ｌ蚕蒌量重 ．垫处＿里．． … 一囊警导薯一算簿簿ｌ嚣 菇｝誊瓣５ Ｃ ｒＭ ｎ Ｍｏ钢热锻模热处理工艺 株洲南方航空工业有限公司 （湖南４１２００２） 潘明 【摘要】 锻模工艺中模具使用寿命的高低是影响锻件质量、生产效率和锻件成本的主要因素。热锻模 材质的好坏和热处理是否恰当是决定热锻模使用寿命的关键。根据热锻模具的形状、大小确定模具的热处理 工艺，选用不同热处理加热设备，采用不同的防止氧化、脱碳保护措施，可以保证模具的热处理质量，使模 具具有满足使用要求的力学性能，同时能够方便热处理工人的操作，减轻工人的劳动强度，节约电能，提高 热处理生产效率。 锻模工艺中，模具使用寿命的高低是影响锻件质 量、生产效率和锻件成本的主要因素。６０％的模具早期 失效是由于模具材料和热处理因素造成的。热锻模在高 温、高压、高应力和反复加热与冷却的恶劣环境下工 作，模具型面与约１０００％的高温金属坯料直接接触，型 面表面温度急剧升高受热膨胀，受内层金属阻碍无法自 由膨胀，使表层受到较大的压应力，工件脱模后型腔又 若应力峰值超过模具的屈服强度时，模具型腔就会出现 塑性变形，产生热疲劳裂纹。恰当的热处理可以提高锻 模的抗热疲劳性能，延长锻模的使用寿命。 二、５ＣｒＭｎＭｏ钢热锻模热处理工艺 我们工模具公司５ＣｒＭｎＭｏ钢热锻模主要有三种： 圆锻模、锤锻模和半边模。由于这ｊ种模具的外形、大 小、工作负荷的差别，它们的热处理工艺和设备都有所 不同。现在分别对这 种５ＣｒＭｎＭｏ钢热锻模的热处理 工艺进行说明。 需要快速冷却，使型腔表面的温度快速降低。在这种急 热急冷的工作条件下，模具很容易发生开裂、模腔变 形、塌陷而造成报废。因此热锻模材质的好坏和热处理 是否恰当是决定热锻模使用寿命的关键：当然，模具的 １．半边模的热处理 半边模外形比较小（如图ｌ所示），硬度要求相对 较高，一般为４５～５０ＨＲＣ或２．８～３．０ＨＢｄ（４４～ 使用寿命还与模具使用是否恰当，操作是否规范有非常 大的关系。 一４９ＨＲＣ）。淬火热处理可以采用箱式电阻炉进行加热， 也可以用盐浴炉进行加热。半边模用盐浴炉进行热处理 时，工艺更为简单。模具放人盐浴炉中进行加热，热处 理Ｔ艺参数为：８５０～８６０￣Ｃ，保温２７～３０ｒａｉｎ，模具出 炉后预冷至７８０％左右，然后用淬火油进行冷却。淬火 、工作条件分析 热锻模在高温下通过冲击加压，强制金属成型，模 具在Ｔ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产生 强烈的摩擦力，型腔表面与高温金属接触，大量热量传 到型腔表面，模具型腔表面温度达到６００￣Ｃ以上。为了 后立即放进箱式电阻炉中进行回火，４４０￣Ｃ，保温约２ｈ。 如果用箱式电阻炉进行加热，则需要将模具装进保护箱 避免模具型腔表面因温度过高而降低表面硬度和强度， 引起微裂纹的产生并加快模具型腔表面的磨损，前一件 锻件锻压成形后，需要对型腔表面进行强制冷却，所以 模具型腔表面在工作过程中受到了急剧的冷热交替作 用，在模具型腔表面产生压缩与拉伸交变作用的应力， 里并往保护箱里放木炭进行保护，防止模具表面发生氧 化和脱碳。模具的加热时间比较长，８５０～８６０￣Ｃ需要保 温３ｈ左右。 目前，在实际生产中半边模一般多在盐浴炉中进行 热处理加热。 蛋２０１１年第５期热处 锻 铸造 ＷＷＷ ｒｎｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ ７９５０ ｃｏｍ 磊加工。