热锻模具钢5CrMnMo热处理工艺的改进

热锻模具钢5CrMnMo热处理工艺的改进

作者：田金状

来源：《科技创新导报》2011年第03期

摘要:5CrMnMo钢因其具备良好的抗热烧蚀性、导热性、淬透性以及冲击韧性等特性较多地运用于锻模的制作中,然而,反复的加热、冷却和压力的作用大大缩短了其使用寿命,使锻件的质量和生产效率都受到了影响。本文介绍了通过改进5CrMnMo热处理工艺延长其使用寿命的措施及试验效果,试验证明,工艺改进后模具的使用寿命达到原来的4倍以上,具有较高的应用和推广价值。

关键词:5CrMnMo热锻模热处理工艺改进

中图分类号:TG76 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)01(c)-0060-01

1 5CrMnMo模具的常规工艺及其失效原因分析

作为目前国内较为流行的锻模材料,5CrMnMo具有良好的抗热烧蚀性、导热性、淬透性以及冲击韧性,但由其制成的模具长期在高压、高应力以及反复急速加热与冷却等恶劣条件下工作,极易产生疲劳裂纹或变形塌陷,平均寿命只有2000件左右,不利于锻件生产质量和效率的提高。

1.1 5CrMnMo模具热处理的常规工艺

模具加工的一般工序如下:下料→锻造→退火→机加工→探伤→机加工成形→打磨型腔→热处理→打磨抛光型腔→探伤→检验。在5CrMnMo热锻模具的加工中,由于毛坯锻造后晶粒较粗大,组织不均匀,机加工困难。因此通常会采用进行预先热处理以改善化学成分的偏析程度和组织的不均匀性,以消除毛坯锻造后的内应力。加热到淬火温度后,保持一定时间,放入油中冷却,淬火冷却至200℃左右及时回火,共进行四次回火。可参考的工艺参数为:600℃～650℃×(4～5) h,830℃～850℃×(5～6) h,480℃～500℃×6h回火。在这种常规工艺处理过程中,当表面冷至200℃出油时,心部温度仍较高,于是心部大量残余的奥氏体回火时会转变为珠光体或粗大的强度较低的上贝氏体,形成的模具强韧性下降,裂纹扩展阻力较小,寿命普遍不高,使用中常有早期脆断或热疲劳裂纹出现。

1.2 5CrMnMo模具的工作条件及失效原因分析

1.2.1 高温条件

45Cr钢锻件胚料在预锻及终锻过程中,模具型腔表面都要在2～4s内被加热至600℃以上,当型腔预热至150℃左右时,型腔表面温度一般在700℃以上,一旦工作温度超出淬火后的回火温度,就会引起模具的急剧软化,使模具强度和硬度大幅度降低,并产生加速其磨损失效的微裂纹。

1.2.2 急剧冷却

操作中为降低模具温度常采用水冷等强制冷却,由于受到急剧的冷热交替作用,当温度超过相变点时,模具会产生拉伸与压缩交变的应力,在应力超出模具的屈服强度时,即可能出现塑性变形,从而生成裂纹。

1.2.3 压力作用

由于胚料需要在高温下通过冲击模具加压强制成形,模具在工作中也必须同时承受压应力、拉应力和附加弯曲应力等巨大负荷,型腔表面与高温金属接触产生了强烈的摩擦力,高温和高压的共同作用很大程度上缩短了模具的使用寿命。

2 模具热处理的工艺改进

从上述分析可以看出,想延长5CrMnMo模具的使用寿命,必须做到:提高表面硬度,以提高型腔的耐磨性;提高淬透性,即增加硬化层的厚度,以提高型腔的抗塌陷(塑性变形)能力;提高奥氏体化温度,以提高淬透性、红硬性、热稳定性及冷热疲劳抗力。

2.1 改进措施

2.1.1 淬火温度的提高

为减少奥氏体中碳化物的含量和偏析程度,可利用提高淬火温度的方法将碳化物分布得更加均匀并充分溶解,提高其Ms点,从而在淬火时可得到更多的板条马氏体,尽可能地增加模具的强韧性。在试验中,将原工艺温度的840℃提高到了900℃,这一温度还有助于更多的Cr、Mn等合金元素溶入奥氏体中,并有利于模具淬透性的增加。

2.1.2 淬火油冷时间的控制

淬火油冷时间的控制不当常导致在热处理过程中出现裂纹,为获得M/B下的复相组织,提高模具使用寿命,必须严格控制5CrMnMo模具的淬火油冷时间。试验中采用体积法经验公式

t=αV/S计算油冷时间,其中t为锻模淬火油冷时间,单位min,α=1.2～1.3min/mm,V为锻模体积,单位为mm3,S为锻模表面积,单位为mm2。

2.1.3 适当提高第一次回火温度,延长保温时间

为保证模具内部组织的温度,尽可能减少影响其使用寿命的裂缝的产生,热处理中可适当提高第一次回火温度。当模具淬火后从油中取出时,其表面温度在200℃左右,而心部温度约400℃左右,若装入180℃的回火炉,其心部将继续进行马氏体转变,受到已完成马氏体转变的表面的阻碍,容易产生拉应力而造成淬火裂纹。若装入490℃回火炉,模具心部将形成强度和韧性很差的上贝氏体组织,导致模具性能变差。而改进后的工艺是将模具淬火至Ms点(220℃)左右,再在280℃

的回火炉中等温8h,使模具心部转变为下贝氏体组织,从而获得板条马氏体与下贝氏体的复合组织,使模具得到更好的强韧性、热疲劳性的配合,从而使热锻模的寿命大大提高。

2.2 试验结果

上述工艺改进试验主要是针对淬火与回火过程进行了工艺改良,通过以上方式的处理,可得到强度更高的M/B下的复相组织,模具热处理后表面硬度为48HRC～50HRC,心部硬度为40～43HRC,金相组织为:细针状马氏体/下贝氏体+少量残留奥氏体,心部组织为低碳马氏体+小块状铁素体。改进后的5CrMnMo钢模具延长了热疲劳裂纹产生前的孕育期,提高了型腔的耐磨性、抗疲劳能力以及塑性变形抗力,平均寿命达到9000多件,是改进前的4倍以上。

3 结语

5CrMnMo钢模具的热处理改进试验结果证明,在淬火与回火过程中进行工艺改良,合理提高淬火温度与第一次回火的温度及适当延长保温时间,控制好淬火油冷时间等措施都可以令模具的强韧度增加,使用寿命延长。然而,在使用过程中模具的磨损是不可避免的,任何一种热锻模具钢也都不可能既有最高的热强性和耐磨性,同时又具有最高的断裂抗力及抗疲劳能力,除通过改进热处理方法等措施提高其整体性能之外,操作人员在平时的使用中也应注重安装、使用、维护等方面的问题,尽可能使危害其使用寿命的因素减至最低,保证锻件的质量和生产效率。

参考文献

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