5CrNiMo熱鍛模具鋼碳氮硫共滲熱處理工藝

文／葛希佩，李新軍，紀寶華，賈雨，張務東·山東溫嶺精鍛科技有限公司

5CrNiMo熱鍛模具鋼碳氮硫共滲熱處理工藝

文／葛希佩，李新軍，紀寶華，賈雨，張務東·山東溫嶺精鍛科技有限公司

現在企業壓力越來越大，因此必須改進生產工藝，采用新技術、新工藝以降低生產成本，才能提高公司的市場競爭力。鍛造模具在生產中直接影響鍛件的精度及質量，所以采用的模具材料價格較普通鋼材貴，并且加工熱處理工藝復雜，因此模具的費用通常占鍛件成本的5%～8%，也就決定著模具的壽命和質量，在鍛造生產中起著舉足輕重的作用。

然而模具在工作過程中，熾熱的金屬被強制成形時，模面受到強烈的摩擦并承受高達500～600℃的工作溫度，還要承受大的沖擊力或擠壓力；另一方面還要受到噴入型腔冷卻劑的激冷作用，使模具處在時冷時熱的狀態下；使模具產生冷熱疲勞裂紋、磨損、變形等綜合失效形式，圖1所示為模具的熱疲勞裂紋。特別是我公司的變速箱齒輪模具、主從動錐齒輪模具易發生變形、磨損、裂紋等失效形式，導致變速箱齒輪模具壽命低，大大增加了鍛件的單件生產成本，并且頻繁地更換模具嚴重影響了鍛件的生產加工效率。

5CrNiMo熱鍛模具鋼作為一種最常用的普通熱鍛模具鋼，因其價格低、塑性好等特點，被錘鍛模、摩擦壓力機模等廣泛采用；現有的常規熱處理方式處理的5CrNiMo熱鍛模存在熱處理后熱穩定性及強度較低、易變形、壽命短等缺點，存在被價格高、性能好的4Cr2MoVNi、4Cr5MoSiV1等優質熱鍛模具材料所代替的趨勢。然而由于4Cr2MoVNi、4Cr5MoSiV1等優質材料的價格昂貴、熱處理需要高溫爐、真空爐等高端設備，造價較高，對批量小、設備落后的生產條件又不適應。因此，急需一種新的5CrNiMo熱處理工藝，來解決鍛模熱裂和熱磨損失效的問題，以提高模具的硬度、強度、耐磨性、冷熱疲勞抗力以延長模具的使用壽命，針對我公司模具更換頻繁、產品批量小等情況，結合現有的熱處理設備，經過兩年的試驗，成功摸索出5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝，解決了5CrNiMo常規熱處理模具壽命短的問題。

圖1 模具的熱疲勞裂紋

5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝，是在常規熱處理的基礎上，對5CrNiMo熱鍛模具鋼進行鹽浴，使其完成碳氮硫共滲。鹽浴1h，滲層厚可達到0.1mm；鹽浴2h，滲層厚可達到0.2mm。提高了模具表面硬度，相對于氣體滲氮的熱處理方式，提高了模具表面硬度，使其不易變形，且壽命提高了60%以上。

5CrNiMo模具常規熱處理工藝流程

5CrNiMo模具常規熱處理工藝流程為預熱→升溫→淬火→回火→冷卻，具體如下：

⑴預熱。將粗車處理后的模具加熱至600℃，保溫4h。

⑵升溫。將預熱處理過的模具繼續升溫至860℃。

⑶淬火。將升溫處理后的模具在860℃下保溫6h后預冷至780℃，然后油冷至180℃。圖2所示為加熱爐及淬火池。

⑷回火。將淬火處理后的模具升溫至280℃，保溫4h，然后繼續升溫至480℃，保溫6h，再降溫至200℃出爐。圖3所示為回火爐及其控制柜。

⑸冷卻。將回火處理后的模具空冷至室溫。

圖2 加熱爐及淬火池

圖3 回火爐及其控制柜

5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝

5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝為預熱→升溫→淬火→回火→冷卻→精車加工→預熱→鹽浴→回火，即在常規熱處理工藝后增加預熱、鹽浴、回火工序。增加工序具體如下：

⑴預熱。將精車成品模具加熱至350℃～370℃，保溫1h。

⑵鹽浴。將預熱后的模具加熱至500℃～520℃，保溫2～3h，然后將模具放入熔融鹽進行鹽浴，鹽浴時間為1.5～3h。圖4所示為碳氮硫共滲爐。

⑶回火。將所述鹽浴后的模具用60℃～80℃的水清洗，然后將清洗后的模具放入回火爐，隨爐降溫至350℃～370℃保溫1～2h后，再降溫至180℃～200℃保溫1～2h，然后出爐空冷至室溫，檢查硬度。

再生鹽的濃度為34%～36%，鹽浴過程中的濃度控制方法包括：①當鹽浴的液面低于初始液面時，補充基鹽，使液面到達初始液面；②每8h檢測一次再生鹽濃度，當再生鹽的濃度低于使用標準時，加入的再生鹽使其濃度達到標準值；③若8h后液面仍未降低，則進行撈渣，撈渣后觀察液面并檢測再生鹽濃度，以補充基鹽或再生鹽。

圖4 碳氮硫共滲爐

實例驗證

采用上述碳氮硫共滲熱處理工藝對從動螺傘錐齒輪2402N4-026的5CrNiMo模具進行處理，并與常規熱處理方法處理過的模具分別進行硬度檢測（實例為5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝，對照組為5CrNiMo常規熱處理工藝），檢測結果如表1所示。

表1 兩種工藝下模具硬度檢測對照表

將采用碳氮硫共滲熱處理工藝處理過的模具制備試樣進行金相組織觀察，表面為灰白亮色合金混合組織和過渡層，內部為馬氏體組織。金相組織如圖5所示。

圖5 碳氮硫共滲模具金相組織

經驗證，采用5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝處理過的5CrNiMo從動錐齒輪模具，硬度可達到HRC50，與常規熱處理后的硬度為HRC40～43相比，有明顯提高，采用5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝處理過的模具鍛打2402N4-026被動錐齒輪800件時模膛無變形，光亮如新（圖6）。未經鹽浴滲化的模具鍛打700件就出現磨損，出現飛邊和少量疲勞紋。與常規熱處理工藝相比，碳氮硫共滲熱處理工藝處理的5CrNiMo模具壽命提高了60%以上；此熱處理工藝處理后的模具表面干凈光滑、呈灰白色、用后光亮；圖7所示為采用碳氮硫共滲模具鍛打的產品。

圖6 鍛打800件后的模膛無變形

圖7 碳氮硫共滲模具鍛打的產品

結束語

5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝相對其他化學熱處理具有工藝污染少，不產生廢氣、廢水及其他有害物質，不會造成環境污染的優點，改善了工人的工作環境。細化的馬氏體晶粒使滲層的耐磨性、抗接觸疲勞能力大大提高；此熱處理工藝處理的模具質量優異、壽命長、經濟效益顯著。