熱處理工藝在熱擠壓模具制造過程中的應用研究

趙 峰

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

熱作模具主要用于熱變形加工和壓力鑄造，包括錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模三大類。熱作模具在工作過程中主要是在高溫條件下承受沖擊力和交變應力，模具表面溫度可達到400 ℃～700 ℃，甚至700 ℃以上。熱作模具的工作條件要比冷作模具的工作條件苛刻一些，所以對熱作模具鋼的要求會更高，對熱作模具鋼的強度、沖擊韌度、熱硬性和耐磨性也提出了更高的要求。也就是說，需要采用合理選擇熱作模具材料及熱處理工藝的方法，以解決沖擊韌性差易開裂、熱硬性低易塌陷以及高溫時材料的耐磨性不高導致模具使用壽命明顯降低等一系列的問題。3Cr2W8V是高熱強性熱作模具鋼的代表鋼號，屬于中碳高合金鋼，該鋼中鎢的含量達到了8%（質量分數），合金元素主要是鎢，鋼中較高的含鎢量使得鋼的回火穩定性提高，并在回火過程中析出碳化物造成二次硬化，因此3Cr2W8V鋼的紅硬性也較好。雖然它存在一些缺陷，但是它的回火抗力較強。此外，鋼中含有的鉻和釩還能提高鋼的耐磨性和耐腐蝕性。所以在許多領域中，尤其是在熱加工領域中，3Cr2W8V一直被作為高熱強性熱作模具鋼而廣泛應用[1-2]。

1 3Cr2W8V的性能

1.1 臨界點和化學成分

3Cr2W8V鋼臨界點數據如表1所示，化學成分如表2所示。

表1 3Cr2W8V鋼臨界點數據

表2 3Cr2W8V鋼的化學成分

1.2 力學性能

3Cr2W8V鋼的二次硬化峰值是在550 ℃左右回火時出現的，二次硬化峰值隨著淬火溫度的提高而升高。在大約650 ℃回火時，沖擊韌度值出現低谷，同時收縮率也出現谷值，這主要是因為析出了W2C型碳化物。實驗證明，3Cr2W8V鋼分別在350 ℃和450℃時進行等溫淬火，可以得到比較高的沖擊韌度，同時也兼有較高的硬度。

湖南大學劉先蘭[3]指出，3Cr2W8V可以采用淬火、回火、擴滲（二元、三元）、鍍金屬等方法來提高3Cr2W8V鋼制模具的使用壽命。江西南昌南彎工具廠的王榮濱[4]對3Cr2W8V鋼制鋁合金壓鑄模采用雙重淬火復合強化熱處理新工藝，使模具的壽命提高了2～3倍，其使用性能可以與國外同類產品相媲美，充分激活了3Cr2W8V的潛力，效果顯著。

3Cr2W8V的熱處理工藝數據已經比較成熟，提高淬火溫度可使鋼的紅硬性及熱穩定性提高。佛山市火花塞廠的廖嘉琪和江韶光[5]研究了3Cr2W8V鋼組織和性能在高溫淬火下的變化規律，結果表明：1）對3Cr2W8V進行高溫淬火，可以促使K充分溶解，這種溶解可以促使其他合金元素進一步發揮作用，以再次提高材料的熱穩定性和強度；2）對3Cr2W8V鋼采用高溫淬火和中溫回火的熱處理工藝，可以提高沖擊韌度值，并且指出采用高溫淬火+深冷處理+中溫回火的熱處理工藝，可以取得更佳的性能效果；3）高溫回火有析出三一型碳化物，這是導致出現回火脆性的關鍵原因。

1.3 工藝性能

1.3.1 鍛造

3Cr2W8V鋼坯的鍛造溫度數據如表3所示。

表3 3Cr2W8V鋼坯的鍛造溫度

鄭州航空工業管理學院的羅昆[6]對3Cr2W8V軋輥使用初期開裂失效的原因進行了分析研究，并且經過了相關實驗和生產使用的驗證，確定了3Cr2W8V鋼制軋輥在早期使用過程中易出現開裂失效的主要原因是鍛造比較小和該鋼制軋輥組織中存在帶狀或片狀碳化物，目前已經完美地解決了該問題。

1.3.2 退火

3Cr2W8V鋼經過鍛造后必須進行退火，采取這樣的工藝安排，主要是為了均化組織、降低硬度，為后期的切削加工打好基礎。3Cr2W8V鋼屬于過共析鋼類型，所以一般采用等溫球化退火。退火后，組織由球狀珠光體和少量粒狀碳化物組成，其硬度為207 HB～255 HB。3Cr2W8V鋼坯的等溫退火溫度數據如表4所示。

表4 3Cr2W8V鋼坯的等溫退火溫度

3Cr2W8V常規的退火工藝主要是對該模具鋼鍛造后進行空冷，再進行球化退火[7]，但是采用這種常規球化退火工藝并不是理想的預處理工藝。湖南大學的唐明華等[8]對該模具鋼采用了1 050 ℃×1 h高溫固溶+850 ℃×0.5 h→750 ℃×0.5 h（三次）循環球化退火工藝，經生產實際驗證，該工藝是一種多組份細化預處理工藝，既能有效地細化碳化物，又能有效地細化奧氏體組織，具有十分廣泛的實用價值。

