文／張強(qiáng)，徐艷君，吳興晗·遼寧金鋼重型鍛造有限公司王嘉錚·鞍山太陽(yáng)鍛造實(shí)業(yè)有限公司

關(guān)于提高5CrNiMo模具使用壽命的研究

文／張強(qiáng)，徐艷君，吳興晗·遼寧金鋼重型鍛造有限公司王嘉錚·鞍山太陽(yáng)鍛造實(shí)業(yè)有限公司

模具成形技術(shù)具有材料利用率高、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，采用橫向鍛造工藝生產(chǎn)5CrNiMo熱作模具鋼，可改變其纖維流向，配合采用新型的熱處理工藝，實(shí)踐證明可以將其使用壽命延長(zhǎng)至原來(lái)的1.4倍。

5CrNiMo是一種20世紀(jì)30年代初應(yīng)用的熱作亞共析模具鋼材料，具有良好的綜合力學(xué)性能及淬透性，主要用于熱作模具的生產(chǎn)制造，應(yīng)用十分廣泛。由于5CrNiMo模具鋼加工周期相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)使用性能的要求高，因此，模具生產(chǎn)制造企業(yè)及使用企業(yè)都將延長(zhǎng)5CrNiMo模具的使用壽命作為重要的研究課題。而鍛造可以消除模具鋼原料的內(nèi)部缺陷，改善微觀組織，鍛后再經(jīng)過(guò)熱處理更可以改善模具鋼的內(nèi)在質(zhì)量，從而使模具具有更長(zhǎng)的使用壽命。

工藝設(shè)計(jì)依據(jù)

鍛造后的模塊經(jīng)過(guò)一系列的熱處理及加工工藝即可成為模具，而模塊的成形主要依靠鐓粗與拔長(zhǎng)工藝，而鐓粗與拔長(zhǎng)的反復(fù)進(jìn)行，可以改善鋼錠中碳化物的分布狀態(tài)、形態(tài)及力學(xué)性能，但當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，繼續(xù)鐓拔對(duì)碳化物的作用會(huì)越來(lái)越小，綜合考慮模具的尺寸大小、力學(xué)性能及工作部位等因素，設(shè)計(jì)合理的鍛造工藝及鍛造比可使模具的使用壽命得到提高。鞍山太陽(yáng)鍛造實(shí)業(yè)有限公司采用的5CrNiMo模塊規(guī)格主要為1150mm×850mm×500mm，本文主要針對(duì)此規(guī)格模塊進(jìn)行說(shuō)明。

兩種鍛造工藝介紹

軸向鍛造工藝

遼寧金鋼重型鍛造有限公司所采用的5CrNiMo原料冶煉方式為精煉脫氣，原料的交貨狀態(tài)為退火鋼錠。采用軸向鍛造的方法時(shí)，坯料的加熱溫度為1150～1180℃，始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為850℃，采取緩冷的方式進(jìn)行冷卻。坯料進(jìn)行兩次軸向鐓拔后修整成形，一次、二次鐓粗鍛造比均大于2，拔長(zhǎng)鍛造比均在2.5左右。

橫向鍛造工藝

加熱工藝不變，坯料采用橫向鍛造的方法，具體工序流程為：軸向鐓粗→改變纖維流向，橫向拔長(zhǎng)→軸向鐓粗→橫向拔長(zhǎng)，修整成形。一次鐓粗鍛造比大于2，二次鐓粗鍛造比大于2.5，一次、二次拔長(zhǎng)鍛造比均為3～3.5。

鍛后熱處理工藝

預(yù)備熱處理

為了預(yù)防產(chǎn)生白點(diǎn)、消除鍛造應(yīng)力、細(xì)化晶粒、均勻化學(xué)成分，遼寧金鋼重型鍛造有限公司對(duì)鍛造后的成品及時(shí)進(jìn)行了不完全退火工藝，另外，對(duì)退火后的模塊進(jìn)行了超聲波探傷，若晶粒仍然粗大，該模塊必須進(jìn)行二次退火，直到得到細(xì)化的晶粒組織，為后續(xù)的調(diào)質(zhì)熱處理提供良好的均勻組織。

調(diào)質(zhì)熱處理

遼寧金鋼重型鍛造有限公司主要采用油淬空冷、二次回火的分段調(diào)質(zhì)熱處理方法，使模具材料的上、下兩部分獲得不同的工作硬度以滿足生產(chǎn)中的實(shí)際需求：模具材料的工作面得到38～42HRC的高硬度，使其具備較高的強(qiáng)度；而與設(shè)備組裝的燕尾面僅達(dá)到28～33HRC的硬度要求即可，以保證此面的韌性，防止鍛打時(shí)與其相連接的錘桿發(fā)生斷裂事故。

圖1 剛開(kāi)始進(jìn)行淬火時(shí)

圖2 上表面溫度降至680℃時(shí)

