5CrMnMo型熱作模具鋼在熱鍛模具中的應用及熱處理

宿州市模具熱處理研究中心 （安徽 234000） 趙昌勝

熱鍛模具在工作過程中承受劇烈急冷、急熱循環，較高的沖擊載荷，復雜的多向應力，以及苛刻的摩擦、磨損。這就要求熱鍛模具具有較高的沖擊韌度和斷裂韌度，高的高溫強度及高溫硬度，高的熱疲勞抗力，以及較高的耐回火性及抗氧化能力等。

為了提高熱鍛模具的使用性能和使用壽命，還要對熱鍛模具鋼進行正確的熱處理。

1.熱作模具鋼的性能及在熱鍛模具中的應用

高韌性熱作模具鋼淬透性較高，有一定的耐回火性和高溫強度，能在400～500℃抗熱工作，但相對其他熱作模具鋼，耐熱性能較低。這類鋼有高的沖擊韌度和疲勞強度，屬高韌性鋼，同時還具有好的耐熱性、抗氧化性和加工工藝性，屬低耐熱高韌性熱作模具鋼。錘鍛模具一般選用低耐熱高韌性熱作模具鋼。

常用鋼號有5Cr Mn Mo、5Cr Ni Mo、4CrMnSiMoV、45Cr2NiMoVSi、5Cr2NiMoVSi、3Cr2MoWVNi鋼等，其化學成分如表1所示。

5CrMnMo鋼是傳統的熱鍛模具鋼，鋼中加入Cr可以提高淬透性、高溫強度和抗氧化能力；加入Mo主要是為了控制回火脆性，提高耐回火性。該鋼適用于制造要求較高強度和高耐磨性的各種類型鍛模（邊長≤400mm）。

5CrNiMo鋼也是傳統熱鍛模具鋼，但具有十分良好的韌性，同時具有良好的強度和高耐磨性，加熱到500～600℃時，與室溫力學性能幾乎相同，500℃仍能保持300HBW左右的硬度。5CrNiMo鋼具有十分良好的淬透性，多用來制造大中型鍛模。

表1 高韌性熱作模具鋼化學成分（質量分數） （%）

4CrMnSiMoV鋼是近20年來我國在低合金大截面熱作模具鋼領域發展的鋼種之一。該鋼具有較高的強度、耐磨性、良好的沖擊韌度、淬透性，并有較高的耐回火性，以及良好的高溫強度和耐熱疲勞性能。4CrMnSiMoV鋼的冷、熱加工性能好，適于制造各種類型的錘鍛模和壓力機鍛模。

45Cr2NiMoVSi鋼是新型熱作模具鋼，與5CrNiMo鋼相比有以下優點：淬透性提高，熱穩定性溫度提高150～170℃，高溫強度提高64%，既有較高的強韌性，較高抗熱疲勞和熱磨損性，又有優良的使用性能。對于500mm×500mm截面的鍛模，其心部硬度較5CrNiMo鋼高出13HRC，使用壽命可提高一倍左右，適合制造各類錘鍛模。

5Cr2NiMoVSi鋼是新研制成功的大截面壓力機鍛模鋼，性能與45Cr2NiMoVSi基本相同，鋼的熱穩定性、熱疲勞性能和沖擊韌度較好，適宜制造大截面的壓力機模具和錘鍛模等熱作模具。

3Cr2NiMoWV鋼碳含量較低，淬火后最高硬度為52HRC。該鋼具有二次硬化效應，經600℃回火后，仍能保持較高的硬度（45～50HRC），回火溫度高于600℃后，硬度才會急劇下降。其熱穩定性能明顯高于5CrMnMo、5CrNiMo和4CrMnSiMoV鋼。3Cr2NiMoWV是比較理想的熱鍛模材料，用來制造突緣、滑動叉和羊角等機鍛模具。

2.熱作模具熱處理工藝

（1）預備熱處理 一般有兩種工藝：①普通退火。熱鍛模具鍛造后，模塊內存在較大的內應力，必須進行退火，可采取完全退火或等溫退火。②軟化退火。熱鍛模具因磨損而造成尺寸誤差，需進行翻新，為便于加工，模具應進行軟火處理。5CrMnMo、5CrNiMo鋼軟化溫度為650～680℃，4CrMnSiMoV、5CrMnMoV鋼軟化溫度為720℃。

（2）淬火工藝 為了保證熱鍛模具獲得足夠的強度和韌性，最終熱處理為淬火+中溫回火或高溫回火。

熱鍛模具淬火加熱可在鹽浴爐、箱式爐、可控氣氛爐和真空爐中進行。由于熱鍛模尺寸較大，多采用在箱式電爐中加熱，為了防止模具表面氧化和脫碳，需對模具型腔表面及燕尾部分進行保護。將模面向下放在裝有保護劑（鑄鐵屑和木炭等）的鐵盤中，四周也用保護劑填滿，上面用黃泥或耐火泥密封，燕尾部分也采用保護劑及燕尾封蓋加以保護。為避免燕尾槽在淬火冷卻時開裂，可在圓角處包扎石棉繩，以降低燕尾槽處的冷卻速度。對于大型或形狀復雜的熱鍛模淬火加熱時需進行預熱，預熱溫度為550～600℃。

