热模锻等零件的材料选择与热处理工艺研究
热模锻等零件的材料选择与热处理工艺研究
正确选用下列工具材料：高精度长丝锥（A）；热锻模（D）；冷冲模（B）；麻花钻头（C）。
A、CrWMn B、Cr12Mo C、W18Cr4V D、5CrNiMo
并制定合理的热处理工艺并分析组织。
摘要 对各种各样的材料进行加工，需要使用各种形式的工具，其中包括各种刃具，冷、热成形模具和量具等等。工具加工的对象大部分是金属材料，因而用来制造工具的钢，其硬度和耐磨性应高于被加工的材料。各种材料因为不同的热处理工艺而具有不同的性能。
关键字 淬火 回火 退火 淬透性 硬度 组织形态
一、高精度长丝锥
丝锥是一种截面尺寸较大，变形要求严格，耐磨性要求高，且工作温度不高的刃具。CrWMn钢中，Cr和Mn都能提高钢的淬透性。W能够细化晶粒，改善钢的韧性。Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，在钢中能够形成较多的合金渗碳体，淬火低温回火后的硬度可以达到64-66HRC，因而具有高的耐磨性。CrWMn钢淬火后的残余奥氏体含量较高，使其淬火变形较小，对于形状复杂的薄壁工模具，可以通过适当调整淬火温度和冷却介质使其变形达到很小或不变形，因此适于制作丝锥。
成分范围：C:0.9-1.05％，Si:≤0.4％，Mn：0.80-1.10％，Cr:0.90-1.20％
对CrWMn钢的复合热处理分为两个步骤，一是预处理，二是淬火+低温回火.
1.CrWMn钢预处理
循环球化退火,经790℃/680℃3次循环球化退火处理后，颗粒状碳化物尺寸变小，分布较为均匀；用790℃/680℃3次循环球化退火，能改善组织中碳化物的形态和分布、缩短球化退火时间，节约能源。这是因为循环球化退火在Ac1(750℃)以上加热保温过程中，片状珠光体中的碳化物从尖角处溶解破断，而在Ar1(710℃)以下保温过程中，在原片状碳化物的平面处析出颗粒状碳化物，从而加速了CrWMn钢球化过程的进行，改善了碳化物的形态和分布。
2.淬火
等温淬火：在260-280℃范围内（Ms--Ms+30℃范围内）进行等温淬火，形成下贝氏体组织，可以获得满意的强度和韧性。等温淬火的等温时间不得超过1小时，否则会使韧性明显降低。
3.回火
CrWMn钢等温淬火后进行200℃回火比较合适，因为在此温度回火后，除降低应力外，所存在的一定数量的残余奥氏体能够最大限度地改善等温淬火钢的韧性。
二、热锻模
热锻模是在高温下通过冲击加压，强制金属成型的工具。工作中模具受到非常大的冲击载荷，并同时承受压应力、拉应力和附加应力。被加工金属在型腔内流变产生强烈摩擦力，型腔表面与高温（钢为1100-1200℃）金属接触，被加热到300-400℃，局部可能达到500-600℃，工作中模具还要经常冷却，产生交变的热应力，容易造成疲劳裂纹。
热锻模的失效形式为：由于磨损造成的型腔尺寸超差和产生纵向、横向裂纹，以及网状的热疲劳裂纹（龟裂），因此，锤锻模要求在其工作温度下保持高的强度和良好的冲击韧性，良好的热疲劳抗力、抗氧化性和热强性，以及高的淬透性、良好的导热性。
5CrNiMo钢是使用最为广泛的锤锻模用钢，这类钢在工作中受热温度升高时，仍具有良好的力学性能。成分范围：C:0.50-0.60％，Si:≤0.4％,Mn:0.50-0.80％,Cr:0.50-0.80％,Mo:0.15-0.30％,Ni:1.40-1.80％
1.锻造与退火
5CrNiMo属于亚共析钢，虽然是经过轧制与退火的钢材，但因尺寸较大，且大型轧材又具有各向异性，为了使其性能尽可能的均匀并获得所需要的形状，必须进行锻造。锻后模块内存较大的内应力和组织不均匀性，必须进行退火，退火后的组织由珠光体和铁素体组成，硬度为197～241HBS。其退火工艺见表一
表一 5CrNiMo钢的退火工艺
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加热温度/℃ |
保温时间/h |
冷却方式 |
