鲁达 热作模具特别是锻锤用热成形模具因其承受高温、高负荷、高冲击力、热腐蚀等复杂的服役条件，工作环境非常恶劣，所以热锻用模经常出现磨损、开裂、疲劳、寿命低等缺陷，给锻造工厂带来很大的麻烦和极高的成本。
目前，我公司生产的某连杆用H13锻锤用模具，在31.5kJ程控电液锤上锻造连杆，模具使用至约2000～3000模，模具模腔表面出现掉块、掉皮的情况，掉块尺寸直径约1mm，且分散在不同部位(图1)，由于表层掉块造成的模具失效，大大提高了锻件的制造成本，因此，我公司通过对模具的化学成分、使用情况、模具加工、热处理情况进行分析，找到了产生问题的原因，且制定了相应的解决方案。
图1 失效模具
在锻造过程中，1100～1150℃的工件对模腔表面产生热腐蚀，模具在高冲击的锻造力下受到金属流动产生的摩擦力、冲击力，为了冷却和润滑模具，采用石墨乳等润滑剂对模腔进行冷却，因此，模具反复受到冷却、加热，削弱了模具的疲劳强度。
原材料特性
H13(4Cr5MoSiV1)模具材料化学成分具体如表1所示。
工艺流程
鉴于H13模具材料的特点，锻模加工的工艺流程为：下料→加工模块六面→粗加工仓部→调质处理→加工型腔→离子氮化→表面抛光。
模具硬度
用HR-150A洛氏硬度计在模具表面及模腔部位基体分别进行了硬度检测，检测结果如表2所示。
模具表面呈灰色，模具的基体硬度、氮化层硬度均符合技术要求，未发现任何异常。
表1 H13模具材料化学成分(%)
表2 模具硬度检测结果
金相组织检测
利用德国蔡司金相显微镜对模块的非金属夹杂物、显微组织、模具表面脱碳情况进行了检测，检测结果如下。
非金属夹杂物
模具基体金属夹杂物检测结果，未发现异常情况，符合要求，如图2所示。
图2 金属夹杂物检测(放大倍数100x)
显微组织
H13模具钢经过(1020±20)℃淬火、600℃高温回火后，在500倍显微镜下观察，其显微组织为回火索氏体加少量铁素体，如图3所示。其组织的好坏直接影响模具机械性能及模具寿命。
图3 模具放大倍数500x
表面脱碳检测
对已经调质未氮化的模块基体，进行了表面脱碳检测，检测结果如下：脱碳层深度全脱碳0.3～0.5mm。模具脱碳层较深。
经过检测可以看出：模具基体组织晶粒粗大，表面脱碳属于组织异常，是造成模具表面掉皮、掉块的主要原因，渗氮温度高、淬火温度高造成晶粒粗大，氮化物会沿着晶界伸展，致使表面脆性增加，表皮脱落，耐磨疲劳强度降低。
应对措施
⑴改善热处理工艺。
1)降低模具淬火的加热温度，将淬火温度由原来的1030℃降至1010℃，减少淬火加热保温时间，由原来的30分钟降低为20分钟。2)在淬火炉中加入适量的防氧化剂，防止工件在加热过程中氧化脱碳。3)加快工件在淬火介质中的冷却速度，保证工件在淬火后最大程度的减少铁素体的产生。4)在保证材料中成分奥氏体化的基础上，延缓模具的奥氏体晶粒长大，减少表面脱碳。为进一步的氮化做好准备工作。
⑵改进氮化工艺，将氮化温度由原来的510℃，提高到540℃，降低渗氮氮势。
⑶降低模腔表面粗糙度。
⑷保证模锻用模在使用前充分的预热至180～220℃，合理地喷洒脱模剂，保证喷洒均匀，不至于使模具温度降得太低。
⑸不同类型锻造设备要选用不同的基体硬度及氮化层深度和硬度。
图4 改进后模腔表面
图5 工艺改进后模具显微组织
改善效果
通过调整模具的调质工艺参数、氮化工艺参数，显微组织为回火索氏体，晶粒度在6级以上，模具基体的脱碳层控制在0.05mm。模具使用7000模以后，模腔表面未再发生掉皮、掉块的情况。以上技术措施可以解决此类问题。
结束语
模具的寿命不但取决于模具的服役条件、模具的材质等，很大程度上还取决于金属流线、模具的锻打次数、模具的热处理条件，只有不断优化热处理工艺，使模具的调质处理与模具氮化工艺有机结合起来，才能保证模具的耐磨性、红硬性充分发挥出来，达到预期的使用效果。
—— 来源：《锻造与冲压》2020年第9期