碳結(jié)鋼熱鍛模的熱處理工藝及重復(fù)利用技術(shù)研究

劉紅燕

摘 要：本文在將65Mn鋼和常用合金鋼熱鍛造模材料成分進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上，將65Mn鋼經(jīng)預(yù)先熱處理、重復(fù)淬火回火，達(dá)到重復(fù)利用的目的。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，該方法切實(shí)可行，有效節(jié)約鋼材材料，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：熱鍛造；重復(fù)利用；熱處理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.030

由于熱鍛造模具通常要求其表面要有較高的硬度，而其內(nèi)部組織要有較好的韌性和抗沖擊能力，要有承受高低溫變化的能力，此外還要求具有較好的耐磨性。從被鍛造的工件材料來看，被鍛造的材料通常有合金鋼和碳素結(jié)構(gòu)鋼；而合金鋼的鍛造溫度較普通碳素結(jié)構(gòu)鋼高，鍛打的沖擊力大，對模具材料的沖擊韌性，高溫使用性能要求較高，因此國內(nèi)常用5CrMnMo、5CrNiMo作為合金鋼工件的熱鍛造模具材料。用這類材料制造的熱鍛造模具的使用壽命長，而對于碳素結(jié)構(gòu)鋼的工件可在相對溫度低的條件下鍛造，且鍛造的沖擊力較合金鋼小，對模具材料的表面硬度、耐磨性和抗高溫性的要求相對低些。通過比較兩類被鍛造材料對模具性能方面的要求，我們探索并尋找適合于碳素結(jié)構(gòu)鋼材料的最經(jīng)濟(jì)實(shí)用熱鍛造模具材料，我們試用65Mn彈簧鋼替代5CrMnMo、5CrNiMo制作碳素結(jié)構(gòu)鋼材料的熱鍛造模具，并將65Mn彈簧鋼應(yīng)用于汽車軸管法蘭盤鍛造獲得了成功。通過多年的試驗(yàn)和生產(chǎn)應(yīng)用，我們摸索并總結(jié)出65Mn鋼熱鍛造模具的熱處理工藝及該模具材料重復(fù)利用的方法。現(xiàn)將65Mn鋼熱鍛造模具的熱處理工藝及該模具材料重復(fù)利用的方法簡介如下，以供同行參考：

1 65Mn鋼與常用合金鋼熱鍛造模材料成分對比分析

65Mn鋼劃屬于彈簧鋼類，與常用的熱鍛造模具材料的化學(xué)成份非常迫近，二者的化學(xué)成分對比見下表：

從表中看出，65Mn與5CrMnMo這兩種材料含碳量都是在中碳鋼范圍，它保證了模具有較好的沖擊韌性、耐磨性和導(dǎo)熱性，其它成分中，Si、Mn含量也相當(dāng)接近。

5CrMnMo鋼經(jīng)常規(guī)淬火，并在500℃以上高溫回火后，其抗拉強(qiáng)度為1177～1373N/mm，硬度HRC43～48，沖擊值19.6～29.4j/cm.而65Mn彈簧鋼卻具有較高的彈性極限，抗拉強(qiáng)度也在1177N/mm以上，回火后的硬度HRC48～55，沖擊值為19.6～29.4j/cm。由此看來，65Mn與5CrMnMo這兩種材料的力學(xué)性能也基本相同；其主要區(qū)別是65Mn與5CrMnMo熱鍛造模具鋼中，碳化物形成元素較65Mn材料要多，細(xì)化了晶粒，提高了材料回火的穩(wěn)定性，同時(shí)5CrMnMo材料中含Cr量較高，因此模具材料的淬透性能較65Mn材料要好。

2 65Mn鋼熱鍛造模坯的預(yù)先熱處理

用65Mn鋼經(jīng)鍛造制成熱鍛造模具粗坯，模具在鍛造過程中，應(yīng)當(dāng)上下方向重復(fù)鐓拔2～3次，以消除不正常的纖維組織，鍛造后先緩冷，再空冷，之后再對粗坯在箱式爐中進(jìn)行退火處理，其退火的工藝曲線見圖1。

模具粗坯經(jīng)退火后，能有效消除模具材料內(nèi)部的鍛造應(yīng)力，降低模具芯部硬度，改善了模具的組織結(jié)構(gòu)和切削加工性能，并為最終熱處理提供方便。