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780～800 |
4～6 |
随炉缓冷至500℃，出炉空冷 |
2.淬火与回火
为了保证锤锻模获得足够的强度和韧性，最终热处理为淬火加中或高温
淬火加热可在盐浴炉、箱式炉为了防止模具表面氧化和脱碳，应将模面向下放入装有保护剂（铸铁屑和木炭）的铁盘中，然后用黄泥或耐火泥密封，，燕尾部分也采用保护剂及黄泥封盖加以保护。淬火时，必须防止应力过大而开裂，为此应尽量使油循环,特别时要控制锻模的出油温度应在150~200℃左右，出油温度也可根据在油中停留时间来控制，模具出油后应尽快回火，不允许冷至室温再回火，否则易开裂。
5CrNiMo钢的锤锻模的回火应保证消除应力，得到均匀的回火索氏体-屈氏体组织。包括模腔和燕尾两个部分的回火，由于燕尾直接与锤头接触，它的硬度应高于锤头，此外，燕尾的根部应引起应力集中，因而硬度也不宜太高，通常，燕尾的应低于模腔的硬度。图一为5CrNiMo钢的力学性能与回火温度的关系，可根据锻模的具体性能要求选取相应的回火温度。
图一 5CrNiMo钢的力学性能与回火温度的关系
一般锤锻模的回火温度不宜太低，如果太低，回火后硬度高，其韧性不足，在工作中模腔易出现裂纹；但回火温度也不宜太高，如果太高，硬度、强度和耐磨性降低，从而使模面以被压坏或加速磨损。生产上对不同尺寸的锤锻模有不同的硬度要求，采用的回火温度如表二所示。
表二 5CrNiMo钢的回火工艺
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类型 |
淬火温度/℃ |
淬火后的硬度/HRC |
回火温度/℃ |
回火后的硬度/HRC |
回火时间/h |
燕尾回火温度/℃ |
燕尾回火后的硬度/HRC |
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小型 |
840～860 |
53～58 |
490～510 |
44～47 |
2 |
620～666 |
34～37 |
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中型 |
520～540 |
38～42 |
2 |
640～660 |
30～34 |
||
|
大型 |
560～580 |
34～37 |
2 |
640～660 |
30～34 |
回火后需在油中冷却，以避免产生回火脆性，还可在190-200℃补充一次回火，以消除回火冷却过程中产生的内应力。
3.5CrNiMo钢的复合等温处理
5CrNiMo钢按规定淬火时，为了防止变形开裂，出油温度通常为150～200℃，仅略低于钢的Ms点，因而当表层获得马氏体时，工作的心部仍处于过冷奥氏体状态。在随后及时进行的回火过程中，这样的心部组织有可能转变为上贝氏体组织，使热锻模的韧性变差，使用寿命不高。针对这一问题，采用如图二的复合等温处理可取得明显效果。
三、冷冲模
冷作模具钢是用来制造使金属在常温状态下塑性变形的模具。冲裁模，用于将板料冲裁成一定的形状和要求的尺寸，这类模具通常有复杂的形状，并要求精确的尺寸。主要是刃口承受冲击、摩擦磨损、压应力和弯曲应力。这类模具的正常失效形式主要是磨损，非正常破坏有刃口剥落、镦粗和折断。这类模具的要求除了高硬度、高的耐磨性外，还要有高的强度和足够的韧性，热处理变形要小。
成分范围：C:1.45-1.7％,Si:≤0.4％,Mn:≤0.4％,Cr:11-12.5％,Mo:0.40-0.60％
1.Cr12Mo钢的锻造
Cr12Mo钢相变点为：AC1810℃、Accm875℃、Ar1695℃、Ms230℃。
Cr12Mo钢始锻温度1010~1050℃，终锻温度850~900℃，锻造后坑中冷却或砂中冷却。
2.Cr12Mo钢的热处理工艺
2.1等温球化退火