淬火加熱溫度根據模具材料而定（見表2）。一般的熱鍛模具鋼都有很高的淬透性，因此鋼的淬火可以采取多種冷卻形式，如油淬、分級淬火或等溫淬火，其中最常用的是油淬。為了減少變形，生產中經常在模具出爐后先在空氣中預冷一下再淬火，油溫一般以30～70℃為宜，出油溫度應在150～200℃，模具出油后應盡快回火，不允許冷卻到室溫再回火，以防止模具開裂。

近年來的研究表明，熱鍛模具隨著淬火溫度的提高，鋼中的碳化物溶解更充分，使鋼斷裂韌度有所提高，鋼的耐回火性和熱穩定性也得到提高；同時，隨著淬火溫度的提高，鋼的組織以板條馬氏體為主，從而提高了鋼的韌性。例如，將5CrMnMo鋼的淬火溫度提高到890℃，并于500℃回火，熱鍛模可獲得板狀馬氏體為主的混合馬氏體，其強度、韌性、塑性，特別是斷裂韌度均保持較高水平。

表2 高韌性熱作模具鋼淬火及回火工藝

（3）熱鍛模具的回火工藝 熱鍛模具淬火后應立即進行回火，目的是為了降低模具淬火產生的內應力，使其獲得穩定的組織，從而達到生產所需要的硬度及其他性能要求。其回火溫度根據模具的要求而定。回火工藝參數如表2、表3所示。

熱鍛模的回火保溫時間應充分，以保證模具心部組織轉變充分，否則容易產生開裂。表3為不同規格的模具在電爐中的回火保溫時間。

表3 熱鍛模在電爐中的回火保溫時間規程

回火次數：生產中常采用一次回火。但一次回火后常發生開裂，主要原因是模具心部因淬火時溫度過高而使部分殘留奧氏體轉變為馬氏體，模具內存在較大內應力，造成模具開裂。第二次回火可使其轉變為回火馬氏體，消除了這種應力。第二次回火溫度應低于第一次回火，并應在第一次回火冷卻至溫室后進行。燕尾部分硬度一般要求低于熱鍛模模腔部分，因此應單獨進行回火，其回火方法是在保證模腔達到硬度要求后，再用專用電阻爐或用鹽浴爐對燕尾部分單獨回火。也可采用自回火，即將淬火加熱后的鍛模整體淬入油一段時間，依靠本身的熱量使溫度回升，如此反復3～5次即可，但應注意安全，以防油的燃燒。

熱鍛模具有回火脆性，在回火時應予以注意，盡量避免在回火脆性區回火。如5CrNiMo鋼，在300～350℃之間回火時，其沖擊韌度下降。因此，5CrNiMo鋼合適的回火溫度應在400℃以上。

3.實例

（1）提高熱鍛模淬火溫度，延長模具使用壽命 齒輪鍛模，材質為5CrNiMo鋼，硬度要求40～42HRC。普通熱處理工藝：860℃×8～10h淬火，預冷至800℃油冷，冷至150℃后立即進行500℃回火，保溫6h后空冷，模具硬度40～42HRC，符合技術要求。

改進后工藝：960℃×8～10h，預冷至800℃后油冷，冷至150℃立即回火；300℃×2h預熱＋500℃×6h回火后空冷，模具硬度43～44HRC，硬度略高于技術要求。

改進后的工藝使熱鍛模強韌性得到提高，模具使用壽命顯著提高，1t鍛模原熱處理工藝處理后只能加工800件，新工藝處理后可加工9000件，提高熱鍛模使用壽命10倍多。

（2）采用等溫淬火，模具使用壽命增加 熱鍛模采用等溫淬火工藝，在適當溫度下等溫，可獲得下貝氏體組織，模具的沖擊韌度及斷裂韌度會得到提高，而且下貝氏體組織具有較高的強韌性，模具的使用壽命有明顯提高。

5CrNiMo鋼熱鍛模經880℃淬火、500℃回火的組織性能與經880℃加熱、230℃等溫淬火再經500℃回火的組織及性能對比如表4所示。

表4 5CrNiMo鋼模具組織和性能對比

從表4中可以看出，等溫淬火及回火后熱鍛模具的斷裂韌度明顯提高，模具使用壽命有所增加。

（3）5CrMnMo鋼的化學熱處理 熱鍛模加熱到880℃，碳氮共滲并高溫淬火，淬火區硬度＞62HRC，再經500℃回火后，在保持鋼的耐熱性、耐磨性及一定硬度的前提下，可使熱鍛模的熱疲勞壽命提高22%、KIC提高20%～30%。再經540℃×4h氣體氮碳共滲，使之具有抗氧化、抗咬合擦傷能力，較高的耐磨性及良好的減摩性，提高了模具的承載能力、抗擠壓能力及高溫強度，降低了模具型腔塌陷變形傾向，提高了模具使用壽命。與常規熱處理比較，壽命提高了5～6倍。