热加工 图ｌ半边模 ２．圆锻模的热处理 圆锻模外形为圆柱彤，较小的圆锻模硬度要求为 ２．８～３．０ＨＢｄ（４４～４９ＨＲＣ），较大的网锻模硬度要求 一般为２．９—３．１ＨＢｄ（４１～４７ＨＲＣ）。相对于半边模而 言，圆锻模的体积大得多，因此只能在箱式电阻炉中进 行加热。 下面以某下模为例，讲述圆锻模的热处理Ｔ艺。 某下模（见网２），外形尺寸（４，３００ｒａｍ Ｘ １７２ｉｎｍ） 硬度要求为２．９～３．１ＨＢｄ（４１～４７ＨＲＣ）。其热处理工 艺如图３所示。 图２网锻模 图３ 圆锻模热处理工艺曲线 （１）淬火Ｈ～７５箱式电阻炉，木炭装箱保护，随 炉加热到６００￣Ｃ保温一段时间，再升温至８６０～８８０￣Ｃ保 温４～４．５ｈ，然后出炉，吊出保护箱，在空气中预冷至 模具表面温度７４０￣Ｃ左右再吊入淬火油中冷却。 撇。 ～｛＿。；垫 里 蟹圜 （２）回火箱式电阻炉，加热至２８０￣Ｃ保温一段时 间，再升温至４８０￣Ｃ保温３．５～４ｈ，空冷至室温。检测 硬度后，根据所检测的硬度值确定回火温度，再回一次 火，第二次回火不需要在２８０￣Ｃ保温。 ３．锤锻模的热处理 锤锻模外形为带燕尾的四方形（见图４），较小的 锤锻模硬度要求为４４～４９ＨＲＣ，较大的锤锻模硬度要求 为４１～４７ｔｔＲＣ，燕尾部分硬度要求３．４～３．７ＨＢｄ（２８～ ３５ＨＲＣ）。相比而言，锤锻模的体积最大，一般在箱式 球底炉中进行加热，锤锻模的热处理比其他两种更加 复杂。 下面以某下模为例，讲述锤锻模的热处理工艺。 某下模，外形尺寸６３０ｍｍ Ｘ ５００ｒａｍ Ｘ ３１５ｍｍ，硬度 要求为２．９～３．１ＨＢｄ（４１～４７ＨＲＣ），燕尾部分硬度要 求３．４—３．７ＨＢｄ（２８～３５ＨＲＣ）。 图４锤锻模 装炉选取高为８０～１００ｍｍ的铁盘，盘底铺上一定厚 度的木炭，模具型面朝下放在盘内，模具剩下５个面用 石棉纸盖住，四周填满木炭，对于表面要求不高的锤锻 模，可以不盖石棉板，如图５所示。锤锻模热处理＿丁艺 如图６所示。 图５锤锻模装炉 （１）淬火采用ＨＶＳ一１００箱式球底电炉，随炉加 热到６００￣Ｃ保温一段时间，再升温至８８０￣Ｃ保温５～ 参磊 工。热加工 热处 锻 锌造２０¨年第５期■暨 ＷＷＷ ｍｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ Ｉ９５０ ｃｏｒｎ 圜（２）回火。 垫．＿处里． … 加生产成本。木炭放得太少，保护箱外的空气会进入保 护箱，造成模具表面脱碳，严重时还会出现表面氧化现 ５．５ｈ，然后出炉，在空气中预冷至模具表面温度７４０％ 左右，再吊入淬火油中冷却。 箱式电阻炉，加热至２８０％保温一段时 象，使模具淬火后表面硬度低于模具次表层（即模具表 层下面未脱碳部分）的硬度，影响模具硬度检查的准确 性。如果模具型腔表面的氧化、脱碳层不能在后续的机 加工序中被加工掉，模具型面容易磨损变形，严重影响 间，再升温至４８０ｏＣ保温５～６ｈ，空冷至室温 （３）燕尾退火 燕尾朝下放在局部退火炉上， ７００％保温一段时问，然后随炉降温至６４０％保温一段时 间，随炉冷却或空冷。 模具的使用寿命。 圆锻模体积较大，当模具表面温度冷至２００％左右 图６锤锻模热处理丁艺曲线 三、５ＣｒＭｎＭｏ钢热锻模热处理工艺分析 １．半边模 半边模外形较小，工作时所受的负荷较小，因此， 对半边模的冲击韧度要求不是很高，硬度也可稍微高一 点，为２．８～３．