1.3.3 淬火

淬火溫度1 050 ℃～1 150 ℃，油冷、淬火硬度50 HRC～54 HRC。四川工程職業技術學院的陳庚等[9]對3Cr2W8V的熱處理工藝進行了優化，得出3Cr2W8V鋼經快速預冷退火+1 060 ℃×20 min淬火+550 ℃×2 h的工藝，不但將熱處理的時間縮短了22 h，而且二次回火后該鋼制模具可以獲得更優異的使用性能。

1.3.4 回火

3Cr2W8V鋼坯的回火溫度數據如表5所示。

表5 3Cr2W8V鋼坯的回火溫度

德州學院的趙巖[10]深入細致地研究了熱處理工藝對3Cr2W8V鋼組織和性能的影響。結果表明，對3Cr2W8V進行等溫球化退火，在組織中可以得到球狀或點狀的珠光體組織，同時也對K的形態改善尤為顯著。1 070 ℃淬火后分別在580 ℃、630 ℃、680 ℃及730 ℃進行二次回火，隨著回火溫度的升高，硬度先升高后降低，而韌性則呈現出相反的變化趨勢。因此，3Cr2W8V鋼經等溫球化退火、1 070 ℃淬火后再680 ℃左右二次回火能夠獲得良好的綜合力學性能，有利于延長模具壽命。

四川工程職業技術學院的陳庚等[9]研究了不同的預備熱處理工藝、淬火和回火工藝對3Cr2W8V鋼組織、力學性能和斷口形貌的影響。結果表明，當淬火溫度在1 020 ℃～1 180 ℃變化時，3Cr2W8V鋼的組織主要為馬氏體，當溫度上升至1 060 ℃以上時，晶界上開始出現明顯的殘余奧氏體；當回火溫度在500 ℃～700 ℃變化時，在相對較低的溫度下組織主要為回火馬氏體，在600 ℃時開始出現回火托氏體；隨著回火溫度的升高，硬度呈現出先升后降的趨勢，而沖擊韌性表現出相反的趨勢；從宏觀斷口形貌來看，隨著回火溫度的升高，斷口表面由凹凸不平逐漸過渡為平整，再轉變為凹凸不平；與傳統熱處理工藝相比，新工藝獲得了更優異的性能。

2 3Cr2W8V鋼熱處理新工藝

目前鋼廠中3Cr2W8V的生產量仍然很大，該鋼的耐熱性能較好，并且采取適當的熱處理工藝還可以大大提高其強韌性，延長使用壽命，所以其被廣泛應用于鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等模具的制造中。

2.1 高溫淬火工藝

3Cr2W8V鋼制熱鍛模高溫淬火數據對比如表6所示。

表6 3Cr2W8V鋼制熱鍛模高溫淬火數據對比

2.2 控制淬硬層淬火工藝

3Cr2W8V鋼制尖嘴鉗熱壓模具淬火數據對比如表7所示。3Cr2W8V鋼制自行車飛輪熱鍛模具淬火數據對比如表8所示。

表7 3Cr2W8V鋼制尖嘴鉗熱壓模具淬火數據對比

表8 3Cr2W8V鋼制自行車飛輪熱鍛模具淬火數據對比

2.3 貝氏體等溫淬火工藝

將鋼制零件加熱奧氏體化后，淬入熱?。ㄏ觖}浴、金屬浴或浮動粒子爐）中，保持足夠時間，使全部或部分過冷奧氏體轉變為下貝氏體組織，隨后空冷到室溫的熱處理工藝稱為貝氏體等溫淬火工藝。3Cr2W8V制造自行車曲柄熱成型模等溫淬火數據對比如表9所示。

表9 3Cr2W8V制造自行車曲柄熱成型模等溫淬火數據對比

3 3Cr2W8V鋼熱處理工藝優化

四川工程職業技術學院的陳庚等[9]研究了4種不同的熱處理工藝對3Cr2W8V鋼的組織、力學性能和斷口形貌等的影響，得出如下結論：1）淬火溫度升高，3Cr2W8V組織中的K溶入量就會增加，殘余奧氏體的量也會明顯增加，從而導致韌性下降，硬度增加；2）提升回火溫度，硬度變化趨勢為先升后降，韌性則是先降后升；3）600 ℃回火時，沖擊韌性最低；4）最優性能的獲得條件是：快速預冷退火+1 060℃×20 min淬火+550 ℃×2 h二次回火。煙臺臺海瑪努爾核電設備有限公司的張賀全等[11]對在無縫鋼管穿孔過程中所使用的模具的凸模材料進行了實驗研究，結果發現，熱處理工藝對3Cr2W8V頂頭使用壽命有重要影響，熱處理不當會導致頂頭早期開裂或嚴重變形而失效。經熱處理試驗分析發現，1 100 ℃淬火+600 ℃回火后，頂頭淬火殘余應力消除比較徹底，而且合金碳化物呈彌散分布，基體強度較高，頂頭使用壽命較長。

4 結束語

3Cr2W8V是在熱作模具制造領域里經常使用的一種熱作模具鋼，具有強度和硬度較高、耐冷熱疲勞性良好、淬透性較好的優點，但仍存在著如磨損、冷熱疲勞破壞等諸多缺陷。本文對3Cr2W8V的熱處理工藝進行了深入分析研究，指出合理的熱處理工藝可以進一步挖掘該材料的潛能，使模具的質量得到進一步提高，并延長其使用壽命，因此3Cr2W8V具有很好的應用前景。