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熱鍛模具選材與制造工藝探討
摘要：本文主要介紹了錘鍛和熱擠壓類熱鍛造模具選材的一般規(guī)律和方法；同時(shí)針對(duì)目前相關(guān)模具壽命較低的問題，從熱加工、冷熱加工配合角度，提出了相應(yīng)工藝優(yōu)化的措施和方法。
關(guān)鍵詞：模具，材料、熱處理
一 前言
模具是實(shí)現(xiàn)少、無加工先進(jìn)制造技術(shù)中的重要工藝裝備，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。從使用情況表明：模具的質(zhì)量在很大程度上取決于模具的選材、熱處理工藝。按照模具的使用條件分類包括：冷成型模具（包括擠壓模具、冷拉模具、冷鍛或冷鐓模具）、溫鍛模具、熱鍛模具、塑料成型模具、鑄造模具等等。本文主要闡述熱鍛模具的選材和制造工藝（尤其是熱處理工藝）。
二 失效方式
熱鍛模具的主要失效形式有：變形、熱疲勞、熱磨損、斷裂四種。
（1）變形：指在高溫下毛坯與模具長期接觸使用后模具出現(xiàn)軟化而發(fā)生塑性變形。表現(xiàn)特征為塌陷。工作載荷大、工作溫度高的擠壓模具和鍛造模具凸起部分容易產(chǎn)生這類缺陷。
（2）熱疲勞：指在環(huán)境溫度發(fā)生周期性變化條件下工作的模具表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋。工作溫差大，急冷急熱反復(fù)速度快的熱鍛模具容易出現(xiàn)熱疲勞裂紋。
（3）斷裂：指材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷而出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)下的材料開裂，包括脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂和腐蝕斷裂。熱鍛模具的斷裂（尤其是早期斷裂），與工作載荷過大、材料處理不當(dāng)以及應(yīng)力集中等相關(guān)。
（4）熱磨損：為模具工作部位與被加工材料之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的損耗，包括尺寸超差和表面損傷。模具工作溫度、模具的硬度、合金元素以及潤滑條件等影響模具磨損。相對(duì)運(yùn)動(dòng)劇烈和凸起部位的模具容易產(chǎn)生磨損失效。
三 選材一般規(guī)律和熱處理技術(shù)要求
根據(jù)熱鍛模具的一般失效形式，模具選材上主要考慮熱硬性、強(qiáng)韌性、淬透性、脫碳敏感性、熱疲勞性能等。從熱處理角度：耐磨性、硬度、熱處理變形、表面脫碳等。這里只介紹幾種最主要的性能。
1、熱硬性，也叫紅硬性是指模具在受熱或高溫條件下保持組織和性能穩(wěn)定，具有抗軟化的能力，它主要取決于材料化學(xué)成分和熱處理制度，一般這類鋼材中含有較高的V, W, Co，Nb, Mo等高熔點(diǎn)和易形成多元碳化物元素。
2、強(qiáng)度和韌性主要根據(jù)模具的承載要求考慮，鋼的晶粒度，碳化物的數(shù)量、形態(tài)、大小、分布以及殘余奧氏體的含量等對(duì)模具的強(qiáng)度和韌性有很大影響。它主要取決于鋼材的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量（如氣體含量、夾雜物、S、P含量等）、組織狀態(tài)（合理的球化退火，改善組織的均勻性和碳化物的形態(tài)）和熱處理工藝合理運(yùn)用。
3、淬硬性和淬透性：淬硬性是指材料淬火后所能夠達(dá)到的硬度范圍，主要與材料的碳含量有關(guān)。而淬透性是指材料在淬火后得到馬氏體組織的能力，它主要取決于鋼的化學(xué)成分。根據(jù)模具使用條件各有側(cè)重，如對(duì)要求表面高硬度的沖裁模具，淬硬性顯得更重要，對(duì)于要求整個(gè)截面具有均勻一直性能的熱鍛模具，則淬透性更重要。
當(dāng)然，影響熱鍛模具壽命的因素很多，在選擇材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)熱鍛模具的具體工作條件合理選用，下表為兩種主要模具常用選材：
模具類型 推薦材料 一般使用硬度范圍 錘鍛模具 5CrMnMo, 5CrNiMo, 5SiMnMo,4SiMnMo, 3Cr2W8V(SKD5), 4Cr5MoSiV (H11,SKD6), 4Cr5MoSiV1 (H13, SKD61), 4CrMnSiMoV 38~42HRC 熱擠壓模具 3Cr2W8V(SKD5), 4Cr5MoSiV (H11,SKD6), 4Cr5MoSiV1 (H13, SKD61), 4CrMnSiMoV 44~55HRC(48~52HRC)