加热870~890℃，720~740℃等温，炉冷至550℃以下出炉空冷,硬度值为 217~255HBS ，加热温度稍高于Accm线，有利于改善未溶共晶碳化物的形态与分布，等温温度低于Ar1727℃线以下，以获得粒状珠光体组织+碳化物
2.2淬火
预热800~850℃，加热980~1050℃，保温，油冷 ，硬度值为62~64HRC 淬火加热温度高于Accm，有助于Cr、Mn、Si元素和少量Mo元素的溶解，提高淬透性，改善回火稳定性。未溶的Mo元素的碳化物及未溶的共晶碳化物细化了昌粒，保持强韧性，同时提高硬度与耐磨性，此时组织为马氏体+块粒状碳化物+残余奥氏体。
2.3回火
回火温度一般在200℃左右，回火后的组织为回火马氏体及块粒状碳化物。提高回火温度时，硬度值下降，强度和韧性会有所提高。
四、麻花钻头
麻花钻头可用铸造高速钢制造。在高速切削过程中，刃具的刃部温度可达600℃以上，刃具用的碳素钢和合金钢因受温度和切削速度的制约，不能满足高速切削的需要，因此，必须选用高速钢刃具，它在600℃时仍能保持硬度在60HRC以上，以保证刃具具有良好的切削能力和耐磨性。采用高速钢刃具可使切削速度提高1-3倍，而使用寿命增加7-14倍，所以，高速钢在机器制造业中广泛用于制作高温下工作的弹簧、轴承和模具。
成分范围：C:0.7-0.9％,W:17.5-19.0％,Mo:≤0.3％,Cr:3.8-4.4％,V:1.0-1.4％
1.W18Cr4V的热处理工艺前处理
热处理工艺前处理是退火，温度为870~880度，保温2~3小时，然后800一840度预热,从1270一1280度分级淬火,分级温度为580一620,然后再560度进行三次回火,回火时保温1小时.
W18Cr4V含大量的合金元素:塑性差,导热性差,在快速加热时的热应力使之变形开裂,所以要在加热到淬火温度1270一1280度在800一840预热,对形状复杂者,还应在500-650增加一次预热.V,W等主要起提高红硬性的元素要很高的温度下才溶解,但过高的温度又会使晶粒粗大,且W等合金元素都缩小A区,使得共析与共晶温度提高,因而选择1270一1280度.采用直接空冷,会析出二次碳化物,从而降低钢的红硬性.淬火后的组织为M十碳化物十残余A(多达30%)在550一570度回火析出WC等引起二次硬化,A分解,析C,降低合金元素含量,使Ms上升,从而造成二次淬火,一次回火,还有15%的残余A,二次回火残余A3%一5%,三次回火,只有1%一2%,最终得回火组织M十碳化物十极少量残余奥氏体
2 热处理工艺
2.1 退火
锻件锻后应立即放入白灰箱或干砂箱中严埋缓冷,冷却后应立即进行退火,退火的目的是为了消除 锻造应力,降低硬度以利于切削加工,同时也为随后的淬火作组织准备. W18Cr4V钢常采用等温退火工艺。退火后的组织是索氏体+粒状碳化物。
2.2 淬火
W18Cr4V属于高合金工具钢,导热性差,淬火加热时通常要在800℃850℃进行预热,对于大截面、形状比较复杂的零件,需进行两次预热。W18Cr4V钢的淬火加热温度很高,一般为1270℃1280℃,在这个温度范围,溶于奥氏体中的合金元素量才会多,淬火后马氏体中的合金元素量相应也高,高速钢的热硬性才会好。 淬火冷却一般采用分级淬火或油冷淬火。 淬火后组织为淬火马氏体（隐晶马氏体）+残余奥氏体+小粒状的碳化物。
2.3 回火
W18Cr4V钢淬火后残余奥氏体量较多可达30%,为了减少残余奥氏体量,消除应力,稳定组织,提高力学性能,淬火后要在560℃进行回火,高速钢回火时会产生“二次硬化”现象,使硬度得到提高. 由于高速钢淬火后残余奥氏体量高达30%,经一次回火是不能完全消除的,因此要在560℃进行三次回火.回火后的组织由回火马氏体、少量残余奥氏体、块状合金碳化物组成,硬度达到65HRC以上。
3 结论
通过对高速钢W18Cr4V性能特点的分析,提出其热处理工艺的合理制定,在实际生产中,W18Cr4V钢采用正确的热处理工艺处理后,用它生产的刃具及冷作模具综合力学性能好,使用寿命长
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