熱處理工藝對3Cr2W8V熱作模具鋼應用影響研究

趙峰 程曉宇 楊亞輝

摘 要：文章對3Cr2W8V熱作模具鋼所采用的整體熱處理、表面熱處理、化學熱處理等工藝進行深入分析研究，指出合理的熱處理工藝直接影響著3Cr2W8V的力學性能和使用壽命，同時對3Cr2W8V熱作模具鋼的應用前景進行展望。

關鍵詞：熱處理；3Cr2W8V；熱作模具鋼

引言

熱作模具主要是指用于熱變形加工和壓力鑄造的模具，是在再結晶溫度以下使金屬產生一定塑性變形，或者使高溫的液態金屬鑄造成型，從而獲得各種所需形狀的零件或精密毛坯的模具。此類模具工作時強大的壓力和沖擊載荷使坯料金屬在模具型腔內流動，坯料金屬與型腔表面產生劇烈磨擦，極易使型腔表面磨損；同時諸多熱作模具要在不斷反復冷卻條件下工作，由于冷熱交變的結果，型腔表面在交變應力作用下易產生疲勞裂紋。3Cr2W8V是我國傳統的熱作模具用鋼，使用過程中同樣存在此類問題，且磨損、熱疲勞是該鋼所制模具的主要失效形式。模具熱處理是保證模具性能的重要工藝過程，在模具結構、材料和使用條件不變的情況下，保證熱處理質量，采用最佳的熱處理工藝是充分發揮模具材料潛力、延長模具使用壽命的關鍵[1]。諸多學者致力于熱處理工藝對3Cr2W8V模具鋼性能改善的研究，取得顯著成績。

1 整體熱處理

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一不可。

1.1 預備熱處理

退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，或者是使前道工序產生的內部應力得以釋放，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。對于3Cr2W8V模具鋼來說，常規的退火工藝主要是對模具鋼鍛后空冷，再進行球化退火的。但該工藝難以得到在球狀珠光體基體上有小粒度、分布均勻的碳化物組織，所以常規球化退火并不是3Cr2W8V鋼理想的預處理工藝。3Cr2W8V的預處理工藝選擇等溫球化退火所獲得的球化珠光體組織比常規球化退火更完全、均勻。隨著等溫溫度的升高，硬度逐漸降低。等溫溫度過高，碳化物聚集而降低了彌散度，形成了分布不均勻、大小不一的碳化物，硬度顯著降低；等溫溫度過低，雖可獲得彌散度很高的細小碳化物顆粒，但珠光體不能完全球化，殘留細片狀珠光體，獲得的鋼硬度偏高，不利于機加工。湖南大學的唐明華老師對該模具鋼的退火預處理工藝進行了實驗研究，得出1050℃×1h高溫固溶+850℃×0.5h→750℃×0.5h（三次）循環球化退火，即可細化鋼中碳化物，又可細化奧氏體晶粒，是一種可提高強韌性和熱疲勞性能的雙細化預處理工藝，具有廣泛的應用價值，值得推廣應用[2]。

1.2 最終熱處理

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機鹽溶液、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行較長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。多年來對3Cr2W8V的常規熱處理方法為：1050～1100℃加熱淬油后經560℃×2h回火兩次，按此工藝生產的鋼絲鉗熱鍛模使用壽命較低，遠遠不能滿足生產的需要。諸多學者開始致力于對該模具鋼進行高溫真空淬火、回火的新工藝研究，得出采用1150℃真空加熱淬火+600～620℃多次回火新工藝，可顯著提高3Cr2W8V熱鍛模的硬度、強韌性、耐磨性及抗疲勞性，并防止模具的早期失效。與傳統淬火工藝相比，鋼絲鉗熱鍛模使用壽命提高2～3倍[3]。此外，南京理工大學的蔣良、顏銀標等人也對該工藝進行了深入研究[4]，采用正交實驗設計對3Cr2W8V鋼的熱處理工藝進行優化，對諸多參數進行設計，得出熱處理工藝參數中，球化退火等溫溫度、淬火溫度、回火溫度對3Cr2W8V鋼熱疲勞性能的影響最為顯著，并得出最佳方案為：830℃×2h+730℃×4h球化退火，1150℃×30min淬火，630℃×2h回火2次。同時得出3Cr2W8V鋼經730℃等溫球化退火后在1125～1175℃淬火較為合適。中原工學院的李強等人針對3Cr2W8V鋼的使用條件，采用正交試驗方法優化設計該模具鋼的熱處理工藝。通過硬度、金相組織、熱疲勞性能等試驗，分析其熱處理工藝對組織的影響。應用結果表明，經優化工藝處理的3Cr2W8V鋼熱疲勞性能提高，相應模具使用壽命提高1～2倍，達到了良好的研究效果[5]。

