熱處理工藝對(duì)3Cr2W8V熱作模具鋼應(yīng)用影響研究

趙峰 程曉宇 楊亞輝

摘 要：文章對(duì)3Cr2W8V熱作模具鋼所采用的整體熱處理、表面熱處理、化學(xué)熱處理等工藝進(jìn)行深入分析研究，指出合理的熱處理工藝直接影響著3Cr2W8V的力學(xué)性能和使用壽命，同時(shí)對(duì)3Cr2W8V熱作模具鋼的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：熱處理；3Cr2W8V；熱作模具鋼

引言

熱作模具主要是指用于熱變形加工和壓力鑄造的模具，是在再結(jié)晶溫度以下使金屬產(chǎn)生一定塑性變形，或者使高溫的液態(tài)金屬鑄造成型，從而獲得各種所需形狀的零件或精密毛坯的模具。此類模具工作時(shí)強(qiáng)大的壓力和沖擊載荷使坯料金屬在模具型腔內(nèi)流動(dòng)，坯料金屬與型腔表面產(chǎn)生劇烈磨擦，極易使型腔表面磨損；同時(shí)諸多熱作模具要在不斷反復(fù)冷卻條件下工作，由于冷熱交變的結(jié)果，型腔表面在交變應(yīng)力作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋。3Cr2W8V是我國傳統(tǒng)的熱作模具用鋼，使用過程中同樣存在此類問題，且磨損、熱疲勞是該鋼所制模具的主要失效形式。模具熱處理是保證模具性能的重要工藝過程，在模具結(jié)構(gòu)、材料和使用條件不變的情況下，保證熱處理質(zhì)量，采用最佳的熱處理工藝是充分發(fā)揮模具材料潛力、延長模具使用壽命的關(guān)鍵[1]。諸多學(xué)者致力于熱處理工藝對(duì)3Cr2W8V模具鋼性能改善的研究，取得顯著成績。

1 整體熱處理

整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。

1.1 預(yù)備熱處理

退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，或者是使前道工序產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力得以釋放，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。對(duì)于3Cr2W8V模具鋼來說，常規(guī)的退火工藝主要是對(duì)模具鋼鍛后空冷，再進(jìn)行球化退火的。但該工藝難以得到在球狀珠光體基體上有小粒度、分布均勻的碳化物組織，所以常規(guī)球化退火并不是3Cr2W8V鋼理想的預(yù)處理工藝。3Cr2W8V的預(yù)處理工藝選擇等溫球化退火所獲得的球化珠光體組織比常規(guī)球化退火更完全、均勻。隨著等溫溫度的升高，硬度逐漸降低。等溫溫度過高，碳化物聚集而降低了彌散度，形成了分布不均勻、大小不一的碳化物，硬度顯著降低；等溫溫度過低，雖可獲得彌散度很高的細(xì)小碳化物顆粒，但珠光體不能完全球化，殘留細(xì)片狀珠光體，獲得的鋼硬度偏高，不利于機(jī)加工。湖南大學(xué)的唐明華老師對(duì)該模具鋼的退火預(yù)處理工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出1050℃×1h高溫固溶+850℃×0.5h→750℃×0.5h（三次）循環(huán)球化退火，即可細(xì)化鋼中碳化物，又可細(xì)化奧氏體晶粒，是一種可提高強(qiáng)韌性和熱疲勞性能的雙細(xì)化預(yù)處理工藝，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣應(yīng)用[2]。