模塊在860℃透燒出爐后，先在空氣中預(yù)冷一段時(shí)間，以減少淬火時(shí)的熱應(yīng)力，待溫度降至780℃時(shí)再入油淬火(油溫30～50℃），開(kāi)始時(shí)入油深度僅為模塊高度的一半(圖1），此時(shí)下半部分開(kāi)始淬火；當(dāng)上表面溫度降至680℃時(shí)，模塊即刻全部入油淬火(圖2），油冷至150～200℃時(shí)取出，淬火后的模塊要馬上進(jìn)行回火，根據(jù)模具硬度要求，回火溫度定為520℃，保溫時(shí)間為8h，然后出爐空冷至室溫。對(duì)于大截面模塊，實(shí)驗(yàn)表明淬火后組織中存在部分殘余奧氏體，雖然殘余奧氏體是軟韌相，對(duì)淬火時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力有緩沖作用，但也有其不利的一面，即在回火過(guò)程中它會(huì)轉(zhuǎn)變成其他組織，如貝氏體或馬氏體，且轉(zhuǎn)變不一定充分，可能在模塊中殘留較大的淬火應(yīng)力，降低模塊韌性，所以有必要對(duì)模塊進(jìn)行二次回火，使殘余奧氏體充分轉(zhuǎn)變(過(guò)程與首次回火相同）。由于模塊上、下面的淬火溫度和時(shí)間不同，導(dǎo)致上、下面組織轉(zhuǎn)變程度有所差別，最終表現(xiàn)為淬火硬度不一，再經(jīng)兩次回火處理，便得到了上、下不同的硬度，即工作面的硬度為38～42HRC，燕尾面的硬度為28～33HRC。這樣就使模塊在保證工作硬度的同時(shí)也具備了一定的韌性，提高了模塊的壽命，滿足了客戶的使用要求。

兩種鍛造工藝的對(duì)比

金相組織

在侵蝕劑均為4%的硝酸酒精溶液、放大倍數(shù)均為500倍的情況下，軸向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后工作面、燕尾面與橫向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后工作面、燕尾面的金相組織分別如圖3～6所示，其中軸向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后工作面的基體為回火托氏體，燕尾面的基體為回火索氏體＋少量回火托氏體；橫向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后工作面的基體為回火托氏體，燕尾面的基體為回火索氏體。由圖3～6可以看出，橫向鍛造的工作面的基體組織要比軸向鍛造的細(xì)密，并且對(duì)于燕尾面，橫向鍛造也比軸向鍛造的基體組織成分均一、細(xì)密。

圖3 軸向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后工作面的金相組織

圖4 軸向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后燕尾面的金相組織

圖5 橫向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后工作面的金相組織

圖6 橫向鍛造調(diào)質(zhì)熱處理后燕尾面的金相組織

抗熱疲勞性

采用軸向鍛造工藝與橫向鍛造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的熱疲勞級(jí)別的對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，在同等條件下，采用橫向鍛造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的抗熱疲勞性要優(yōu)于軸向鍛造工藝。

■ 表1 熱疲勞級(jí)別的對(duì)比

力學(xué)性能

采用軸向鍛造工藝與橫向鍛造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的力學(xué)性能指標(biāo)的對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，采用橫向鍛造工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的力學(xué)性能要優(yōu)于軸向鍛造工藝。

■ 表2 力學(xué)性能指標(biāo)的對(duì)比

軸向鍛造工藝適用于工作表面沿圓周分布的模具，而對(duì)于心部使用頻率較高的大型模具，橫向鍛造工藝有其自身的優(yōu)勢(shì)：⑴拔長(zhǎng)時(shí)端面開(kāi)裂傾向小，鋼材最致密、塑性最好的表面始終處于拔長(zhǎng)時(shí)的端面；⑵由于鋼材表面層轉(zhuǎn)移到鍛坯的端面，纖維流向呈橫向分布，鍛件端面組織致密；⑶鍛件心部組織改善的效果好；⑷操作方便，有利于采用大鐓粗比。

兩年來(lái)，從鞍山太陽(yáng)鍛造實(shí)業(yè)有限公司的使用情況來(lái)看，10t模鍛錘上使用的5CrNiMo模具(主要用于生產(chǎn)汽車前軸）采用橫向鍛造工藝與新型熱處理工藝生產(chǎn)后，服役壽命延長(zhǎng)至原來(lái)的1.4倍以上，大大節(jié)省了模具成本。

注意事項(xiàng)

⑴橫向鍛造工藝主要適用于工作型腔及刃口在端面及中心處的凸模及冷鐓、冷擠壓模具，不適用于工作部位在圓周的模具及要求淬火微變形的精密模具。

⑵5CrNiMo模塊在生產(chǎn)過(guò)程中要嚴(yán)格執(zhí)行加熱、鍛造工藝，加大最后一次變形時(shí)的鐓粗比并控制好終鍛溫度，以免出現(xiàn)裂紋。

⑶鍛后的成品要及時(shí)緩冷并熱處理，以免出現(xiàn)白點(diǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

模具成形技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)上進(jìn)行成批或大批生產(chǎn)的主要技術(shù)手段，它對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期、爭(zhēng)占市場(chǎng)以及產(chǎn)品更新?lián)Q代都具有決定性的意義。而我國(guó)模具生產(chǎn)技術(shù)落后，能源消耗高、材料消耗大、產(chǎn)品更新速度慢，這些都在制約著我國(guó)工業(yè)發(fā)展的腳步。正因如此，國(guó)家已經(jīng)將模具工業(yè)劃為重點(diǎn)研究的領(lǐng)域之一，遼寧金鋼重型鍛造有限公司作為模具材料的生產(chǎn)企業(yè)，竭誠(chéng)希望能與各位同行及相關(guān)行業(yè)單位合作交流，不斷探索各種新方法，為我國(guó)的模具市場(chǎng)提供優(yōu)質(zhì)的節(jié)能新材料。

張強(qiáng)，鍛壓車間主任，主要從事自由鍛件的鍛造工藝及熱處理工藝的研究工作，在鈦合金鍛造及熱作模具鋼鍛造領(lǐng)域有較深的造詣。