热作模具的强韧化处理

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为了使热作模具获得合理的性能和满意的使用寿命，一方面要重视热作模具加工材料的选择，另一方面还应重视模具热处理工艺的合理性和热处理新工艺的开发。下面简要介绍一些提高热作模具使用寿命的热处理新工艺以及热作模具的热处理实例。
    一、热作模具的高温淬火
    5CrNiM。和5CrMnM。钢按常规工艺加热淬火后，获得片状马氏体和板条马氏体的混合组织。将其淬火温度分别提高到950℃和90090，可获得以板条马氏体为主的淬火组织，并提高钢的淬透性，使模具具有高的强度、塑性和断裂韧度。通过调整回火温度(> 4509C高温回火)，可使钢的冲击韧度亦满足要求。这对于防止热锻模过早脆断、减缓磨损和热疲劳是有益的。
    含有较多钨、铝、铬、钒的热作模具钢，若按常规工艺在100()一1100℃加热淬火，实际上尚有许多合金元素未固溶于基体。过去一般认为提高淬火温度将导致晶粒长大而降低钢的冲击韧度，但实践证明，热冲压、热挤压和压力机锻造时，模具所受的冲击载荷并不很大，远小于锤锻，所以钢的冲击韧度略有下降并不会引起早期断裂。相反，采用高温淬火后，钢的强度、热硬性、热稳定性、。断裂韧度、热疲劳抗力均有明显增加。在很多场合，3Cr2W8V钢的淬火温度由1050℃提高到115090(甚至12009C), 4Cr5MoSiV1钢的淬火温度由1030℃改为1130一1160℃后都可使热作模具的使用寿命得到有效提高。
    二、热作模具的复合热处理
    1.复合强韧化处理(双重淬火法)
    复合强韧化处理是将模具的锻热淬火与最终热处理淬火回火相结合的处理工艺，它是在模具毛坯停锻后用高温淬火及高温回火取代原来的球化退火(预备热处理)，所以又称双重淬火法。经此复合处理后，钢中碳化物细小且分布均匀，基本上消除了常规工艺难以消除的带状碳化物。例如，3Cr2W8V钢经1200℃的锻热固溶淬火(将终锻后的锻件立即返回锻造炉中加热，到温后油淬)后，可使以带状、网状、链状分布的各种合金碳化物充分溶人基体中，一次碳化物的大小可由50 -905m降至8一135m,碳化物级别不大于2级。经720-730℃高温回火后，可获得高度弥散析出的合金碳化物及高强韧性的索氏体组织。最终热处理时可根据模具使用要求而采取常规淬火工艺或高温淬火。3Cr3Mo3W2V, 5Cr4W5Mo2V钢等皆可采用这种复合强韧化处理，对于克服模具早期断裂失效，改善耐热疲劳性等有明显的作用;同时缩短了生产周期，节约了能源。
    2.复合等温处理
    5CrNiMo, 5CrMnMo钢按常规淬火时，为了防止变形开裂，出油温度通常为15020090，仅略低于钢的Ms点，此时注塑加工件的心部仍处于过冷奥氏体状态。在随后及时进行的回火过程中，这样的心部组织有可能转变为上贝氏体组织，使热锻模的韧性变差，使用寿命降低。针对这一问题，采用如图3一所示的复合等温处理可取得明显效果。其方法是将注塑加工件先油淬至150℃左右(或在160一180℃硝盐中分级淬火)之后，再转人280一300℃硝盐中等温3 -5h后空冷。这样处理后模具的表层组织为马氏体与下贝氏体，心部组织为下贝氏体。最后按所需硬度在规定的温度下回火。
    三、热作模具热处理实例
    1. 4Cr5 MoSiVI钢制汽车凸轮轴锻模的热处理
    某载重汽车发动机凸轮轴锻模，尺寸为950mm x 200mm x 160mm，模具型槽的尺寸公差和表面粗糙度等有较高要求，热处理后的硬度要求为37一41 HRC。该锻模在4OMN机械锻压机上使用，锻件材料为45钢，锻造温度为1220一1240度。
    凸轮轴锻模的加工工艺路线为:毛坯*机械加工*热处理叶机械加工叶仿形铣削加工、加工型槽*修磨*检验。用5 CrNiM。钢制的凸轮轴锻模的平均使用寿命一般为8001)件左右，其主要失效形式是磨损。改用4Cr5 MoSiV 1钢制造后，锻模的平均寿命提高到1.1万件，磨损和热疲劳情况比5CrNiMo钢模具有显著改善。模块在大型高温箱式电阻炉中加热，在油中淬火，冷至150一200℃时出油。4Cr5MoSiV1钢制模具在型槽较深时，使用中应特别注意锻前预热，以防止模具早期脆断。
    2. 3Cr2W8V钢制大力钳热锻模的淬火不回火处理
    3Cr2W8V钢模具通常在500-650℃的回火脆性区间回火，因而回火愈充分，韧性愈低，在服役初期往往出现脆性开裂。
    根据试验证明，3Cr2W8V钢淬火态的断裂韧度比回火态的高一倍;淬火态或低于400℃回火后的冲击韧度高于500一650℃回火的冲击韧度。因此，未经回火的模具或较低温度回火的模具反而不易出现早期脆性开裂。例如，用拟60mm的3Cr2W8V钢改锻成的110mm x 110mm x 160mm的大力钳模具，经球化退火和1150℃加热、风冷、580℃回火三次的常规工艺处理后，硬度为45一47HRC，在摩擦压力机上用以压制拟0mm的45钢钳口时，易出现早期脆性开裂。改用1150℃加热、风冷、不回火的工艺处理后，模具硬度为44一45 HRC，平均使用寿命可达1万次以上，最终以磨损报废。
    应当指出的是，未经回火的3Cr2W8V钢的抗磨损性和耐热疲劳性远低于回火的。所以，对抗磨损性能和耐热疲劳性要求高的热锻模，不能不回火。
    3. 3Cr2W8V钢制压铸模的离子渗氮处理
    为提高压铸模的耐蚀性、耐磨性、抗热疲劳性和抗粘附性能，可采用离子渗氮的方法。
    离子渗氮渗层的硬度分布曲线比较平稳，不易产生剥落和热疲劳。但对形状复杂的压铸模，难以获得均匀的加热和均匀的渗层，因此不宜采用离子渗氮的方法。
    离子渗氮前，模具的预处理条件，对渗层质量和模具寿命有极大的影响。3Cr2W8V压铸模在渗氮前的预处理状态，以淬火最好，调质次之，退火的效果最差。
    经淬火或调质的压铸模，在离子渗氮后，可很大地提高脱模性和抗粘模能力。
    离子渗氮温度以450一520℃为宜，经处理6一9h后，渗氮层可达0.2一0. 3mma温度过低，渗层过薄，温度过高，则表层易出现疏松层并降低抗粘模能力。
    离子渗氮的渗层厚度以0.2一0. 3mm为宜。磨损后的离子渗氮模，经修复和再次离子渗氮后，可重新投人使用，从而可极大地提高模具总的使用寿命。