關于提高5CrNiMo模具使用壽命的研究

文／張強，徐艷君，吳興晗·遼寧金鋼重型鍛造有限公司王嘉錚·鞍山太陽鍛造實業有限公司

關于提高5CrNiMo模具使用壽命的研究

文／張強，徐艷君，吳興晗·遼寧金鋼重型鍛造有限公司王嘉錚·鞍山太陽鍛造實業有限公司

模具成形技術具有材料利用率高、生產效率高、生產成本低等特點，采用橫向鍛造工藝生產5CrNiMo熱作模具鋼，可改變其纖維流向，配合采用新型的熱處理工藝，實踐證明可以將其使用壽命延長至原來的1.4倍。

5CrNiMo是一種20世紀30年代初應用的熱作亞共析模具鋼材料，具有良好的綜合力學性能及淬透性，主要用于熱作模具的生產制造，應用十分廣泛。由于5CrNiMo模具鋼加工周期相對較長，對使用性能的要求高，因此，模具生產制造企業及使用企業都將延長5CrNiMo模具的使用壽命作為重要的研究課題。而鍛造可以消除模具鋼原料的內部缺陷，改善微觀組織，鍛后再經過熱處理更可以改善模具鋼的內在質量，從而使模具具有更長的使用壽命。

工藝設計依據

鍛造后的模塊經過一系列的熱處理及加工工藝即可成為模具，而模塊的成形主要依靠鐓粗與拔長工藝，而鐓粗與拔長的反復進行，可以改善鋼錠中碳化物的分布狀態、形態及力學性能，但當變形達到一定程度后，繼續鐓拔對碳化物的作用會越來越小，綜合考慮模具的尺寸大小、力學性能及工作部位等因素，設計合理的鍛造工藝及鍛造比可使模具的使用壽命得到提高。鞍山太陽鍛造實業有限公司采用的5CrNiMo模塊規格主要為1150mm×850mm×500mm，本文主要針對此規格模塊進行說明。

兩種鍛造工藝介紹

軸向鍛造工藝

遼寧金鋼重型鍛造有限公司所采用的5CrNiMo原料冶煉方式為精煉脫氣，原料的交貨狀態為退火鋼錠。采用軸向鍛造的方法時，坯料的加熱溫度為1150～1180℃，始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為850℃，采取緩冷的方式進行冷卻。坯料進行兩次軸向鐓拔后修整成形，一次、二次鐓粗鍛造比均大于2，拔長鍛造比均在2.5左右。

橫向鍛造工藝

加熱工藝不變，坯料采用橫向鍛造的方法，具體工序流程為：軸向鐓粗→改變纖維流向，橫向拔長→軸向鐓粗→橫向拔長，修整成形。一次鐓粗鍛造比大于2，二次鐓粗鍛造比大于2.5，一次、二次拔長鍛造比均為3～3.5。

鍛后熱處理工藝

預備熱處理

為了預防產生白點、消除鍛造應力、細化晶粒、均勻化學成分，遼寧金鋼重型鍛造有限公司對鍛造后的成品及時進行了不完全退火工藝，另外，對退火后的模塊進行了超聲波探傷，若晶粒仍然粗大，該模塊必須進行二次退火，直到得到細化的晶粒組織，為后續的調質熱處理提供良好的均勻組織。

調質熱處理

遼寧金鋼重型鍛造有限公司主要采用油淬空冷、二次回火的分段調質熱處理方法，使模具材料的上、下兩部分獲得不同的工作硬度以滿足生產中的實際需求：模具材料的工作面得到38～42HRC的高硬度，使其具備較高的強度；而與設備組裝的燕尾面僅達到28～33HRC的硬度要求即可，以保證此面的韌性，防止鍛打時與其相連接的錘桿發生斷裂事故。

