熱鍛模具選材及制造工藝

1、熱處理不當(dāng)是導(dǎo)致模具早期失效的重要原因，據(jù)某廠統(tǒng)計，其約占模具早期失效因素的35%。模具熱處理包括鍛造后的退火，粗加工以后高溫回火或低溫回火，精加工后的淬火與回火，電火花、線切割以后的去應(yīng)力低溫回火。只有冷熱加工很好相互配合，才能保證良好的模具壽命。模具型腔大而壁薄時需要采用正常淬火溫度的上限，以使殘留奧氏體量增加，使模具不致脹大?？焖偌訜岱ㄓ捎诩訜釙r間短，氧化脫碳傾向減少，晶粒細(xì)小，對碳素工具鋼大型模具淬火變形小。對高速鋼采用低淬、高回工藝比較好，淬火溫度低，回火溫度偏高，可大大提高韌性，盡管硬度有所降低，但對提高因折斷或疲勞破壞的模具壽命極為有效。通常cr12mov鋼淬火加熱溫度為1000

2、，油冷，然后220回火。如能在這種熱處理以前先行熱處理一次，即加熱至1100保溫，油冷，700高溫回火，則模具壽命能大幅度提高。我們在70年代初期對3cr2w8v鋼施行高淬、高回工藝熱處理鋼絲鉗熱鍛模具也取得良好效果，壽命提高2倍多。采用低溫氮碳共滲工藝，表面硬度可達(dá)1200hv，也能大大提高模具壽命。低溫電解滲硫可降低金屬變形時的摩擦力，提高抗咬粘性能。使用6w6mo5cr4v鋼制作冷擠壓凸模，經(jīng)低溫氮碳共滲后，使用壽命平均提高1倍以上，再經(jīng)低溫電解滲硫處理可以進(jìn)一步提高壽命50%。模具淬火后存在很大的殘留應(yīng)力，它往往引起模具變形甚至開裂。為了減少殘留應(yīng)力，模具淬火后應(yīng)趁熱進(jìn)行回火，回火應(yīng)充

3、分，回火不充分易產(chǎn)生磨前裂紋。對碳素工具鋼，200回火1h，殘留應(yīng)力能消除約50%，回火2h殘留應(yīng)力能消除約75%80%，而如果500600回火1h，則殘留應(yīng)力能消除達(dá)90%。某廠crwmn鋼制凸模淬火后回火1h，使用不久便斷裂，而當(dāng)回火2.5h，使用中未發(fā)現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。這說明回火不均勻，雖然表面硬度達(dá)到要求，但工作內(nèi)部組織不均勻，殘留應(yīng)力消除不充分，模具易早期破裂失效?；鼗鸷笠话銥榭绽洌诨鼗鹄鋮s過程中，材料內(nèi)部可能會出現(xiàn)新的拉應(yīng)力，應(yīng)緩冷到100120以后再出爐，或在高溫回火后再加一次低溫回火。表面覆層硬化技術(shù)中的pvd、cvd近年來獲得較大的進(jìn)展，在pvd中常用的真空蒸鍍、真空濺射鍍和離子

4、鍍，其中離子鍍層具有附著力強、澆鍍性好，沉積速度快，無公害等優(yōu)點。離子鍍工藝可在模具表面鍍上tic、tin，其使用壽命可延長幾倍到幾十倍。離子鍍是真空蒸膜與氣體放電相結(jié)合的一種沉積技術(shù)。空心陰極放電法(hcd法)是先用真空泵抽真空，再向真空泵通入反應(yīng)氣體，并使真空度保持在10-510-2pa范圍內(nèi)，利用低壓大電流hcd電子槍使蒸發(fā)的金屬或化合物離子化，從而在工作表面堆積成一層防護(hù)膜。為提高鍍敷效率，一般在工件上施加負(fù)電壓。鍛模的表面處理技術(shù)國內(nèi)應(yīng)用不太多，這一領(lǐng)域大有開發(fā)的必要。整體模腔的滲碳、滲氮、滲硼、碳氮共滲以及模腔局部的噴涂、刷鍍和堆焊等表面硬化支持都是很有發(fā)展前途的，突破這一領(lǐng)域?qū)⑹?/p>

5、我國制模技術(shù)得到很大提高。模具失效以后的焊補技術(shù)，國內(nèi)90年代初期就有工廠進(jìn)行研究和應(yīng)用，如青海鍛造廠，焊補后的鍛模壽命可提高1倍。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；同時針對目前相關(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。一 前 言模具是實現(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

6、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

7、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運動產(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。相對運動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,

8、 W, Co，Nb, Mo等高熔點和易形成多元碳化物元素。2、 強度和韌性主要根據(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模具的強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，如對要求表面高硬度的沖裁模具，淬硬性顯得更重要，對于要求整個截面

9、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，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), 4CrMnSiMoV3842HRC熱擠壓模具3Cr2W8V(SKD5), 4Cr5MoSiV (H11,SKD6), 4Cr5MoSiV1 (H13, SKD61), 4CrMnSiMoV4455HRC(48

10、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，可以參考機械工程手冊。四 加工工藝及其對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，裂紋容易沿晶界萌生并擴張，降低模具的承載能力，最終導(dǎo)致模具的早

11、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械工程手冊)。 圖1 快速球退火工藝T1 ：3Cr2W8V, 1050；3Cr3Mo3VNb, 1030；5Cr4W5Mo2V, 1100T2： 3Cr2W8V, 850870；3Cr3Mo3VNb, 850870；5Cr4W5Mo2V, 8508702.2 精加工：除非模具過于復(fù)雜，最好切削加工

12、安排在熱處理之前，目的在于避免機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間可以參考熱處理手冊或機械工程手冊。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，同時防止加熱開裂)，同時考慮所采用的熱

13、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、強碳化物形成元素，從而提高模具的強度、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

14、此根據(jù)模具的實際使用溫度范圍，可以選擇性應(yīng)用回火溫度，但是對于熱鍛模具應(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、強碳化物形成元素，具有很強的抗回火性能，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。T1 ：550560；T2 ：820830；T3：10701090；T4：560580；T5：220260；T6：220；P1: 淬火(油冷或氣冷)，其余：空冷t1: 120；t2

15、: 60；t3: 10；t4: 15；t5: 30；t6:120180；t7: 120。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

16、氮使用不當(dāng)，會對人體產(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小時自然回到室溫160170/4小時空冷。 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)熱溫度偏低將會嚴(yán)重影響模具使用壽命，一般預(yù)熱溫度為200250，開始鍛造前，模具預(yù)熱保溫時間一般不得低于1小時。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)

17、、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CVDTiNPVDTiNTD方法(硼砂鹽浴滲 V,Nb,Ti,Cr等)超硬合金工模具鋼性能CrNi-PVCNbCCr7C3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

18、。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，強化表面，提高表面硬度和耐磨性；同時模具經(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600800Mpa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W18Cr4V5005206h提高24倍鋁壓鑄模3Cr2W8V500