技术

    在制造过程中，有大量零件的毛坯制作采用锻造的方法，如矿用单体支柱的底座、手把体、活塞、顶盖，金属顶梁的四小件、液压支架立柱，及千斤顶的缸底、活塞等均采用模锻制造。怎样提高模具的使用寿命是我们工程技术人员共同关心的问题。
    目前，国内使用的锤锻模材料大多采用5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo 。我们的锻造毛坯大多是中小型锻件，宜采用5Cr Mn Mo 、5Cr Ni Mo 材料制作的模具。根据我们多年的实践经验，锤锻模模具失效的原因，大都集中在以下几个方面: 型腔尺寸磨损和产生纵向裂纹、横向裂纹，以及网状裂纹( 龟裂) ，即所谓热疲劳裂纹。造成这些失效的原因是多方面的，涉及原材料的问题，模具毛坯锻造金属的组织成分，模具毛坯锻造温度的合理选择，模具的几何形状，模具的热处理工艺及质量等多方面。现就以淮北矿业集团机电装备有限责任公司5CrNi Mo 、5Cr Mn Mo 为材质的热锻模为例,根据模具使用条件、性能要求，以及模具制造过程中所采取的热处理工艺等几个方面进行分析说明。
一、锤锻模选材依据
1. 热锻模工作条件 
    热锻模在高温下通过冲击加压、强制金属成形。模具在工作过程中经受巨大的负荷，同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力，被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈的摩擦力，型腔表面金属与高温金属接触，被加热至300 ～400 ℃，局部高达500 ～600 ℃，加上经常受到反复加热和冷却，极易产生热疲劳裂纹。
2. 热锻模性能要求 
    在工作温度下保持高的强度及良好的冲击韧度，良好的抗热烧蚀性( 包括高的热疲劳抗力、抗氧化性和热强性) 和抗热冲刷能力以及高的淬透性、良好的导热性。 
    根据热锻模的工作条件和性能要求，淮北矿业集团机电装备有限责任公司选用5Cr Ni Mo 、5Cr MnMo 为模具材料。5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo的化学成分见表1 。 
           
    5Cr Ni Mo 钢具有高的淬透性和良好的综合力学性能，适宜制造形状复杂、冲击载荷大的大型锻模。5Cr Mn Mo 钢以Mn 代替Ni ，强度虽然没有降低，但高温下的塑性、韧性降低，而且淬透性比5Cr Ni Mo 低、过热敏感性稍大，因此5Cr Mn Mo 适合制造中小型锻模、热压模。
二、模具制造工艺路线 
    热锻模具的制造工艺路线一般为锻造→退火→加工成形→淬火、回火。小型模具因形状简单、硬度高、不易加工，所以先加工或淬火、回火。大中型锻模先粗加工，再淬火、回火及机加工。
1. 毛坯制作( 锻造) 
    5Cr Ni Mo 、5Cr Mn Mo 热作锻模钢的组织和性能与合金调质钢有许多相似之处，属于亚共析钢。为消除轧材组织的方向性，使其尽可能得到均匀的组织和性能，以承受工作中的高应力和冲击，必须通过轧制或锻造，破坏其碳化物骨架，减少碳化物的不均匀性。淮北矿业集团机电装备有限责任公司采用锻造方法进行毛坯制作，毛坯镦粗、拔长交替次数不少于3 次，始锻温度1100 ～1180 ℃，终锻温度850 ～880 ℃，总锻造比不小于10 ，锻造后缓冷，以防产生白点和形成马氏体组织。
2. 退火 
    为便于机加工及改善化学成分的偏析和组织的不均匀性，我们通常采用完全退火进行预先热处理。表2 为淮北矿业集团机电装备有限责任公司完全退火工艺参数。
              