圖1 剛開始進行淬火時

圖2 上表面溫度降至680℃時

模塊在860℃透燒出爐后，先在空氣中預冷一段時間，以減少淬火時的熱應力，待溫度降至780℃時再入油淬火(油溫30～50℃），開始時入油深度僅為模塊高度的一半(圖1），此時下半部分開始淬火；當上表面溫度降至680℃時，模塊即刻全部入油淬火(圖2），油冷至150～200℃時取出，淬火后的模塊要馬上進行回火，根據模具硬度要求，回火溫度定為520℃，保溫時間為8h，然后出爐空冷至室溫。對于大截面模塊，實驗表明淬火后組織中存在部分殘余奧氏體，雖然殘余奧氏體是軟韌相，對淬火時產生的應力有緩沖作用，但也有其不利的一面，即在回火過程中它會轉變成其他組織，如貝氏體或馬氏體，且轉變不一定充分，可能在模塊中殘留較大的淬火應力，降低模塊韌性，所以有必要對模塊進行二次回火，使殘余奧氏體充分轉變(過程與首次回火相同）。由于模塊上、下面的淬火溫度和時間不同，導致上、下面組織轉變程度有所差別，最終表現為淬火硬度不一，再經兩次回火處理，便得到了上、下不同的硬度，即工作面的硬度為38～42HRC，燕尾面的硬度為28～33HRC。這樣就使模塊在保證工作硬度的同時也具備了一定的韌性，提高了模塊的壽命，滿足了客戶的使用要求。

兩種鍛造工藝的對比

金相組織

在侵蝕劑均為4%的硝酸酒精溶液、放大倍數均為500倍的情況下，軸向鍛造調質熱處理后工作面、燕尾面與橫向鍛造調質熱處理后工作面、燕尾面的金相組織分別如圖3～6所示，其中軸向鍛造調質熱處理后工作面的基體為回火托氏體，燕尾面的基體為回火索氏體＋少量回火托氏體；橫向鍛造調質熱處理后工作面的基體為回火托氏體，燕尾面的基體為回火索氏體。由圖3～6可以看出，橫向鍛造的工作面的基體組織要比軸向鍛造的細密，并且對于燕尾面，橫向鍛造也比軸向鍛造的基體組織成分均一、細密。

圖3 軸向鍛造調質熱處理后工作面的金相組織

圖4 軸向鍛造調質熱處理后燕尾面的金相組織

圖5 橫向鍛造調質熱處理后工作面的金相組織

圖6 橫向鍛造調質熱處理后燕尾面的金相組織

抗熱疲勞性

采用軸向鍛造工藝與橫向鍛造工藝生產的產品的熱疲勞級別的對比見表1。由表1可見，在同等條件下，采用橫向鍛造工藝生產的產品的抗熱疲勞性要優于軸向鍛造工藝。

■ 表1 熱疲勞級別的對比

力學性能

采用軸向鍛造工藝與橫向鍛造工藝生產的產品的力學性能指標的對比見表2。由表2可見，采用橫向鍛造工藝生產的產品的力學性能要優于軸向鍛造工藝。

■ 表2 力學性能指標的對比

軸向鍛造工藝適用于工作表面沿圓周分布的模具，而對于心部使用頻率較高的大型模具，橫向鍛造工藝有其自身的優勢：⑴拔長時端面開裂傾向小，鋼材最致密、塑性最好的表面始終處于拔長時的端面；⑵由于鋼材表面層轉移到鍛坯的端面，纖維流向呈橫向分布，鍛件端面組織致密；⑶鍛件心部組織改善的效果好；⑷操作方便，有利于采用大鐓粗比。

兩年來，從鞍山太陽鍛造實業有限公司的使用情況來看，10t模鍛錘上使用的5CrNiMo模具(主要用于生產汽車前軸）采用橫向鍛造工藝與新型熱處理工藝生產后，服役壽命延長至原來的1.4倍以上，大大節省了模具成本。

注意事項

⑴橫向鍛造工藝主要適用于工作型腔及刃口在端面及中心處的凸模及冷鐓、冷擠壓模具，不適用于工作部位在圓周的模具及要求淬火微變形的精密模具。

⑵5CrNiMo模塊在生產過程中要嚴格執行加熱、鍛造工藝，加大最后一次變形時的鐓粗比并控制好終鍛溫度，以免出現裂紋。

⑶鍛后的成品要及時緩冷并熱處理，以免出現白點。

結束語

模具成形技術已經成為工業上進行成批或大批生產的主要技術手段，它對保證產品質量、縮短生產周期、爭占市場以及產品更新換代都具有決定性的意義。而我國模具生產技術落后，能源消耗高、材料消耗大、產品更新速度慢，這些都在制約著我國工業發展的腳步。正因如此，國家已經將模具工業劃為重點研究的領域之一，遼寧金鋼重型鍛造有限公司作為模具材料的生產企業，竭誠希望能與各位同行及相關行業單位合作交流，不斷探索各種新方法，為我國的模具市場提供優質的節能新材料。

張強，鍛壓車間主任，主要從事自由鍛件的鍛造工藝及熱處理工藝的研究工作，在鈦合金鍛造及熱作模具鋼鍛造領域有較深的造詣。