5CrMnMo型熱作模具鋼在熱鍛模具中的應(yīng)用及熱處理

宿州市模具熱處理研究中心 （安徽 234000） 趙昌勝

熱鍛模具在工作過程中承受劇烈急冷、急熱循環(huán)，較高的沖擊載荷，復(fù)雜的多向應(yīng)力，以及苛刻的摩擦、磨損。這就要求熱鍛模具具有較高的沖擊韌度和斷裂韌度，高的高溫強(qiáng)度及高溫硬度，高的熱疲勞抗力，以及較高的耐回火性及抗氧化能力等。

為了提高熱鍛模具的使用性能和使用壽命，還要對熱鍛模具鋼進(jìn)行正確的熱處理。

1.熱作模具鋼的性能及在熱鍛模具中的應(yīng)用

高韌性熱作模具鋼淬透性較高，有一定的耐回火性和高溫強(qiáng)度，能在400～500℃抗熱工作，但相對其他熱作模具鋼，耐熱性能較低。這類鋼有高的沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度，屬高韌性鋼，同時還具有好的耐熱性、抗氧化性和加工工藝性，屬低耐熱高韌性熱作模具鋼。錘鍛模具一般選用低耐熱高韌性熱作模具鋼。

常用鋼號有5Cr Mn Mo、5Cr Ni Mo、4CrMnSiMoV、45Cr2NiMoVSi、5Cr2NiMoVSi、3Cr2MoWVNi鋼等，其化學(xué)成分如表1所示。

5CrMnMo鋼是傳統(tǒng)的熱鍛模具鋼，鋼中加入Cr可以提高淬透性、高溫強(qiáng)度和抗氧化能力；加入Mo主要是為了控制回火脆性，提高耐回火性。該鋼適用于制造要求較高強(qiáng)度和高耐磨性的各種類型鍛模（邊長≤400mm）。

5CrNiMo鋼也是傳統(tǒng)熱鍛模具鋼，但具有十分良好的韌性，同時具有良好的強(qiáng)度和高耐磨性，加熱到500～600℃時，與室溫力學(xué)性能幾乎相同，500℃仍能保持300HBW左右的硬度。5CrNiMo鋼具有十分良好的淬透性，多用來制造大中型鍛模。

表1 高韌性熱作模具鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4CrMnSiMoV鋼是近20年來我國在低合金大截面熱作模具鋼領(lǐng)域發(fā)展的鋼種之一。該鋼具有較高的強(qiáng)度、耐磨性、良好的沖擊韌度、淬透性，并有較高的耐回火性，以及良好的高溫強(qiáng)度和耐熱疲勞性能。4CrMnSiMoV鋼的冷、熱加工性能好，適于制造各種類型的錘鍛模和壓力機(jī)鍛模。

45Cr2NiMoVSi鋼是新型熱作模具鋼，與5CrNiMo鋼相比有以下優(yōu)點(diǎn)：淬透性提高，熱穩(wěn)定性溫度提高150～170℃，高溫強(qiáng)度提高64%，既有較高的強(qiáng)韌性，較高抗熱疲勞和熱磨損性，又有優(yōu)良的使用性能。對于500mm×500mm截面的鍛模，其心部硬度較5CrNiMo鋼高出13HRC，使用壽命可提高一倍左右，適合制造各類錘鍛模。

5Cr2NiMoVSi鋼是新研制成功的大截面壓力機(jī)鍛模鋼，性能與45Cr2NiMoVSi基本相同，鋼的熱穩(wěn)定性、熱疲勞性能和沖擊韌度較好，適宜制造大截面的壓力機(jī)模具和錘鍛模等熱作模具。

3Cr2NiMoWV鋼碳含量較低，淬火后最高硬度為52HRC。該鋼具有二次硬化效應(yīng)，經(jīng)600℃回火后，仍能保持較高的硬度（45～50HRC），回火溫度高于600℃后，硬度才會急劇下降。其熱穩(wěn)定性能明顯高于5CrMnMo、5CrNiMo和4CrMnSiMoV鋼。3Cr2NiMoWV是比較理想的熱鍛模材料，用來制造突緣、滑動叉和羊角等機(jī)鍛模具。

2.熱作模具熱處理工藝

（1）預(yù)備熱處理 一般有兩種工藝：①普通退火。熱鍛模具鍛造后，模塊內(nèi)存在較大的內(nèi)應(yīng)力，必須進(jìn)行退火，可采取完全退火或等溫退火。②軟化退火。熱鍛模具因磨損而造成尺寸誤差，需進(jìn)行翻新，為便于加工，模具應(yīng)進(jìn)行軟火處理。5CrMnMo、5CrNiMo鋼軟化溫度為650～680℃，4CrMnSiMoV、5CrMnMoV鋼軟化溫度為720℃。

（2）淬火工藝 為了保證熱鍛模具獲得足夠的強(qiáng)度和韌性，最終熱處理為淬火+中溫回火或高溫回火。

熱鍛模具淬火加熱可在鹽浴爐、箱式爐、可控氣氛爐和真空爐中進(jìn)行。由于熱鍛模尺寸較大，多采用在箱式電爐中加熱，為了防止模具表面氧化和脫碳，需對模具型腔表面及燕尾部分進(jìn)行保護(hù)。將模面向下放在裝有保護(hù)劑（鑄鐵屑和木炭等）的鐵盤中，四周也用保護(hù)劑填滿，上面用黃泥或耐火泥密封，燕尾部分也采用保護(hù)劑及燕尾封蓋加以保護(hù)。為避免燕尾槽在淬火冷卻時開裂，可在圓角處包扎石棉繩，以降低燕尾槽處的冷卻速度。對于大型或形狀復(fù)雜的熱鍛模淬火加熱時需進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為550～600℃。