三、最终热处理 
    锻模经上述锻造，小型模具精加工、中大型模具粗加工后，为赋予模具最终的力学性能，要进行淬火和高温回火，使基体组织获得所要求的组织，以保证较高的强度和韧性。 
    由于热锻模具钢淬透性好，可采用油冷，同时我公司在模具制作的过程中，根据模具的结构、模具用于被施锻件的结构、材质，模具所要求的硬度和韧性性能等要求，选择常规淬火热处理、等温淬火热处理和高温淬火热处理三种工艺方法，即采用840 ～860 ℃ 淬火或900 ℃高温淬火及不同的冷却方式，采用同样的回火处理工艺，来获得不同的强塑性配合，以提高模具的使用寿命。
1. 常规淬火热处理工艺 
    以往我们在模具经预先退火处理后，为赋予模具最终的力学性能，使模具达到所要求的性能，常采用图1所示热处理。为减少内应力与变形，锻模自炉内取出后，在空气中预冷至800 ℃，然后油淬，淬火冷却200 ℃左右及时回火。回火目的在于保留较多的残余奥氏体，避免淬火开裂，但由于热锻模蓄热能量很大，当表面温度冷到200 ℃左右出油时，心部温度仍很高，这样心部大量的残余奥氏体在回火时会转变成珠光体或粗大的上贝氏体组织。上贝氏体组织是在铁素体片层间分布有断续碳化物的组织，裂纹扩展阻力小，这种组织难以最大限度地发挥材料强韧性的潜力，模具使用寿命较低，使用过程中常出现早期断裂。
2. 等温淬火热处理工艺 
    锻模经上述锻造、退火、粗加工和精加工后，按照图2 进行等温淬火和回火，使基体组织获得针状马氏体下贝氏体复相组织，可充分发挥下贝氏体的优势。下贝氏体组织是在过饱和铁素体中分布有弥散细小的碳化物，裂纹扩展阻力较大和板条状( 位错型) 马氏体相近似，在塑性良好的情况下具有较高强度，这样在硬度基本相同的情况下，冲击韧度会显著提高，而模具的耐磨性不足，但可采用工作型腔磨损强烈的部分进行轮廓感应淬火方法，以提高模具的使用寿命。
             
3. 高温淬火热处理工艺 
    为进一步提高模具的寿命，提高模具的淬火温度,即对上述常规热处理工艺进行调整，在其他工艺参数不变的条件下，将淬火温度提高至900 ℃ ( 见图3) ，模具的使用寿命提高2. 5 倍。淬火温度的提高虽然使奥氏体晶粒显著粗化，但断裂韧性却提高了70 % ～125 % ，这主要是因为过热淬火改善了模具的断裂韧性。其改变机理主要有以下几个方面： 
                 
    ( 1) 增加了残余奥氏体量，而且残余奥氏体的薄片包围在马氏体片周围。裂纹在通过马氏体而交接到残余奥氏体时便停止下来，因此薄层状奥氏体具有阻碍裂纹扩展的作用。 
    ( 2) 5CrNi Mo 、5CrMnMo 在普通加热时产生大量孪晶型马氏体( 片状马氏体) ，而过热淬火时可产生较多的板条状( 位错型) 马氏体。板条状马氏体具有较高的强度和韧性，裂纹扩展阻力较大使韧性提高，故过热淬火多用于要求强韧化的热处理，以提高模具的使用寿命。 
    ( 3) 碳化物及夹杂物能溶入奥氏体，减少了形成微孔的核心。
四、结语 
    热锻模的使用寿命与模具设计、材料和工艺方法等有着密切的联系，因此在模具制作的过程中，应根据模具使用条件、所要求的力学性能来进行合理的选材，并从工艺上进行控制，特别是热处理的工艺控制尤为重要，只有合理的热处理方法才能够满足热锻模高的耐磨性，在工作温度下保持高的强度及良好的冲击韧度和抗热烧蚀性( 包括高的热疲劳抗力、抗氧化性和热强性)及抗热冲刷能力。 
    上述三种热处理方法处理的热锻模在公司均得到了应用，而等温淬火和高温淬火热处理工艺在提高模具寿命方面获得了良好的效果，取得了较好的经济效益。