技術

    在制造過程中，有大量零件的毛坯制作采用鍛造的方法，如礦用單體支柱的底座、手把體、活塞、頂蓋，金屬頂梁的四小件、液壓支架立柱，及千斤頂?shù)母椎?、活塞等均采用模鍛制造。怎樣提高模具的使用壽命是我們工程技術人員共同關心的問題。
    目前，國內使用的錘鍛模材料大多采用5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo 。我們的鍛造毛坯大多是中小型鍛件，宜采用5Cr Mn Mo 、5Cr Ni Mo 材料制作的模具。根據(jù)我們多年的實踐經驗，錘鍛模模具失效的原因，大都集中在以下幾個方面: 型腔尺寸磨損和產生縱向裂紋、橫向裂紋，以及網(wǎng)狀裂紋( 龜裂) ，即所謂熱疲勞裂紋。造成這些失效的原因是多方面的，涉及原材料的問題，模具毛坯鍛造金屬的組織成分，模具毛坯鍛造溫度的合理選擇，模具的幾何形狀，模具的熱處理工藝及質量等多方面?，F(xiàn)就以淮北礦業(yè)集團機電裝備有限責任公司5CrNi Mo 、5Cr Mn Mo 為材質的熱鍛模為例,根據(jù)模具使用條件、性能要求，以及模具制造過程中所采取的熱處理工藝等幾個方面進行分析說明。
一、錘鍛模選材依據(jù)
1. 熱鍛模工作條件 
    熱鍛模在高溫下通過沖擊加壓、強制金屬成形。模具在工作過程中經受巨大的負荷，同時經受壓應力、拉應力和附加彎曲應力，被鍛金屬在模具型腔內流動又產生強烈的摩擦力，型腔表面金屬與高溫金屬接觸，被加熱至300 ～400 ℃，局部高達500 ～600 ℃，加上經常受到反復加熱和冷卻，極易產生熱疲勞裂紋。
2. 熱鍛模性能要求 
    在工作溫度下保持高的強度及良好的沖擊韌度，良好的抗熱燒蝕性( 包括高的熱疲勞抗力、抗氧化性和熱強性) 和抗熱沖刷能力以及高的淬透性、良好的導熱性。 
    根據(jù)熱鍛模的工作條件和性能要求，淮北礦業(yè)集團機電裝備有限責任公司選用5Cr Ni Mo 、5Cr MnMo 為模具材料。5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo的化學成分見表1 。 
           
    5Cr Ni Mo 鋼具有高的淬透性和良好的綜合力學性能，適宜制造形狀復雜、沖擊載荷大的大型鍛模。5Cr Mn Mo 鋼以Mn 代替Ni ，強度雖然沒有降低，但高溫下的塑性、韌性降低，而且淬透性比5Cr Ni Mo 低、過熱敏感性稍大，因此5Cr Mn Mo 適合制造中小型鍛模、熱壓模。
二、模具制造工藝路線 
    熱鍛模具的制造工藝路線一般為鍛造→退火→加工成形→淬火、回火。小型模具因形狀簡單、硬度高、不易加工，所以先加工或淬火、回火。大中型鍛模先粗加工，再淬火、回火及機加工。
1. 毛坯制作( 鍛造) 
    5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo 熱作鍛模鋼的組織和性能與合金調質鋼有許多相似之處，屬于亞共析鋼。為消除軋材組織的方向性，使其盡可能得到均勻的組織和性能，以承受工作中的高應力和沖擊，必須通過軋制或鍛造，破壞其碳化物骨架，減少碳化物的不均勻性?；幢钡V業(yè)集團機電裝備有限責任公司采用鍛造方法進行毛坯制作，毛坯鐓粗、拔長交替次數(shù)不少于3 次，始鍛溫度1100 ～1180 ℃，終鍛溫度850 ～880 ℃，總鍛造比不小于10 ，鍛造后緩冷，以防產生白點和形成馬氏體組織。
2. 退火 
    為便于機加工及改善化學成分的偏析和組織的不均勻性，我們通常采用完全退火進行預先熱處理。表2 為淮北礦業(yè)集團機電裝備有限責任公司完全退火工藝參數(shù)。
              