2 表面熱處理

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。

激光表面強化是近年來表面工程技術中一種新興的表面改性技術，激光表面淬火是激光表面強化領域中最成熟的技術。它是通過高能激光束掃描工件表面，工件表層材料將吸收的激光輻射能轉化為熱能，熱能通過傳導使周圍材料急速升溫至奧氏體相變點以上、熔點以下的溫度，停止加熱后因材料基體的自冷作用，使被加熱的表層材料以超過馬氏體相變臨界冷卻速度急速冷卻，從而完成相變硬化。激光淬火過程中存在很大的過熱度和過冷度，使得淬硬層的晶粒超細、位錯密度極高且在表層形成壓應力，從而提高了工件的耐磨性、抗疲勞、耐腐蝕及抗氧化等性能，延長了工件的使用壽命。在服役過程中，模具的表面需承受磨擦、沖擊及擠壓等各種復雜應力，模具的失效大都由表面開始。在我國，模具鋼因表面磨損而引起的模具精度改變及模具早期失效，占各模具使用量的50%以上，特別是熱作模具鋼。中南大學的況敏等人采用國外新興的激光處理技術，優化工藝參數，對目前最常用的3Cr2W8V模具鋼表面進行激光相變淬火硬化[6]。通過對淬火層顯微組織分析及X射線衍射分析發現，淬火層橫截面顯微組織為淬火馬氏體及少量殘余奧氏體，并且呈極細的針狀。對淬火層進行維氏顯微硬度測試，結果表明，淬硬層有均勻硬化的特征。通過激光淬火層與普通淬火層磨損失重的對比發現，激光淬火層的耐磨性較普通淬火層的耐磨性提高近一倍。

3 化學熱處理

化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質（氣體、液體、固體）中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進行其他熱處理工藝如淬火及回火。化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。

3.1 滲氮共碳

一般來說，滲碳工藝主要針對的是低碳鋼和低碳合金鋼，這類材料經過滲碳處理和淬火、回火，可以得到高硬度且耐磨的表面，強韌的芯部組織，滿足使用要求。近年來人們開始對含碳量較高的模具鋼采用滲碳工藝，獲得了一定的成果，但對模具鋼進行滲碳處理后，模具表面較易形成網狀碳化物，降低其使用壽命。而對模具鋼進行滲氮處理，會提高模具鋼的耐磨性、抗疲勞強度和抗咬合性能等，但同時也增加了表面層的脆性和開裂傾向。為此眾多學者在研究碳氮共滲的工藝方法，尋求兩者復合擴滲的最佳工藝結合點。并取得了較好的實用效果。湖南大學的張蓉、唐明華等人針對3Cr2W8V鋼制作的鋁合金壓鑄模進行了研究[7]，采用真空亞溫淬火加淺層碳氮共滲復合熱處理工藝，基本上杜絕了早期脆性斷裂的現象，使用壽命提高1～3倍，同時，真空亞溫淬火經一次回火后即進行碳氮共滲處理，第二次回火與碳氮共滲合并為一道工序，既提高了模具質量，又相對降低了能耗，因此，復合處理工藝是一種節能高效的復合強化方法，明顯地提高了模具的各項性能和使用壽命，具有良好的應用前景。詳見表1。