０ＨＢｄ（４４～４９ＨＲＣ），这样可以减少模 具型面的磨损，延长模具的使用寿命；另外，南于半边 模外形较小，当模具表面温度冷至２００％左右后，心部 组织已基本上由奥氏体完全转变为马氏体和少量下贝氏 体，因此模具旧火时不需要在２８０％进行保温。 半边模出炉后，只要在空气中稍微地预冷至７８０％ 左右，目的是减小油冷时模具的边角、尖角和突出部分 的淬火应力。 ２．圆锻模 圆锻模的大小介于半边模和锤锻模之间，可以采取 装箱保护的方法。装箱保护是将模具放进用不锈钢制作 的保护箱中，然后往保护箱中放适量的木炭，并用石棉 纸盖在保护箱口上，盖上保护箱盖。在电炉中进行加热 的时候，保护箱中的木炭燃烧，将保护箱中的氧气消耗 掉，并在保护箱中形成一个相对封闭的保护气氛，从而 达到保护锻模表面不出现氧化、脱碳现象。木炭的放入 量要适当，放得太多，模具表面还会出现渗碳现象，使 模具表面的含碳量升高，使模具淬火后表面硬度稍高于 模具次表层（即模具表层下面未渗碳部分）的硬度，影 响模具硬度检查的准确性，而且会造成木炭的浪费，增 ■２０１１年第５期热处 锻 铸造 ＷＷＷ ｍｅｔａ１ｗｏｒｋｉｎｇ ７９５０ ｃｏｍ 参磊 工。热加工 出油后，模具心部的温度不仅仍然较高，还有大量的奥 氏体未发生组织转变，如果直接加热到４８０％进行回火， 那么这些残留奥氏体将转变为珠光体或者是粗大的强度 和韧性较差的上贝氏体，大大降低了模具心部的强度和 韧性，同时也难以消除油淬所产生的内应力，导致模具 在使用中出现早期的脆断和疲劳裂纹等，使模具的使用 寿命大大缩短。因此圆锻模回火时需要在２８０％保温一 段时间，使模具心部的残留奥氏体转变成韧性好、强度 高的下贝氏体。５ＣｒＭｎＭｏ钢连续冷却的Ｍｓ点为２６０℃ 左右，选择２８０℃保温是因为低于２６０℃，心部的残留 奥氏体将部分发生马氏体转变，使心部组织巾下贝氏体 所占的比率下降，等温温度过高，也会使心部组织中下 贝氏体所占的比率降低。因此，等温温度选择２８０￣Ｃ， 稍高于２６０％较为合适。 圆锻模出炉后也需要先在空气中预冷，因为圆锻模 的体积比较大，为了尽量减小后面油冷淬火产生的应 力，需要预冷较长的时间。以某下模（外形尺寸 ｑ５３００ｍｍ Ｘ １７２ｍｍ）为例，出炉后需要预冷几分钟，预 冷至模具表面温度７４０％左右。模具吊人淬火油中冷却 后需要打开油泵进行搅拌，使模具各表面均匀冷却，冷 却１０ｒａｉｎ左右，关掉油泵，再冷却５～１０ｍｉｎ。模具出炉 后预冷时间的控制很重要，预冷时间短了，将增加模具 的淬火应力，增加模具淬火开裂的危险；预冷时间长了， 模具表面的温度太低，发生非马氏体组织转变，淬火后 模具表面的硬度偏低，将严重影响模具的使用性能。 圆锻模的淬火冷却时间的控制是圆锻模热处理质量 好坏的关键。出油过早或过迟均易出现淬火裂纹，而且 模具组织性能不好。可以采用体积法计算油冷时间，ｔ＝ ａＷＳ，其中 是体积，Ｓ是面积，ｄ＝１．０ｍｉｎ／ｍｍ。 ３．锤锻模 锤锻模的体积最大，重量最重，就算能够放进保护 箱中，也很难拖动，因此我们一般选用ＨＶｓ一１ｏ０箱式 球底电炉进行锤锻模的热处理加热，球底电炉底部有两 条轨道，轨道槽上有钢球，炉底板就放在这些钢球上， 度，在盐炉进行加热，可以节约电能，缩短热处理时 间，同时８５０～８６０￣Ｃ也是４５钢最常用的淬火温度，这 样就可以和其他４５钢件同炉进行加热，方便工人的热 这样工件就能较轻松地进炉和出炉。 