李光磊
濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(山東濟(jì)南 250022)
熱鍛模是一種在高溫工作狀態(tài)下,通過沖擊加壓,迫使熱狀態(tài)金屬產(chǎn)生塑性變形從而形成零件的工具。其工作性質(zhì)要求熱鍛模具須具有極高的強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性,以及優(yōu)良的耐磨性、耐熱疲勞性和熱穩(wěn)定性。在熱鍛自動(dòng)化生產(chǎn)中,對(duì)模具壽命提出了更高的要求。
某公司熱鍛的某產(chǎn)品材料選用了超高強(qiáng)度合金鋼30CrMnSiNi2A,并要求零件的最終機(jī)械強(qiáng)度高(抗拉強(qiáng)度≥1,360MPa),硬度高,同時(shí)要求內(nèi)部金相組織具備很好的一致性和穩(wěn)定性?,F(xiàn)鍛造生產(chǎn)所用的3Cr2W8V制造的熱鍛凸模,要求熱處理硬度為48~52HRC,凸模平均使用壽命在100件左右。由于頻繁更換凸模,不能滿足鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。該熱鍛凸模,如圖1所示。凸模主要失效形式為塑性變形和龜裂,如圖2所示。
圖1 凸模
圖2 失效凸模圖
3Cr3Mo3VNb(HM3)材料成分為:C 0.22~0.32,Cr 2.6~3.2,Mo 2.70~3.2,V 0.6~0.8,Nb 0.08~0.15,Si≤0.6,Mn≤0.35,P≤0.03,S≤0.03。材料采用電渣重溶冶煉,該方法可以有效地提高冶煉質(zhì)量,減少雜質(zhì)。3Cr3Mo3VNb(HM3)在高溫工作狀態(tài)下,其高溫韌性、強(qiáng)度、耐冷熱疲勞及熱穩(wěn)定性等綜合性能,以及實(shí)際應(yīng)用效果均好于目前國(guó)內(nèi)常用的熱作模具鋼。為提高凸模使用壽命,選用3Cr3Mo3VNb(HM3)作為凸模的材料,進(jìn)行工藝試驗(yàn)。
3Cr3Mo3VNb(HM3)與3Cr2W8V模具高溫力學(xué)性能,如表1所示。
表1 兩種熱鍛模具高溫力學(xué)性能
從表1可以看出,在600℃下,3Cr3Mo3VNb(HM3)與3Cr2W8V的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率相近,而斷面收縮率3Cr3Mo3VNb(HM3)明顯優(yōu)于3Cr2W8V。隨著溫度的升高,3Cr3Mo3VNb(HM3)與3Cr2W8V的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都有所下降,但是3Cr3Mo3VNb(HM3)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度明顯優(yōu)于3Cr2W8V,說明3Cr3Mo3VNb(HM3)的熱穩(wěn)定性相比3Cr2W8V更好。
為提高凸模的使用壽命,主要從鍛造工藝和熱處理工藝兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。
材料鍛造之前應(yīng)先進(jìn)行探傷,確保無隱蔽的裂紋、砂眼、雜質(zhì)等,探傷合格后,才能進(jìn)行鍛造。模具采用兩次鍛造,首先將材料鍛造成方棒料,并經(jīng)過探傷合格后,進(jìn)行退火處理。退火溫度為860℃±10℃,保溫2h,隨爐冷卻到500℃,出爐空冷。
退火后,按照規(guī)定的重量精確下料,然后進(jìn)行第二次鍛造。毛坯采用鐓粗、拔長(zhǎng)交替進(jìn)行的方式,交替次數(shù)不少于3次,始鍛溫度1,150℃,控制終鍛溫度850℃,終鍛溫度過高易導(dǎo)致鍛造后晶粒粗大,總鍛造比不小于3,鍛造之后緩慢冷卻,防止產(chǎn)生白點(diǎn)及馬氏體組織。
鍛造后,采用860℃±10℃進(jìn)行退火處理,保溫2h,然后降溫到710℃±10℃,保溫不少于6h,然后隨爐冷卻到500℃,出爐空冷。鍛造后需要立即進(jìn)行退火處理,退火處理后,進(jìn)行探傷。退火工藝曲線如圖3所示。
圖3 退火工藝曲線
在該模具熱處理工藝中,選擇了真空熱處理,真空熱處理具有無脫碳,無氧化的,表面質(zhì)量好,熱處理性能優(yōu)異,模具使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),在模具熱處理中廣泛應(yīng)用。
此次淬火熱處理采用兩次預(yù)熱的方式進(jìn)行,首先將爐溫升至500℃,保溫一定時(shí)間后,升溫到850℃,保溫一定時(shí)間后,然后加熱到最終溫度1,080℃,保溫后預(yù)冷至800℃采用快速光亮淬火油冷卻,出油溫度控制在100℃~200℃。
各階段保溫時(shí)間按照如下公式確定:
T1=30+(1.5~2)D
T2=30+(1.0~1.5)D
T3=20+(0.25~0.5)D
式中 T1——第一次預(yù)熱時(shí)間,min
T2——第二次預(yù)熱時(shí)間,min
T3——最終保溫時(shí)間,min
D——工件有效厚度,mm
該熱處理工藝中,經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,第一段預(yù)熱溫度保溫時(shí)間采用90min,第二段預(yù)熱溫度保溫時(shí)間采用70min,最終溫度保溫時(shí)間采用35min。
淬火后立即進(jìn)行回火熱處理,進(jìn)行3次回火。3次回火的溫度及保溫時(shí)間是:第一次回火溫度540℃,保溫時(shí)間2h,空冷;第二次回火溫度570℃,保溫時(shí)間2h,空冷;第三次回火溫度570℃,保溫時(shí)間2h,空冷。熱處理工藝曲線如圖4、圖5所示。
圖4 淬火工藝曲線
圖5 回火工藝曲線
用3Cr3Mo3VNb(HM3)材料制造的熱鍛凸模,在高溫1,100℃,壓力500T冷熱交替環(huán)境下,進(jìn)行某產(chǎn)品的熱鍛生產(chǎn),使用壽命為450件,凸模頭部外部龜裂,影響毛坯質(zhì)量。同樣環(huán)境下,3Cr2W8V制造的熱鍛凸模使用壽命為101件,101件后凸模出現(xiàn)了上述同樣的失效形式,對(duì)比表如表2所示。
表2 兩種材料的凸模使用壽命對(duì)比
用3Cr3Mo3VNb(HM3)制造的凸模比3Cr2W8V制造的凸模使用壽命提高了3.4倍,降低了鍛件的生產(chǎn)成本。