具體不同模具材料的用途、使用溫度范圍、適用推薦硬度范圍，可以參考《機(jī)械工程手冊》。
四 加工工藝及其對(duì)模具壽命的影響
一般模具制造工藝流程：落料、鍛造+球化退火處理—機(jī)加工—淬火、回火處理—（深冷處理）—精加工（包括電脈沖加工）—研磨、拋光處理—離子氮化處理。
合理的模具制造工藝流程：落料、鍛造+球化退火處理—機(jī)加工—真空淬火、回火處理（目的減小熱處理變形）—（深冷處理）—研磨、拋光處理—離子氮化處理。
2.1 落料、鍛造+球化退火：鋼廠提供的模具材料一般為鍛坯形式或棒材，其內(nèi)部組織中碳化物呈沿晶界網(wǎng)狀分布，這種組織，如果不經(jīng)過進(jìn)一步的鍛造加工，使用時(shí)，裂紋容易沿晶界萌生并擴(kuò)張，降低模具的承載能力，最終導(dǎo)致模具的早期斷裂。
通過鍛造和隨后的球化退火處理，形成均勻、細(xì)小、彌散分布的碳化物，改善模具內(nèi)部的組織條件，尤其是碳化物分布，為最終熱處理準(zhǔn)備組織條件，避免局部的應(yīng)力集中產(chǎn)生熱處理開裂，同時(shí)有助于提高模具的壽命，解決斷裂和龜裂問題。下圖為幾種模具材料的快速球化退火工藝（球化退火工藝的溫度范圍可以參考〈熱處理手冊〉或〈機(jī)械工程手冊〉）。
圖1 快速球退火工藝
T1 ：3Cr2W8V, 1050℃；3Cr3Mo3VNb, 1030℃；5Cr4W5Mo2V, 1100℃
T2： 3Cr2W8V, 850~870℃；3Cr3Mo3VNb, 850~870℃；5Cr4W5Mo2V, 850~870℃
2.2 精加工：除非模具過于復(fù)雜，最好切削加工安排在熱處理之前，目的在于避免機(jī)械加工過程中在表面形成的拉應(yīng)力，導(dǎo)致模具疲勞性能的降低。
電脈沖加工為材料的熔化加工過程，加工后容易在表面形成熔化層和熱影響層，降低模具表面的硬度、耐磨性，減小熱處理表面形成的壓應(yīng)力而降低模具的熱疲勞性能，因此熱處理后一般最好不再進(jìn)行電脈沖加工或者減小加工余量或者采用加工后研磨、拋光的方式減小表面加工層的影響，以避免切削加工，尤其是電脈沖加工對(duì)模具表面損傷而影響模具壽命。
2.3 熱處理：一般模具的熱處理溫度和時(shí)間可以參考〈熱處理手冊〉或〈機(jī)械工程手冊〉。需要注意的是
（1）熱處理應(yīng)采用合理的工藝減小熱處理變形 (一般采用多段加熱工藝，同時(shí)防止加熱開裂)，同時(shí)考慮所采用的熱處理方式，應(yīng)避免合金元素的蒸發(fā)，在材料淬透性允許的條件下，盡可能采用真空熱處理、氣體淬火技術(shù)，減小熱處理變形，避免熱處理后較大的加工余量，導(dǎo)致表面過熱，影響模具壽命。但對(duì)淬硬性較差材料或存在高溫下易揮發(fā)元素的材料，如含高Ni 等，宜采用鹽浴熱處理。
（2）推薦采用超飽和滲碳熱處理技術(shù)，即應(yīng)用滲碳技術(shù)，阻止熱處理表面脫碳，同時(shí)提高表面的耐磨性，并利用滲碳淬火后，表面形成高壓應(yīng)力，提高模具的疲勞抗力。
（3）模具材料中一般含有較高的Cr,Mo,V,W,Nb等高溫、強(qiáng)碳化物形成元素，從而提高模具的強(qiáng)度、紅硬性等性能，在熱處理回火處理中，具有明顯的二次硬化特性，即在低溫回火和高溫回火形成兩次高硬度。因此根據(jù)模具的實(shí)際使用溫度范圍，可以選擇性應(yīng)用回火溫度，但是對(duì)于熱鍛模具應(yīng)采用高溫回火工藝，以避免二次回火硬化效應(yīng)導(dǎo)致使用過程中模具性能的降低。
另一方面，也由于模具材料中一般含有較高的Cr,Mo,V,W,Nb等高溫、強(qiáng)碳化物形成元素，具有很強(qiáng)的抗回火性能，因此需要進(jìn)行多次的回火，避免回火不充分引起早期的失效（斷裂和龜裂），一般要求至少2次高溫回火（更多采用三次回火工藝）。
圖2為3Cr2W8V熱鍛模具的熱處理工藝曲線。
2.4噴丸、研磨、拋光處理：淬火、回火后、表面熱處理前，進(jìn)行噴丸處理，可以形成表面壓應(yīng)力層，改變淬火、回火處理后的表面拉應(yīng)力狀態(tài)；進(jìn)行模具拋光處理，可消除模具加工表面缺陷而提高模具壽命，一般采用人工加工。
2.5離子氮化：提高模具疲勞性能和耐磨性，最好采用N2而不采用NH3，避免H＋對(duì)模具的氫脆作用。離子氮化溫度一定要低于淬火后的回火溫度，以避免模具基體硬度的降低和模具的變形，從而導(dǎo)致模具的失效。
2.6 深冷處理（液氮處理）：原理是降低殘余奧氏體、形成表面壓應(yīng)力、提高硬度和表面耐磨性、疲勞性能。但需注意安全（液氮使用不當(dāng)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生燒傷）。深冷處理的一般規(guī)范：模具（室溫狀態(tài)）——液氮（-196℃）/2小時(shí)——自然回到室溫——160~170℃/4小時(shí)——空冷。
