超細晶強化技術在熱鍛模增壽中的應用

石 鑫，徐勝利

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

超細晶強化技術在熱鍛模增壽中的應用

石 鑫，徐勝利

（西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

本文通過對熱鍛模失效形式分析和超細晶強化技術的探討，提出了采用超細晶強化方法提高熱鍛模壽命的途徑，并通過實例進行驗證說明。

鍛模；強化；壽命；晶粒度

鍛模的使用壽命直接關系到鍛件的產量、質量和成本。眾所周知，鍛模工作條件較為惡劣，直接承受高溫、大的沖擊載荷和復雜多變的熱應力作用。目前有許多提高鍛模壽命的方法，其中超細晶強化技術以其獨特的作用成為一種提高鍛模壽命的有效途徑。

1 熱鍛模失效形式及影響壽命的因素

1.1 失效形式

熱鍛模工作中受到巨大的沖擊載荷，承受很大的壓應力、拉應力和彎曲應力作用。在此受力條件下，往往造成鍛模的機械疲勞裂紋；同時，它又受到高溫鍛件的直接作用，使鍛模型腔表面溫度高達1100℃度以上，且鍛件與型腔表面產生劇烈摩擦，這樣的工作條件，使型腔表面形成溝槽而成為應力破壞之源，并造成模具型腔表面的直接磨損和氧化；因模具高溫強度不足而被壓塌導致塑性變形。另一方面，由于鍛模在高溫下承受較大的沖擊載荷及復雜的熱交變應力產生熱疲勞裂紋，且在其周圍存在腐蝕性介質，造成應力腐蝕破壞。由此可見，鍛模工作條件十分復雜，影響鍛模壽命的因素也是多方面的。

1.2 影響鍛模壽命的因素

影響鍛模壽命的因素很多，但主要表現在如下幾方面：①鍛件材料的特性和加熱條件；②鍛件形狀；③鍛模結構和型腔表面質量；④鍛造負荷和鍛造速度；⑤模具的冷卻方式和預熱溫度；⑥模具的潤滑；⑦模具材料的選擇和組織結構。

2 鍛模壽命探討

前述影響鍛模壽命的諸多因素中，有些是從屬于鍛件本身的（如鍛件材料、形狀），但大多數不利因素是可控制和改善的，本文針對模具材料的組織結構對其壽命的影響進行探討。

2.1 鍛模材料的組織結構對其壽命的影響

根據鍛模的工作條件，適應于熱鍛模的材料必須具備較高的高溫強度和沖擊韌性，高的耐磨性與硬度，優良的耐熱疲勞性和高的淬透性，良好的導熱性。為了獲得這些良好的性能，研制了許多適用于熱鍛模的優質模具鋼，但對于鍛模材料組織結構對其壽命的影響尚需進一步研究。

2.1.1 晶粒超細化對鍛模的強化效果

研究發現，晶粒超細化可大幅度提高鋼的屈服強度和沖擊韌性，晶粒的平均直徑與屈服應力之間有如下關系：

式中：σo——常數，表示晶內對變形的抗力（阻力）；

k——常數，表示晶界對變形的影響。

從公式中可看出屈服應力與晶粒平均直徑成反比。即晶粒越細小，σs值越高。鋼的晶粒度與強度之間的關系如圖1所示。晶粒度對鋼的屈服強度、韌性的影響實驗結果如圖2、圖3所示。

2.1.2 超細晶強化機理

眾所周知，從多晶體的塑性變形角度看，多晶體的變形抗力主要通過晶粒內部的滑移、孿生和晶界的切變相互協調作用體現。從宏觀方面看，在常溫和低溫狀態，晶界的強度高于晶內強度，如圖4所示，而晶粒的微細化大大增加了晶界面積，從而增加了材料的低溫強度。

圖1 晶粒大小對強度影響示意圖

圖2 低碳鋼的晶粒大小與屈服強度的關系

圖3 晶粒度d與斷裂強度σc和屈服強度σs的關系

圖4 多晶體的晶粒晶界強度隨溫度的變化

從微觀分析可知，在多晶體中，屈服強度是與滑移從一個晶粒轉移到另一個晶粒緊密相關的，而這些轉移能否發生，主要取決于一個晶粒晶界附近的位錯塞積群所產生的應力能否激發另一個晶粒中位錯源也開動起來而進行協調性的次滑移。位錯塞積群應力的大小與塞積的位錯數n有關，n越大，應力集中也越大。而n的大小，當外加應力和其他條件一定時，是和晶界附近的位錯塞積群到晶內位錯源的距離相關的，晶粒越大，則這個距離越大，位錯源開動的時間越長，n也就越大。因此，在同樣外加應力作用下，大晶粒的變形由一個晶粒轉移到另一個晶粒的機會就越多，小晶粒則正好相反。這就是為什么晶粒越細小，屈服強度越高的原因所在。另一方面，當晶粒尺寸大時，變形受晶界的影響區域也相對地縮小了，晶粒內部和晶界附近的變形量相差就比較大，而細晶粒又正好相反。因晶體變形最突出的特點是其不均勻性，它是金屬斷裂的基本原因之一，而晶粒越細，變形的不均勻性越小，相對來說，引起的應力集中也越小，開裂機會也隨之相應減少了，因此，在斷裂前可承受較大的變形量即延伸率增大。因而，在強度和塑性同時增加的條件下，韌性也就跟著提高了。

