热作模具钢SKH9失效的影响因素

热作模具钢SKH9的失效问题是一个复杂的技术难题，可以从材料、设计、制造和使用4个方面来分析。

1．热作模具钢SKH9的化学成分和冶金质量

热作模具钢SKH9属于过共析合金钢类型，组织中存在较多的非金属夹杂物、碳化物偏析、中心疏松及白点等缺陷，这在很大程度上降低了模具钢的强度、韧性及热疲劳抗力。SKH9钢根据质量一般被分为普通SKH9钢和优质SKH9钢。优质SKH9钢由于采用了较先进的生产工艺，钢质纯净，组织均匀，偏析轻微，具有更高的韧性及热疲劳性能。普通SKH9钢则必须进行改锻，以击碎大块非金属夹杂，消除碳化物偏析，细化碳化物，均匀组织。

2．模具设计

设计模具时，应根据成形零件的材料和几何尺寸确定模块的外形尺寸，以保证模具的强度。此外，过小的圆角半径、壁厚差悬殊的扁宽薄壁截面及孔、槽位置不合适等，很容易在模具热处理和使用过程中引起过大的应力集中而萌生裂纹。因此，在模具设计中要尽量避免尖角，孔、槽的位置应合理布置。

3．制造工艺

(1)锻造工艺

SKH9钢中合金元素含量较多，锻造时变形抗力较大，且材料的导热性能较差，共晶温度较低，稍不注意就会过烧。因此，加热时应在800～900℃区间预热，然后再加热至始锻温度1065～1175℃。为击碎大块非金属夹杂，消除碳化物偏析，细化碳化物，均匀组织，锻造时要反复镦粗拔长，总锻比>4。在锻造后的冷却过程中，材料有产生淬火裂纹的倾向，易在心部产生横向裂纹，因此SKH9钢锻后应进行缓慢冷却。

(2)切削加工

切削加工的表面粗糙度对模具热疲劳性能有很大影响，模具型腔表面应获得较低的粗糙度，不能留有刀痕、划伤和毛刺。这些缺陷易引起应力集中，诱发热疲劳裂纹萌生。因此，在加工模具时复杂部位圆角半径过渡处要防止留有刀痕，孔、槽边缘和根部的毛刺要打磨掉。

(3)磨削加工

磨削过程中，局部摩擦生热容易引起烧伤和裂纹等缺陷，并在磨削表面生成残余拉应力，从而导致模具过早失效。磨削热引起的烧伤可以使SKH9模具表面发生回火直至生成回火马氏体，脆性未回火马氏体层会大大降低模具的热疲劳性能。如果磨削表面局部升温达800℃以上，并且冷却不充分时，则表层材料会被重新奥氏体化并淬火成马氏体，因而模具表面层会产生很高的组织应力，同时磨削过程中模具表面温升极快会引起热应力，组织应力和热应力叠加容易使模具产生磨削裂纹。

(4)电火花加工

该加工是现代模具制造过程中不可缺少的精加工手段。火花放电时，局部的瞬时温度高达1000℃以上，使放电处的金属熔化和气化，在电火花加工表面有一被熔化而又重新凝固的金属薄层，其中有许多显微裂纹。在显微镜下这一薄层金属呈白亮色，即白亮层。研究表明，对于高合金化的SKH9钢，电火花加工形成的表面白亮层的显微组织为初生马氏体、残余奥氏体和共晶碳化物，未回火的初生马氏体存在大量显微裂纹。SKH9钢模具在工作中承受载荷时，这些显微裂纹很容易发展为宏观裂纹，导致模具易出现早期断裂和磨损。SKH9钢模具经电火花加工后应重新回火，以消除内应力，但回火温度不要超过电火花加工前的最高回火温度。

(5)热作模具钢SKH9的热处理工艺

合理的热处理工艺可以使模具获得所需要的力学性能，从而提高模具的使用寿命。但是如果因热处理工艺设计或操作不当而产生热处理缺陷，将严重危害模具的承载能力，引起早期失效，缩短工作寿命。热处理缺陷有过热、过烧、脱碳、开裂、淬硬层不均匀和硬度不足等。SKH9钢模具在服役一定时间后，当积累的内应力达到危险的限度时，应对模具进行去应力回火，否则模具在继续服役时将会由于内应力而引起开裂。

4．模具的使用与维护

(1)模具的预热

SKH9钢合金元素含量较高，导热性能较差，因此模具在工作前应充分预热。预热温度过高，模具在使用过程中温度偏高，强度下降，易产生塑性变形，造成模具表面塌陷；预热温度过低，模具开始使用时，瞬间表面温度变化大，热应力大，易萌生裂纹。综合考虑后SKH9钢模具的预热温度确定为250～300℃，这样既可降低模具与锻件的温差以避免模具表面出现过大的热应力，又能有效地减少模具表面的塑性变形。

(2)模具的冷却与润滑 

为减轻模具的热负荷，避免模具温度过高，通常在模具工作的间歇对其进行强制性冷却，由此造成的模具周期性的激热、激冷作用将会产生热疲劳裂纹。因此，模具使用结束后应缓慢冷却，否则将会出现热应力，从而引起模具的开裂失效。SKH9钢模具工作时，可采用石墨含量为12％的水基石墨进行润滑，降低成形力，保证金属在型腔中的正常流动和锻件的顺利脱模；此外，石墨润滑剂还具有散热作用，可以降低SKH9钢模具的工作温度。