3 65Mn材料熱鍛造模具的淬火、回火處理

65Mn材料熱鍛造模具采用中溫鹽浴爐加熱，雙液淬火冷卻，并在箱式電爐回火，經(jīng)處理后，模面硬度大于HRC48，其熱處理工藝曲線見圖2。

3.1 65Mn材料熱鍛造模具淬火加熱溫度及工藝過程

運(yùn)用快速加熱法，先將爐溫升至900℃以上，將烘干的熱鍛造模整體放入鹽浴中，待加熱一段時(shí)間后，將鍛模提出液面，在820℃保溫加熱，保溫后提起整個(gè)鍛模在空氣中預(yù)冷1～2min，讓模具的表面溫度冷至780～800℃時(shí)再進(jìn)行淬火處理。

（1）保溫時(shí)間。通常加熱保溫時(shí)間與模具的高度有關(guān)，通常以淬硬層厚度達(dá)到5～10mm能夠滿足其鍛造性能確定保溫時(shí)間，保溫時(shí)間在2-3小時(shí)較為合適。

（2）冷卻方法。65Mn熱鍛模采用雙液淬火，鍛模出爐后，首先淬入5%的鹽水中冷卻，在冷卻過程中，應(yīng)仔細(xì)觀察水汽和水聲，在顫動(dòng)聲剛好消失后，將熱鍛造模具轉(zhuǎn)入油中冷卻到室溫，對少數(shù)有保留棱角要求的鍛模，在油中適當(dāng)冷卻后，應(yīng)及時(shí)轉(zhuǎn)入箱式回火爐回火，以防止棱角崩角、開裂。

（3）回火參數(shù)?；鼗鸸に噮?shù)決定于回火后的硬度要求及模具的結(jié)構(gòu)變化，因65Mn鋼合金元素量含量較低，熱疲勞性能和紅硬性不及5CrMnMo材料模具鋼高，為此，我們選定在350～370℃回火，回火后快速空冷，回火時(shí)間約2～3h。

回火后的組織為回火屈氏體，有較好的韌性，較高的硬度。對模面進(jìn)行逐個(gè)檢查，硬度在HRC48～55即可使用。

對于模具底座，則可在鹽浴中單獨(dú)進(jìn)行回火，回火溫度在500℃左右，經(jīng)局部回火后，模具底座硬度小于HRC35，回火的參數(shù)應(yīng)根據(jù)模具的受力情況和工作條件確定。

4 65Mn鋼制鍛造模具的重復(fù)利用

65Mn鋼制鍛造模具經(jīng)較長時(shí)間使用后，硬度降低，模面局部磨損，影響鍛件的尺寸和形狀，我們就可以對這種舊鍛模進(jìn)行處理了。具體

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處理辦法是：模具重新退火→重新機(jī)加工模腔→重新淬火、回火。

模具經(jīng)過多次重復(fù)處理加工使用，會(huì)引起晶粒粗大，同時(shí)由于模具表面產(chǎn)生過熱、過燒，模具表面硬度會(huì)降低很多，所以只能重復(fù)利用3～4次。

4.1 重復(fù)退火

退火加熱時(shí)，速度要慢，加熱溫度略低，其退火工藝見圖3。

我們曾對65Mn鋼制鍛造模具重新退火后的組織進(jìn)行金相分析，退火后的組織與淬火前的組織基本相似，但晶粒較退火前有長大。

4.2 重新淬、回火

與模具首次淬回火工藝相同，重新淬火加熱速度不能過高，加熱溫度取下限，820℃左右，避免奧氏體晶粒過快長大，以防止殘余奧氏體量增加，影響鍛造模具的表面硬度。

4.3 應(yīng)用效果及注意的問題

（1）65Mn鋼熱鍛模，可用于鍛造碳素鋼件，使用效果和壽命與5CrMnMo材料模具鋼相當(dāng)接近。

（2）65Mn鋼熱鍛?？芍貜?fù)使用3～4次而不影響使用效果，在新模制作時(shí)，應(yīng)在模具高度上留有適當(dāng)?shù)亩啻渭庸び嗔俊?/p>

（3）重復(fù)利用的舊模進(jìn)行多次加工時(shí)，應(yīng)保證舊模具加工后模具表面無脫酸層存在。

（4）重復(fù)利用的模具在再次使用過程中，應(yīng)加強(qiáng)冷卻，給模腔適當(dāng)涂擦潤滑油，防止模具的早期損壞。

（5）采用65Mn鋼熱鍛模，代替其它熱作模具鋼模鍛，可節(jié)約鋼材、降低成本。

（6）65Mn鋼熱鍛造模具結(jié)構(gòu)簡單，因此應(yīng)用這種模具的材料來源廣，價(jià)格低，減少了鍛件的加工成本；可連續(xù)鍛造工件200h以上。在重復(fù)利用的過程中，使用性能變化不大，可廣泛應(yīng)用于沖擊力小、鍛造溫度要求不高的碳素結(jié)構(gòu)鋼材料。

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課題：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目成果“熱鍛造模具壽命的影響因素及提升措施研究”編號：16C0257