3.2 復合共滲

對于3Cr2W8V模具鋼來說，眾多表面強化技術均存在不足之處，但對3Cr2W8V模具鋼進行稀土硼鋁共滲具有高的耐磨性、抗高溫氧化性和抗熱疲勞性能，較低的脆性，越來越引起人們的重視。湖南大學的唐明華老師選用3Cr2W8V熱作模具鋼，采用稀土硼鋁共滲工藝，并將經該工藝處理的3Cr2W8V鋼制作成鋁合金壓鑄模具應用于生產，取得了較好的效果[8]。詳細見表2。鄭州大學的楊凱軍工程師采用兩段氣體氮碳共滲工藝對3Cr2W8V鋁合金熱擠壓模具進行熱處理，解決了因磨損和開裂所造成的模具早期失效問題。與常規熱處理相比，使用壽命提高1～2 倍。其原因在于此工藝強化了過渡層對表面化合物層的支撐能力，同時心部獲得良好的強韌性配合，值得應用推廣[9]。具體見表3。湖南工學院的劉安民博士對3Cr2W8V鋼進行了稀土離子氮碳共滲處理，其表面硬度、耐磨性、高溫抗氧化性、抗冷熱疲勞強度都有顯著提高，應用于生產實際中，3Cr2W8V鋼制汽車車燈座鋁合金壓鑄模采用大功率脈沖電源進行稀土離子氮碳共滲處理效果優良，使用壽命可提高3～4倍[10]。QPQ鹽浴復合處理是一種新的金屬鹽浴表面強化改性技術，“QPQ”為英文“Quench-Polish-Quench”的縮寫，是鹽浴氮碳共滲和鹽浴氧化-拋光-二次鹽浴氧化工藝的復合；金屬在兩種不同性質的低溫熔融鹽浴中作復合處理，以使多種元素同時滲入金屬表面，形成由幾種化合物組成的復合滲層，使金屬表面得到強化改性，同時還可以做到全工藝過程無公害，這就是鹽浴復合處理技術。東北大學的付長明、劉常升、沈鳳滿等人將QPQ鹽浴復合處理技術應用于3Cr2W8V 鋼，得出當鹽浴氧化參數設定為氧化溫度380℃、氧化時間120min時，QPQ處理得到的試樣的腐蝕電位最高，耐蝕性能最佳[11]。

4 結束語

3Cr2W8V是常用的熱作模具鋼，有較高的強度和硬度、耐冷熱疲勞性良好，且有較好的淬透性，但在實際應用中會出現磨損和冷熱疲勞破壞。國內外眾多學者致力于該鋼在熱作模具制造領域中的應用研究，取得了不小的進展。只要我們能尋求到最佳的熱處理工藝，就能充分發揮該材料的潛力，提高熱作模具的使用壽命。這必將提高我國的熱作模具在國際領域的競爭力。

參考文獻

[1]趙峰，張國政.熱處理工藝在模具制造過程中的應用[J].熱加工工藝，2013，42（2）：172-175.

[2]唐明華.3Cr2W8V熱作模具鋼的預處理工藝研究[J].現代機械，2003（4）：73-74.

[3]林晨，林化春.3Cr2W8V熱鍛模真空淬火工藝研究[J].新技術新工藝，1997（5）：28-29.

[4]蔣良.熱處理工藝對3Cr2W8V鋼熱疲勞性能的影響[D].南京：南京理工大學，2007.

[5]李強.3Cr2W8V熱作模具鋼熱處理工藝和性能研究[J].2010，27（4）：50-52.

[6]況敏，蘇玉長.3Cr2W8V模具鋼激光表面相變硬化層性能的研究[J].材料研究與應用.2011，5（2）：105-108.

[7]張蓉，唐明華.3Cr2W8V鋼鋁合金壓鑄模氮碳共滲復合熱處理[J].熱加工工藝，2004：58，60.

[8]唐明華，張蓉，張嵐原.3Cr2W8V鋼稀土硼鋁共滲工藝和性能研究[J]. 金屬成形工藝，2003：21（2）：68-70.

[9]張凱軍.3Cr2W8V鋁合金熱擠壓模具氣體氮碳共滲處理[J].熱加工工藝，2005（9）：66-67.

[10]劉安民，汪新衡，匡建新，等.3Cr2W8V壓鑄模稀土離子氮碳共滲處理研究[J].工具技術，2011，45（4）：14-16.

[11]付長明，劉常升，沈峰滿.QPQ鹽浴復合處理技術對3Cr2W8V鋼組織和性能的影響[J].材料科學與工藝，2011，19（6）：7-15.

作者簡介：趙峰（1980-），男，漢族，陜西延安人，碩士，講師，主要從事模具制造和模具零件表面改性研究。