當(dāng)然，熱鍛模具在使用開始和過程中，由于承受冷熱交變過程，因此，為了提高模具的壽命，對(duì)模具的充分預(yù)熱也非常重要，預(yù)熱不充分或預(yù)熱溫度偏低將會(huì)嚴(yán)重影響模具使用壽命，一般預(yù)熱溫度為200~250℃，開始鍛造前，模具預(yù)熱保溫時(shí)間一般不得低于1小時(shí)。
五 表面處理技術(shù)的應(yīng)用
熱鍛模具采用表面處理技術(shù)主要由：涂層處理（如真空涂 TiN或TiCN）、鍍層處理（如鍍Cr, Ni-P鍍）多元共滲處理（如C、N、O或C、N、O、S）、離子注入形成表面合金化層、滲B處理、物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（VCD）等。其中以離子氮化工藝最為適用。各種表面強(qiáng)化處理方法的應(yīng)用范圍如下表所示。
表面處理方法 鍍層處理 N-C共滲 離子滲氮 真空滲氮 滲硫 滲硼 CVD TiN PVD TiN TD方法（硼砂鹽浴滲 V,Nb,Ti,Cr等） 超硬合金 工模具鋼 性能 Cr Ni-P VC NbC Cr7C3 硬度 良 良 良 良 良 一般 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 標(biāo)準(zhǔn) 耐磨性 良 良 良 良 良 良 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 良 優(yōu) 標(biāo)準(zhǔn) 抗熱粘著性 良 良 良 良 良 良 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 標(biāo)準(zhǔn) 抗咬合性 良 良 良 良 良 良 良 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 標(biāo)準(zhǔn) 抗沖擊性 一般 一般 一般 一般 一般 標(biāo)準(zhǔn) 一般 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 標(biāo)準(zhǔn) 一般 標(biāo)準(zhǔn) 抗剝落性 一般 一般 良 良 良 優(yōu) 一般 良 良 良 良 良 ---- ---- 抗變形開裂 一般 一般 良 良 良 優(yōu) 良 良 良 良 良 良 ---- ----
本文主要介紹離子氮化工藝及其應(yīng)用。離子滲氮是利用真空輝光放電過程在零件表面形成高耐磨性、高硬度的合金氮化物層，其理論尚無定論，提出最早的是濺射與沉積理論。，目前用于離子滲氮的介質(zhì)有N2+H2、氨及其分解氣。氨分解氣可以視為25%N2+75%H2的混合氣體。
直接將氨氣送如爐內(nèi)進(jìn)行離子氮化，使用方便，但是滲氮層脆性較大，而且氨氣在爐內(nèi)各處的分解率受到進(jìn)氣量、爐溫、起輝面積等因素的影響，并會(huì)影響爐溫均勻性。只適合于要求不高的工件。
模具經(jīng)過離子氮化的目的在于：通過離子氮化在表面形成合金氮化物層，強(qiáng)化表面，提高表面硬度和耐磨性；同時(shí)模具經(jīng)過淬火、回火之后，表面利用離子氮化過程中，形成表面合金氮化物層的高硬度和與基體硬度的差異，形成表面壓應(yīng)力，可以達(dá)到600~800Mpa的殘余壓應(yīng)力，從而提高模具的疲勞性能和壽命。下表為幾種模具材料離子氮化工藝和使用效果。
模具名稱 模具材料 工藝 使用效果 沖 頭 W18Cr4V 500~520℃×6h 提高2~4倍 鋁壓鑄模 3Cr2W8V 500~520℃×6h 提高1~3倍 熱鍛模具 5CrMnMo 480~500℃×6h 提高2~3倍 冷擠壓模 W6Mo5Cr4V2 500~550℃×2h 提高1~2倍 壓延模具 C12MoV 500~520℃×6h 提高5~6倍
七 小 結(jié)
熱鍛模具由于使用溫度較高，應(yīng)采用熱作模具鋼，同時(shí)根據(jù)具體的使用條件和失效方式，合理運(yùn)用；為了提高模具壽命壽命，合理的熱鍛模具制造工藝過程為：落料、鍛造+球化退火處理—機(jī)加工—真空淬火、回火處理（目的減小熱處理變形）—（深冷處理）—研磨、拋光處理—離子氮化處理。離子氮化處理有助于提高模具壽命，原理在于提高表面硬度和形成表面壓應(yīng)力。熱鍛模具的壽命還受到在使用開始和過程中合理預(yù)熱的影響，預(yù)熱溫度一般為200~250℃。
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