內(nèi)容提要：對3Cr2W8V熱模具的失效形式、材質(zhì)特征及各合金元素的作用進(jìn)行了分析。通過多次試驗(yàn)，制定了提高3Cr2W8V熱模具鋼材壽命的熱處理工藝。

　　

　　　　熱模具工作溫度較高（一般情況下，工件始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為800℃），工作條件惡劣。工作時(shí)強(qiáng)大的壓力和沖擊載荷使坯料金屬在模具型腔內(nèi)流動(dòng)，坯料金屬與型腔表面產(chǎn)生劇烈磨擦，極易使型腔表面磨損；同時(shí)鍛模要在不斷反復(fù)冷卻條件下工作，由于冷熱交變的結(jié)果，型腔表面在交變應(yīng)力作用下易產(chǎn)生疲勞裂紋。使用過程中，磨損、疲勞是熱模具失效的主要形式。為此，我們對熱模具進(jìn)行熱處理工藝研究，以提高其工作壽命。

　　

　　　　1、熱模具所用材料的特征

　　

　　　　熱模具所用材料為3Cr2W8V，其化學(xué)成分如下表。

　　

　　　　從上表可知，3Cr2W8V鋼為合金模具鋼，材料中含有較多的碳化物元素：Cr、W、V等，因而具有較高的耐熱疲勞性和高溫機(jī)械性能。由于Cr、W元素的作用使奧氏體相當(dāng)穩(wěn)定，從而使該材料具有較高的淬透性，它既能保證模具淬火后獲得均一的馬氏體組織；回火時(shí)，Cr、W、Mn元素又能阻礙馬氏體組織的分解，使材料具有較高的耐磨性和抗回火穩(wěn)定性?？梢?Cr2W8V鋼熱模具經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚐崽幚砗螅哂休^好的熱強(qiáng)性、耐磨性，使模具具有較長的使用壽命。

　　

　　　　2、3Cr2W8V熱模具傳統(tǒng)的熱處理工藝

　　

　　　　3Cr2W8V熱模具的制造工藝流程為：下料→鍛造→退火→機(jī)加工→熱處理，模具熱處理后的硬度要求為：HRC42—46。

　　

　　　　模具傳統(tǒng)的熱處理工藝為：

　　

　　　　淬火：550℃裝爐（箱式電阻爐加熱，加熱時(shí)模腔用“生鐵屑+滲碳劑”保護(hù)，以防止模腔脫碳），保溫40min；再升溫至1060℃，保溫120min，然后出爐油冷至室溫。

　　

　　　　回火：加熱溫度為580℃，保溫240min（采用井式回火爐加熱）。 用該工藝熱處理過的模具硬度符合要求，但模具壽命較短，平均使用1500次。模具費(fèi)用較高，同時(shí)更換模具頻繁，影響生產(chǎn)。

　　

　　　　我們對報(bào)廢模具進(jìn)行斷口分析，觀察到均為典型的疲勞斷裂，疲勞源在刃口處，沿45°方向向心部擴(kuò)展，疲勞斷口面積與靜力斷口面積之比為1：3，在疲勞區(qū)的后部有明顯的宏觀淺溝。同時(shí)還觀察到沿模腔軸向分布有10~20條裂紋，裂紋上寬下窄（以工作位置定），一般發(fā)展到工作區(qū)終止。疲勞斷口即由其中一對裂紋（大部交成 180°）處起始擴(kuò)展。通過上述分析，認(rèn)為模具失效的原因?yàn)椋?/p> 　　

　　　　（1）從靜力斷口面積較大，疲勞斷口后部疲勞溝較淺較寬，可以判斷模具處在高應(yīng)力狀態(tài)下工作。

　　

　　　?。?）從模腔表面及軸向裂紋兩側(cè)出現(xiàn)脫碳組織判斷，模腔更表層工作溫度可能高于3Cr2W8V的臨界點(diǎn)Ac1（800℃）點(diǎn)。

　　

　　　?。?）模具工作溫度較高（工件始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為800℃），工作時(shí)會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，模具工作時(shí)，工作應(yīng)力與組織應(yīng)力、熱應(yīng)力疊加，在每個(gè)工作周期的某一瞬間達(dá)到更大實(shí)際應(yīng)力值，而增大了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的可能性，從而導(dǎo)致疲勞斷裂，降低模具的使用壽命。

　　

　　　　3、改進(jìn)后的熱處理工藝

　　

　　　　隨著淬火溫度的升高，淬火硬度也有所提高，低于1200℃淬火時(shí)，回火時(shí)2次硬化現(xiàn)象不明顯。若高于此溫度淬火，碳化物溶解較多，奧氏體合金度增加，從而強(qiáng)化了馬氏體，回火時(shí)由馬氏體中析出較多的彌散碳化物，2次硬化才顯示出來。

　　

　　　　提高回火溫度，以防止在模具使用過程中發(fā)生馬氏體向屈氏體轉(zhuǎn)變，以減小組織應(yīng)力。由傳統(tǒng)工藝1次回火，改為3次回火，以使淬火后，材料中低硬度的殘余奧氏體較充分地轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂捕鹊?次馬氏體，提高模具力學(xué)性能。改進(jìn)后的熱處理工藝為：

　　

　　　　淬火：550℃裝爐（箱式電阻爐加熱，加熱時(shí)模腔用“生鐵屑+滲碳劑”保護(hù)，以防止模腔脫碳），保溫40min；再升溫至1150℃，保溫120min，然后出爐油冷至室溫。

　　

　　　　回火：回火3次，每次加熱溫度為660℃，保溫90min（采用井式回火爐加熱）。

　　

　　　　用該熱處理工藝處理的模具使用壽命可達(dá)4500次，降低了模具費(fèi)用，提高了生產(chǎn)效率。

　　

　　　　4、采用離子氮化工藝提高模具壽命

　　

　　　　熱模具加工成型后，進(jìn)行正常的“淬火+回火”熱處理，然后進(jìn)行離子氮化處理。

　　

　　　　熱模具經(jīng)離子氮化后，材料中的Cr、V等元素能與氮原子形成氮化物，這種氮化物熔點(diǎn)高，硬度高。這些氮化物在氮化層中均呈高度彌散均勻布著，對位移滑移有阻礙作用，而使得氮化層達(dá)極高的硬度，因此鍛模離子氮化后表層有很高的耐磨性、熱硬性。由于氮化層組織的比容比淬火馬氏體的比容還大，因此氮化層有更高的殘余壓應(yīng)力和較高的疲勞強(qiáng)度。經(jīng)離子氮化處理的鍛模可鍛工件7000件以上，壽命有較大提高。

　　

　　　　5、結(jié)論

　　

　　　　提高3Cr2W8V熱模具鋼材的淬火溫度及增加回火次數(shù)，可提高模具的使用壽命。合理的淬火溫度為1150℃，回火工藝為：回火溫度為660℃，回火3次。

　　

　　　　模具經(jīng)離子氮化后，其耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗氧化性均有較大提高，可延長鍛模使用壽命。

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