三、最終熱處理 
    鍛模經上述鍛造，小型模具精加工、中大型模具粗加工后，為賦予模具最終的力學性能，要進行淬火和高溫回火，使基體組織獲得所要求的組織，以保證較高的強度和韌性。 
    由于熱鍛模具鋼淬透性好，可采用油冷，同時我公司在模具制作的過程中，根據(jù)模具的結構、模具用于被施鍛件的結構、材質，模具所要求的硬度和韌性性能等要求，選擇常規(guī)淬火熱處理、等溫淬火熱處理和高溫淬火熱處理三種工藝方法，即采用840 ～860 ℃ 淬火或900 ℃高溫淬火及不同的冷卻方式，采用同樣的回火處理工藝，來獲得不同的強塑性配合，以提高模具的使用壽命。
1. 常規(guī)淬火熱處理工藝 
    以往我們在模具經預先退火處理后，為賦予模具最終的力學性能，使模具達到所要求的性能，常采用圖1所示熱處理。為減少內應力與變形，鍛模自爐內取出后，在空氣中預冷至800 ℃，然后油淬，淬火冷卻200 ℃左右及時回火?；鼗鹉康脑谟诒Ａ糨^多的殘余奧氏體，避免淬火開裂，但由于熱鍛模蓄熱能量很大，當表面溫度冷到200 ℃左右出油時，心部溫度仍很高，這樣心部大量的殘余奧氏體在回火時會轉變成珠光體或粗大的上貝氏體組織。上貝氏體組織是在鐵素體片層間分布有斷續(xù)碳化物的組織，裂紋擴展阻力小，這種組織難以最大限度地發(fā)揮材料強韌性的潛力，模具使用壽命較低，使用過程中常出現(xiàn)早期斷裂。
2. 等溫淬火熱處理工藝 
    鍛模經上述鍛造、退火、粗加工和精加工后，按照圖2 進行等溫淬火和回火，使基體組織獲得針狀馬氏體下貝氏體復相組織，可充分發(fā)揮下貝氏體的優(yōu)勢。下貝氏體組織是在過飽和鐵素體中分布有彌散細小的碳化物，裂紋擴展阻力較大和板條狀( 位錯型) 馬氏體相近似，在塑性良好的情況下具有較高強度，這樣在硬度基本相同的情況下，沖擊韌度會顯著提高，而模具的耐磨性不足，但可采用工作型腔磨損強烈的部分進行輪廓感應淬火方法，以提高模具的使用壽命。
             
3. 高溫淬火熱處理工藝 
    為進一步提高模具的壽命，提高模具的淬火溫度,即對上述常規(guī)熱處理工藝進行調整，在其他工藝參數(shù)不變的條件下，將淬火溫度提高至900 ℃ ( 見圖3) ，模具的使用壽命提高2. 5 倍。淬火溫度的提高雖然使奧氏體晶粒顯著粗化，但斷裂韌性卻提高了70 % ～125 % ，這主要是因為過熱淬火改善了模具的斷裂韌性。其改變機理主要有以下幾個方面： 
                 
    ( 1) 增加了殘余奧氏體量，而且殘余奧氏體的薄片包圍在馬氏體片周圍。裂紋在通過馬氏體而交接到殘余奧氏體時便停止下來，因此薄層狀奧氏體具有阻礙裂紋擴展的作用。 
    ( 2) 5CrNi Mo 、5CrMnMo 在普通加熱時產生大量孿晶型馬氏體( 片狀馬氏體) ，而過熱淬火時可產生較多的板條狀( 位錯型) 馬氏體。板條狀馬氏體具有較高的強度和韌性，裂紋擴展阻力較大使韌性提高，故過熱淬火多用于要求強韌化的熱處理，以提高模具的使用壽命。 
    ( 3) 碳化物及夾雜物能溶入奧氏體，減少了形成微孔的核心。
四、結語 
    熱鍛模的使用壽命與模具設計、材料和工藝方法等有著密切的聯(lián)系，因此在模具制作的過程中，應根據(jù)模具使用條件、所要求的力學性能來進行合理的選材，并從工藝上進行控制，特別是熱處理的工藝控制尤為重要，只有合理的熱處理方法才能夠滿足熱鍛模高的耐磨性，在工作溫度下保持高的強度及良好的沖擊韌度和抗熱燒蝕性( 包括高的熱疲勞抗力、抗氧化性和熱強性)及抗熱沖刷能力。 
    上述三種熱處理方法處理的熱鍛模在公司均得到了應用，而等溫淬火和高溫淬火熱處理工藝在提高模具壽命方面獲得了良好的效果，取得了較好的經濟效益。