1.2 最終熱處理

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機(jī)鹽溶液、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行較長時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。多年來對(duì)3Cr2W8V的常規(guī)熱處理方法為：1050～1100℃加熱淬油后經(jīng)560℃×2h回火兩次，按此工藝生產(chǎn)的鋼絲鉗熱鍛模使用壽命較低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要。諸多學(xué)者開始致力于對(duì)該模具鋼進(jìn)行高溫真空淬火、回火的新工藝研究，得出采用1150℃真空加熱淬火+600～620℃多次回火新工藝，可顯著提高3Cr2W8V熱鍛模的硬度、強(qiáng)韌性、耐磨性及抗疲勞性，并防止模具的早期失效。與傳統(tǒng)淬火工藝相比，鋼絲鉗熱鍛模使用壽命提高2～3倍[3]。此外，南京理工大學(xué)的蔣良、顏銀標(biāo)等人也對(duì)該工藝進(jìn)行了深入研究[4]，采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)3Cr2W8V鋼的熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)諸多參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出熱處理工藝參數(shù)中，球化退火等溫溫度、淬火溫度、回火溫度對(duì)3Cr2W8V鋼熱疲勞性能的影響最為顯著，并得出最佳方案為：830℃×2h+730℃×4h球化退火，1150℃×30min淬火，630℃×2h回火2次。同時(shí)得出3Cr2W8V鋼經(jīng)730℃等溫球化退火后在1125～1175℃淬火較為合適。中原工學(xué)院的李強(qiáng)等人針對(duì)3Cr2W8V鋼的使用條件，采用正交試驗(yàn)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)該模具鋼的熱處理工藝。通過硬度、金相組織、熱疲勞性能等試驗(yàn)，分析其熱處理工藝對(duì)組織的影響。應(yīng)用結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化工藝處理的3Cr2W8V鋼熱疲勞性能提高，相應(yīng)模具使用壽命提高1～2倍，達(dá)到了良好的研究效果[5]。

2 表面熱處理

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內(nèi)部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時(shí)或瞬時(shí)達(dá)到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。

激光表面強(qiáng)化是近年來表面工程技術(shù)中一種新興的表面改性技術(shù)，激光表面淬火是激光表面強(qiáng)化領(lǐng)域中最成熟的技術(shù)。它是通過高能激光束掃描工件表面，工件表層材料將吸收的激光輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能通過傳導(dǎo)使周圍材料急速升溫至奧氏體相變點(diǎn)以上、熔點(diǎn)以下的溫度，停止加熱后因材料基體的自冷作用，使被加熱的表層材料以超過馬氏體相變臨界冷卻速度急速冷卻，從而完成相變硬化。激光淬火過程中存在很大的過熱度和過冷度，使得淬硬層的晶粒超細(xì)、位錯(cuò)密度極高且在表層形成壓應(yīng)力，從而提高了工件的耐磨性、抗疲勞、耐腐蝕及抗氧化等性能，延長了工件的使用壽命。在服役過程中，模具的表面需承受磨擦、沖擊及擠壓等各種復(fù)雜應(yīng)力，模具的失效大都由表面開始。在我國，模具鋼因表面磨損而引起的模具精度改變及模具早期失效，占各模具使用量的50%以上，特別是熱作模具鋼。中南大學(xué)的況敏等人采用國外新興的激光處理技術(shù)，優(yōu)化工藝參數(shù)，對(duì)目前最常用的3Cr2W8V模具鋼表面進(jìn)行激光相變淬火硬化[6]。通過對(duì)淬火層顯微組織分析及X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，淬火層橫截面顯微組織為淬火馬氏體及少量殘余奧氏體，并且呈極細(xì)的針狀。對(duì)淬火層進(jìn)行維氏顯微硬度測(cè)試，結(jié)果表明，淬硬層有均勻硬化的特征。通過激光淬火層與普通淬火層磨損失重的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，激光淬火層的耐磨性較普通淬火層的耐磨性提高近一倍。

3 化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是通過改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學(xué)熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學(xué)成分?；瘜W(xué)熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質(zhì)（氣體、液體、固體）中加熱，保溫較長時(shí)間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時(shí)還要進(jìn)行其他熱處理工藝如淬火及回火?；瘜W(xué)熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。

3.1 滲氮共碳

一般來說，滲碳工藝主要針對(duì)的是低碳鋼和低碳合金鋼，這類材料經(jīng)過滲碳處理和淬火、回火，可以得到高硬度且耐磨的表面，強(qiáng)韌的芯部組織，滿足使用要求。近年來人們開始對(duì)含碳量較高的模具鋼采用滲碳工藝，獲得了一定的成果，但對(duì)模具鋼進(jìn)行滲碳處理后，模具表面較易形成網(wǎng)狀碳化物，降低其使用壽命。而對(duì)模具鋼進(jìn)行滲氮處理，會(huì)提高模具鋼的耐磨性、抗疲勞強(qiáng)度和抗咬合性能等，但同時(shí)也增加了表面層的脆性和開裂傾向。為此眾多學(xué)者在研究碳氮共滲的工藝方法，尋求兩者復(fù)合擴(kuò)滲的最佳工藝結(jié)合點(diǎn)。并取得了較好的實(shí)用效果。湖南大學(xué)的張蓉、唐明華等人針對(duì)3Cr2W8V鋼制作的鋁合金壓鑄模進(jìn)行了研究[7]，采用真空亞溫淬火加淺層碳氮共滲復(fù)合熱處理工藝，基本上杜絕了早期脆性斷裂的現(xiàn)象，使用壽命提高1～3倍，同時(shí)，真空亞溫淬火經(jīng)一次回火后即進(jìn)行碳氮共滲處理，第二次回火與碳氮共滲合并為一道工序，既提高了模具質(zhì)量，又相對(duì)降低了能耗，因此，復(fù)合處理工藝是一種節(jié)能高效的復(fù)合強(qiáng)化方法，明顯地提高了模具的各項(xiàng)性能和使用壽命，具有良好的應(yīng)用前景。詳見表1。

