将经过淬火后的残余奥氏体进行马氏体转变，减少奥氏体残留。马氏体含量的增加会使得材料硬度提高，耐磨性和尺寸稳定性也随之提高。

⑷考虑到涂层的蛋壳效应，在覆涂层之前，对模具表面进行离子氮化处理，目的是提高涂层的抗压溃结合强度。

⑸模具表面涂层是基于多元高熵合金思想制备的高熵合金氮化物，其与模具表面结合力强，抗腐蚀性能优异，抗高温氧化，适合在热锻模具上生产使用。

优化模具热处理工艺

对于活塞裙模具，目前模具基体表面硬度为43 ～45HRC，其硬度较高，韧性较低。通过观察使用后的活塞裙模具，失效主要是因为模具型腔顶杆孔处的开裂。分析认为除了此处应力集中导致开裂，另一个原因是基体硬度较高、模具韧性较低。因此，在保证模具正常使用的前提下，将模具热处理时的回火温度提高15 ～25℃，回火时间延长1h。通过降低基体硬度，调整为40 ～43HRC，进而提高其韧性来延缓开裂造成的模具失效。