5CrNiMo熱鍛模具鋼碳氮硫共滲熱處理工藝

文／葛希佩，李新軍，紀(jì)寶華，賈雨，張務(wù)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(jì)寶華，賈雨，張務(wù)東·山東溫嶺精鍛科技有限公司

現(xiàn)在企業(yè)壓力越來(lái)越大，因此必須改進(jìn)生產(chǎn)工藝，采用新技術(shù)、新工藝以降低生產(chǎn)成本，才能提高公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。鍛造模具在生產(chǎn)中直接影響鍛件的精度及質(zhì)量，所以采用的模具材料價(jià)格較普通鋼材貴，并且加工熱處理工藝復(fù)雜，因此模具的費(fèi)用通常占鍛件成本的5%～8%，也就決定著模具的壽命和質(zhì)量，在鍛造生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。

然而模具在工作過(guò)程中，熾熱的金屬被強(qiáng)制成形時(shí)，模面受到強(qiáng)烈的摩擦并承受高達(dá)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(shí)冷時(shí)熱的狀態(tài)下；使模具產(chǎn)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(dòng)錐齒輪模具易發(fā)生變形、磨損、裂紋等失效形式，導(dǎo)致變速箱齒輪模具壽命低，大大增加了鍛件的單件生產(chǎn)成本，并且頻繁地更換模具嚴(yán)重影響了鍛件的生產(chǎn)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(jià)格低、塑性好等特點(diǎn)，被錘鍛模、摩擦壓力機(jī)模等廣泛采用；現(xiàn)有的常規(guī)熱處理方式處理的5CrNiMo熱鍛模存在熱處理后熱穩(wěn)定性及強(qiáng)度較低、易變形、壽命短等缺點(diǎn)，存在被價(jià)格高、性能好的4Cr2MoVNi、4Cr5MoSiV1等優(yōu)質(zhì)熱鍛模具材料所代替的趨勢(shì)。然而由于4Cr2MoVNi、4Cr5MoSiV1等優(yōu)質(zhì)材料的價(jià)格昂貴、熱處理需要高溫爐、真空爐等高端設(shè)備，造價(jià)較高，對(duì)批量小、設(shè)備落后的生產(chǎn)條件又不適應(yīng)。因此，急需一種新的5CrNiMo熱處理工藝，來(lái)解決鍛模熱裂和熱磨損失效的問(wèn)題，以提高模具的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、冷熱疲勞抗力以延長(zhǎng)模具的使用壽命，針對(duì)我公司模具更換頻繁、產(chǎn)品批量小等情況，結(jié)合現(xiàn)有的熱處理設(shè)備，經(jīng)過(guò)兩年的試驗(yàn)，成功摸索出5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝，解決了5CrNiMo常規(guī)熱處理模具壽命短的問(wèn)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(guī)熱處理的基礎(chǔ)上，對(duì)5CrNiMo熱鍛模具鋼進(jìn)行鹽浴，使其完成碳氮硫共滲。鹽浴1h，滲層厚可達(dá)到0.1mm；鹽浴2h，滲層厚可達(dá)到0.2mm。提高了模具表面硬度，相對(duì)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(guī)熱處理工藝流程

5CrNiMo模具常規(guī)熱處理工藝流程為預(yù)熱→升溫→淬火→回火→冷卻，具體如下：

⑴預(yù)熱。將粗車處理后的模具加熱至600℃，保溫4h。

⑵升溫。將預(yù)熱處理過(guò)的模具繼續(xù)升溫至860℃。

⑶淬火。將升溫處理后的模具在860℃下保溫6h后預(yù)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(xù)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(yù)熱→升溫→淬火→回火→冷卻→精車加工→預(yù)熱→鹽浴→回火，即在常規(guī)熱處理工藝后增加預(yù)熱、鹽浴、回火工序。增加工序具體如下：

⑴預(yù)熱。將精車成品模具加熱至350℃～370℃，保溫1h。

⑵鹽浴。將預(yù)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(jìn)行鹽浴，鹽浴時(shí)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(guò)程中的濃度控制方法包括：①當(dāng)鹽浴的液面低于初始液面時(shí)，補(bǔ)充基鹽，使液面到達(dá)初始液面；②每8h檢測(cè)一次再生鹽濃度，當(dāng)再生鹽的濃度低于使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，加入的再生鹽使其濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值；③若8h后液面仍未降低，則進(jìn)行撈渣，撈渣后觀察液面并檢測(cè)再生鹽濃度，以補(bǔ)充基鹽或再生鹽。

圖4 碳氮硫共滲爐

實(shí)例驗(yàn)證

采用上述碳氮硫共滲熱處理工藝對(duì)從動(dòng)螺傘錐齒輪2402N4-026的5CrNiMo模具進(jìn)行處理，并與常規(guī)熱處理方法處理過(guò)的模具分別進(jìn)行硬度檢測(cè)（實(shí)例為5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝，對(duì)照組為5CrNiMo常規(guī)熱處理工藝），檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種工藝下模具硬度檢測(cè)對(duì)照表

將采用碳氮硫共滲熱處理工藝處理過(guò)的模具制備試樣進(jìn)行金相組織觀察，表面為灰白亮色合金混合組織和過(guò)渡層，內(nèi)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(jīng)驗(yàn)證，采用5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝處理過(guò)的5CrNiMo從動(dòng)錐齒輪模具，硬度可達(dá)到HRC50，與常規(guī)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(guò)的模具鍛打2402N4-026被動(dòng)錐齒輪800件時(shí)模膛無(wú)變形，光亮如新（圖6）。未經(jīng)鹽浴滲化的模具鍛打700件就出現(xiàn)磨損，出現(xiàn)飛邊和少量疲勞紋。與常規(guī)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(chǎn)品。

圖6 鍛打800件后的模膛無(wú)變形

圖7 碳氮硫共滲模具鍛打的產(chǎn)品

結(jié)束語(yǔ)

5CrNiMo模具碳氮硫共滲熱處理工藝相對(duì)其他化學(xué)熱處理具有工藝污染少，不產(chǎn)生廢氣、廢水及其他有害物質(zhì)，不會(huì)造成環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)，改善了工人的工作環(huán)境。細(xì)化的馬氏體晶粒使?jié)B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(zhì)量?jī)?yōu)異、壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益顯著。