图７箱式球底电炉 装炉的方法是：选取高为８０～１Ｏ０ｍｍ的铁盘，盘底 铺上一定厚度的木炭，模具型面朝下放在盘内，模具剩 下５个面用石棉纸盖住，四周填满木炭，对于表面要求 不高的锤锻模，可以不盖石棉板 锤锻模的型面最为重 要，模面朝下，盘底铺一定厚度的木炭，目的就是保护 型面，防止模具型腔表面发生氧化、脱碳。锤锻模采用 装盘的方法，在箱式球底电炉中进行加热，除了模具型 腔表面，其余各表面都会不同程度地出现氧化和脱碳， 这是受我们热处理厂设备陈旧、落后所限制，除了更新 设备外，没有更好的办法可以解决这个问题的，但其余 表面出现一些氧化和脱碳对锤锻模的使用影响不大（现 在其他热处理厂采用表面涂层保护的方法，但操作比较 麻烦）。因此，这种装炉方法在目前我们热处理厂这种 生产条件下还是行之有效的。 为了使锤锻模具有较好的强韧性，我们将淬火温度 提高到８８０￣Ｃ。５ＣｒＭｎＭｏ钢的淬火温度提高到８８０％的 时候，淬火组织主要是板条马氏体，具有较好的力学性 能，在２８０￣Ｃ等温回火时，心部未转变的过冷奥氏体转 变为下贝氏体，心部得到强度高、韧性好的Ｍ／Ｂ。的复 合相组织（马氏体和下贝氏体的混合组织），韧性好， 不易脆断，提高了５ＣｒＭｎＭｏ钢模具的强韧性，延长了 模具热疲劳裂纹产生前的孕育期，提高了模具的抗热疲 劳性能，有利于提高模具的使用寿命。半边模、圆锻模 由于体积相对于缍锻模小，同时工作时所承受的载荷比 锤锻模小，对模具的强韧性要求不是很高，因此可以采 用较低的温度。半边模最小，采用８５０～８６０℃的加热温 处理操作。圆锻模采用８６０—８８０￣（２的加热温度，对于小 一点的圆锻模，可以采用８６０％的加热温度，这样可以 和其他４５钢件同炉进行加热，提高加热炉的使用效率， 达到了节约电能的目的；对于体积大的圆锻模还是采用 上限温度８８０￣Ｃ比较合适，这样可以提高圆锻模的强韧 性，有利于提高圆锻模的使用寿命。 锤锻模的体积最大，因此锤锻模回火时也需要在 ２８０＜Ｃ保温一段时间，而且保温时间要更长，以保证模 具心部的残留奥氏体尽可能转变成下贝氏体，使锤锻模 具有强韧性好的心部组织。 四、结语 根据热锻模具的形状、大小，确定模具的热处理工 艺，选用不同热处理加热设备，采用不同的防止氧化、 脱碳保护措施，可以保证模具的热处理质量，使模具达 到满足使用要求的力学性能；同时能够方便热处理工人 的操作，减轻工人的劳动强度，节约电能，提高热处理 生产效率。虽然热处理设备比较落后，但我们通过合理 地选用设备，采取适当的保护措施，还是能加工出热处 理质量比较好的模具。要想进一步提高模具的表面质 量，提高我们工模具公司的模具热处理能力，就需要对 热处理厂现有的设备进行更新换代。真空炉的能耗大， 价格高，生产成本也很高，不适合我公司热处理厂，相 比而言，少氧化炉是一个不错的选择。ＭＷ （２０１０１２１６） 长春出台优惠措施吸引 汽车零部件企业落户 为抢抓国内、国际汽车快速发展机遇，发挥主机厂 辐射、带动功能，提高本地汽车零部件配套率，２０１１ 年长春市对域外来长春投资新建汽车零配件企业，将提 供税费减免和返还、资金扶持等多项优惠措施。 据悉，可享受优惠待遇的企业范围为落户长春市国 家级开发区、省级开发区和工业集中区的核心零部件企 业。核心零部件企业在完成项目投资并全额缴纳城市基 础设施配套费后，所缴纳的城市基础设施配套费的 ５０％将返还给企业，用于支持项目建设。 参磊 工。热加工 热ｌ处 锻 铸造２０１ｗｗＷ ｍｏｔａ１ｗｏ ７年第５期■ ｒｋｉｎｇ１９５０ ｔｏｍ