另外，從圖3可以看出，隨著晶粒的細化，屈服強度σs連續增大，但斷裂強度σc的變化卻有一個明顯的轉折點。對應于這個轉折點的晶粒直徑尺寸(dc)，相當于脆性轉化尺寸，晶粒直徑小于它時（右側）為韌性斷裂區，晶粒直徑大于它時（左側）為脆性斷裂區。在脆性斷裂區σc與σs相近，一但發生塑性變形，就會很快引起斷裂。這表明塑性變形促進了斷裂，裂紋的形成對斷裂起了主要作用，而晶粒的細化作用，僅在提高塑性變形抗力。在韌性斷裂區，隨著晶粒的細化，σc與σs之間的差值越來越大，在σc與σs之間允許裂紋存在，這說明裂紋產生已不是斷裂的主要問題，關鍵在于裂紋能否擴展以及擴展的阻力大小。這里晶粒的細化作用主要是增大了裂紋擴展的阻力。而阻力之所以增大，是由于提高了塑性，增大了塑性變形對斷裂產生的效應。從斷裂力學可知：

式中：σc——裂紋擴展臨界應力；

E——材料彈性模量；

γp——塑性變形對斷裂產生的效應；

γs——裂紋表面能；

c——裂紋尺寸。

由上式可以看出，由于塑性增加而引起γp增大，導致了裂紋擴展的臨界應力σc增大，也就是說，增大了裂紋擴展的阻力；另一方面，晶粒細化意味著晶界總面積增加，晶界本身對裂紋的限制作用增加，從而使晶體中已形成的微小裂紋不至于擴展，即晶粒越細小，斷裂強度越高。

2.2 超細晶強化的途徑

根據以上分析可知，晶粒超細強化是提高鍛模壽命強有力的措施，晶粒超細化處理工藝，應根據模具材料確定。但一般情況下可通過：①在接近Ac3線的溫度強烈變形，恒溫或緩慢冷卻，使變形奧氏體再結晶，再快速冷卻阻止再結晶的晶粒長大的機械熱處理方法。②采用快速反復奧氏體化和淬火。③高溫形變熱處理加低溫形變和再結晶退火。這些途徑均可獲得超細晶粒。

3 鍛模超細晶強化實例

3.1 5CrMnMo鋼制鍛模超細晶強化

生產支柱螺管鍛件中，在2t模鍛錘上鍛制，采用5CrMnMo鋼制鍛模。工作條件為：鍛模預熱120℃～150℃、鍛造溫度900℃～1250℃、鍛打速度60次/min。鍛模原材料為5CrMnMo圓鋼。制造工藝流程為：棒料改鍛-機械加工-熱處理-鉗修-入庫。

原采用880℃淬火+500℃回火工藝，獲得的晶粒度較粗大（7級），鍛模平均壽命只有3000件左右。經分析，改進熱處理工藝方法，采用910℃正火預處理+780℃淬火+500℃回火工藝，獲得細小的晶粒度組織（10級），鍛模平均壽命提高到10000件左右。

兩種熱處理方法獲得的組織性能如表1所示。

3.2 3Cr2W8V鋼制鍛模超細晶強化

在300t摩擦壓力機上使用的3Cr2W8V鋼制曲柄零件熱鍛模，工作條件為：模腔采用油冷卻，鍛打速度8～12件/min，模具承受很大的沖擊載荷、摩擦和熱疲勞作用，斷裂失效嚴重。由于曲柄熱鍛模外形尺寸不大（280×100×95）原采用 500℃、850℃兩次預熱處理+1080℃油淬+580℃～610℃兩次回火處理工藝時，獲得的組織較粗大，強度σb為1500 MPa、硬度45～48 HRC、沖擊韌性αk=28J/cm2。鍛模平均壽命4500件左右。我們在原工藝的基礎上提高淬火溫度，改進后的熱處理工藝為：500℃、850℃兩次預熱處理+1140℃油淬+640℃兩次回火處理工藝后，獲得組織細小，強度提高到1650 MPa、硬度仍為45～48 HRC，沖擊韌性αk=35.5J/cm2，壽命提高到8000件左右。鍛模壽命提高的原因是高強度馬氏體上分布適量下貝氏體組織，使馬氏體的晶粒細化，組織致密，提高了材料強韌性、抗斷裂韌性、熱疲勞抗力和裂紋擴展阻力。

表1 5CrMnMo鋼不同熱處理工藝的組織性能

4 結束語

本文通過對影響鍛模壽命的因素分析，探討了采用超細晶粒強化方法提高熱鍛模壽命的途徑；通過兩種鍛模強化實例，說明提高鍛模壽命的工藝方法。對更多的超細晶強化工藝方法有待進一步實踐。

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Application of ultra-fine grain strengthening technology in life elongation for hot forging die

SHI Xin,XU Shengli
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China）

By analysis of failure form of the hot forging die and discussion of the ultra-fine grain strengthening technology,it is put forward that the ultra-fine grain strengthening method has been adopted to improve the hot forging die life,which has been verified by the practical example.

Forging die;Strengthen;Life;Grain size

TG315.2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.030

1672-0121（2017）04-0101-03

2017-03-05；

2017-05-08

石 鑫（1981-），男，碩士，講師，從事飛行器制造技術研究。E-mail：26522469@qq.com