3.2 復(fù)合共滲

對(duì)于3Cr2W8V模具鋼來說，眾多表面強(qiáng)化技術(shù)均存在不足之處，但對(duì)3Cr2W8V模具鋼進(jìn)行稀土硼鋁共滲具有高的耐磨性、抗高溫氧化性和抗熱疲勞性能，較低的脆性，越來越引起人們的重視。湖南大學(xué)的唐明華老師選用3Cr2W8V熱作模具鋼，采用稀土硼鋁共滲工藝，并將經(jīng)該工藝處理的3Cr2W8V鋼制作成鋁合金壓鑄模具應(yīng)用于生產(chǎn)，取得了較好的效果[8]。詳細(xì)見表2。鄭州大學(xué)的楊凱軍工程師采用兩段氣體氮碳共滲工藝對(duì)3Cr2W8V鋁合金熱擠壓模具進(jìn)行熱處理，解決了因磨損和開裂所造成的模具早期失效問題。與常規(guī)熱處理相比，使用壽命提高1～2 倍。其原因在于此工藝強(qiáng)化了過渡層對(duì)表面化合物層的支撐能力，同時(shí)心部獲得良好的強(qiáng)韌性配合，值得應(yīng)用推廣[9]。具體見表3。湖南工學(xué)院的劉安民博士對(duì)3Cr2W8V鋼進(jìn)行了稀土離子氮碳共滲處理，其表面硬度、耐磨性、高溫抗氧化性、抗冷熱疲勞強(qiáng)度都有顯著提高，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中，3Cr2W8V鋼制汽車車燈座鋁合金壓鑄模采用大功率脈沖電源進(jìn)行稀土離子氮碳共滲處理效果優(yōu)良，使用壽命可提高3～4倍[10]。QPQ鹽浴復(fù)合處理是一種新的金屬鹽浴表面強(qiáng)化改性技術(shù)，“QPQ”為英文“Quench-Polish-Quench”的縮寫，是鹽浴氮碳共滲和鹽浴氧化-拋光-二次鹽浴氧化工藝的復(fù)合；金屬在兩種不同性質(zhì)的低溫熔融鹽浴中作復(fù)合處理，以使多種元素同時(shí)滲入金屬表面，形成由幾種化合物組成的復(fù)合滲層，使金屬表面得到強(qiáng)化改性，同時(shí)還可以做到全工藝過程無公害，這就是鹽浴復(fù)合處理技術(shù)。東北大學(xué)的付長明、劉常升、沈鳳滿等人將QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)應(yīng)用于3Cr2W8V 鋼，得出當(dāng)鹽浴氧化參數(shù)設(shè)定為氧化溫度380℃、氧化時(shí)間120min時(shí)，QPQ處理得到的試樣的腐蝕電位最高，耐蝕性能最佳[11]。

4 結(jié)束語

3Cr2W8V是常用的熱作模具鋼，有較高的強(qiáng)度和硬度、耐冷熱疲勞性良好，且有較好的淬透性，但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)磨損和冷熱疲勞破壞。國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于該鋼在熱作模具制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，取得了不小的進(jìn)展。只要我們能尋求到最佳的熱處理工藝，就能充分發(fā)揮該材料的潛力，提高熱作模具的使用壽命。這必將提高我國的熱作模具在國際領(lǐng)域的競爭力。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：趙峰（1980-），男，漢族，陜西延安人，碩士，講師，主要從事模具制造和模具零件表面改性研究。