淬火加熱溫度根據(jù)模具材料而定（見表2）。一般的熱鍛模具鋼都有很高的淬透性，因此鋼的淬火可以采取多種冷卻形式，如油淬、分級淬火或等溫淬火，其中最常用的是油淬。為了減少變形，生產(chǎn)中經(jīng)常在模具出爐后先在空氣中預(yù)冷一下再淬火，油溫一般以30～70℃為宜，出油溫度應(yīng)在150～200℃，模具出油后應(yīng)盡快回火，不允許冷卻到室溫再回火，以防止模具開裂。

近年來的研究表明，熱鍛模具隨著淬火溫度的提高，鋼中的碳化物溶解更充分，使鋼斷裂韌度有所提高，鋼的耐回火性和熱穩(wěn)定性也得到提高；同時，隨著淬火溫度的提高，鋼的組織以板條馬氏體為主，從而提高了鋼的韌性。例如，將5CrMnMo鋼的淬火溫度提高到890℃，并于500℃回火，熱鍛?？色@得板狀馬氏體為主的混合馬氏體，其強(qiáng)度、韌性、塑性，特別是斷裂韌度均保持較高水平。

表2 高韌性熱作模具鋼淬火及回火工藝

（3）熱鍛模具的回火工藝 熱鍛模具淬火后應(yīng)立即進(jìn)行回火，目的是為了降低模具淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使其獲得穩(wěn)定的組織，從而達(dá)到生產(chǎn)所需要的硬度及其他性能要求。其回火溫度根據(jù)模具的要求而定?；鼗鸸に噮?shù)如表2、表3所示。

熱鍛模的回火保溫時間應(yīng)充分，以保證模具心部組織轉(zhuǎn)變充分，否則容易產(chǎn)生開裂。表3為不同規(guī)格的模具在電爐中的回火保溫時間。

表3 熱鍛模在電爐中的回火保溫時間規(guī)程

回火次數(shù)：生產(chǎn)中常采用一次回火。但一次回火后常發(fā)生開裂，主要原因是模具心部因淬火時溫度過高而使部分殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，模具內(nèi)存在較大內(nèi)應(yīng)力，造成模具開裂。第二次回火可使其轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，消除了這種應(yīng)力。第二次回火溫度應(yīng)低于第一次回火，并應(yīng)在第一次回火冷卻至溫室后進(jìn)行。燕尾部分硬度一般要求低于熱鍛模模腔部分，因此應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行回火，其回火方法是在保證模腔達(dá)到硬度要求后，再用專用電阻爐或用鹽浴爐對燕尾部分單獨(dú)回火。也可采用自回火，即將淬火加熱后的鍛模整體淬入油一段時間，依靠本身的熱量使溫度回升，如此反復(fù)3～5次即可，但應(yīng)注意安全，以防油的燃燒。

熱鍛模具有回火脆性，在回火時應(yīng)予以注意，盡量避免在回火脆性區(qū)回火。如5CrNiMo鋼，在300～350℃之間回火時，其沖擊韌度下降。因此，5CrNiMo鋼合適的回火溫度應(yīng)在400℃以上。

3.實(shí)例

（1）提高熱鍛模淬火溫度，延長模具使用壽命 齒輪鍛模，材質(zhì)為5CrNiMo鋼，硬度要求40～42HRC。普通熱處理工藝：860℃×8～10h淬火，預(yù)冷至800℃油冷，冷至150℃后立即進(jìn)行500℃回火，保溫6h后空冷，模具硬度40～42HRC，符合技術(shù)要求。

改進(jìn)后工藝：960℃×8～10h，預(yù)冷至800℃后油冷，冷至150℃立即回火；300℃×2h預(yù)熱＋500℃×6h回火后空冷，模具硬度43～44HRC，硬度略高于技術(shù)要求。

改進(jìn)后的工藝使熱鍛模強(qiáng)韌性得到提高，模具使用壽命顯著提高，1t鍛模原熱處理工藝處理后只能加工800件，新工藝處理后可加工9000件，提高熱鍛模使用壽命10倍多。

（2）采用等溫淬火，模具使用壽命增加 熱鍛模采用等溫淬火工藝，在適當(dāng)溫度下等溫，可獲得下貝氏體組織，模具的沖擊韌度及斷裂韌度會得到提高，而且下貝氏體組織具有較高的強(qiáng)韌性，模具的使用壽命有明顯提高。

5CrNiMo鋼熱鍛模經(jīng)880℃淬火、500℃回火的組織性能與經(jīng)880℃加熱、230℃等溫淬火再經(jīng)500℃回火的組織及性能對比如表4所示。

表4 5CrNiMo鋼模具組織和性能對比

從表4中可以看出，等溫淬火及回火后熱鍛模具的斷裂韌度明顯提高，模具使用壽命有所增加。

（3）5CrMnMo鋼的化學(xué)熱處理 熱鍛模加熱到880℃，碳氮共滲并高溫淬火，淬火區(qū)硬度＞62HRC，再經(jīng)500℃回火后，在保持鋼的耐熱性、耐磨性及一定硬度的前提下，可使熱鍛模的熱疲勞壽命提高22%、KIC提高20%～30%。再經(jīng)540℃×4h氣體氮碳共滲，使之具有抗氧化、抗咬合擦傷能力，較高的耐磨性及良好的減摩性，提高了模具的承載能力、抗擠壓能力及高溫強(qiáng)度，降低了模具型腔塌陷變形傾向，提高了模具使用壽命。與常規(guī)熱處理比較，壽命提高了5～6倍。