碳結鋼熱鍛模的熱處理工藝及重復利用技術研究

劉紅燕

摘 要：本文在將65Mn鋼和常用合金鋼熱鍛造模材料成分進行對比的基礎上，將65Mn鋼經預先熱處理、重復淬火回火，達到重復利用的目的。經過生產實踐，該方法切實可行，有效節約鋼材材料，降低了生產成本。

關鍵詞：熱鍛造；重復利用；熱處理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.030

由于熱鍛造模具通常要求其表面要有較高的硬度，而其內部組織要有較好的韌性和抗沖擊能力，要有承受高低溫變化的能力，此外還要求具有較好的耐磨性。從被鍛造的工件材料來看，被鍛造的材料通常有合金鋼和碳素結構鋼；而合金鋼的鍛造溫度較普通碳素結構鋼高，鍛打的沖擊力大，對模具材料的沖擊韌性，高溫使用性能要求較高，因此國內常用5CrMnMo、5CrNiMo作為合金鋼工件的熱鍛造模具材料。用這類材料制造的熱鍛造模具的使用壽命長，而對于碳素結構鋼的工件可在相對溫度低的條件下鍛造，且鍛造的沖擊力較合金鋼小，對模具材料的表面硬度、耐磨性和抗高溫性的要求相對低些。通過比較兩類被鍛造材料對模具性能方面的要求，我們探索并尋找適合于碳素結構鋼材料的最經濟實用熱鍛造模具材料，我們試用65Mn彈簧鋼替代5CrMnMo、5CrNiMo制作碳素結構鋼材料的熱鍛造模具，并將65Mn彈簧鋼應用于汽車軸管法蘭盤鍛造獲得了成功。通過多年的試驗和生產應用，我們摸索并總結出65Mn鋼熱鍛造模具的熱處理工藝及該模具材料重復利用的方法。現將65Mn鋼熱鍛造模具的熱處理工藝及該模具材料重復利用的方法簡介如下，以供同行參考：

1 65Mn鋼與常用合金鋼熱鍛造模材料成分對比分析

65Mn鋼劃屬于彈簧鋼類，與常用的熱鍛造模具材料的化學成份非常迫近，二者的化學成分對比見下表：

從表中看出，65Mn與5CrMnMo這兩種材料含碳量都是在中碳鋼范圍，它保證了模具有較好的沖擊韌性、耐磨性和導熱性，其它成分中，Si、Mn含量也相當接近。

5CrMnMo鋼經常規淬火，并在500℃以上高溫回火后，其抗拉強度為1177～1373N/mm，硬度HRC43～48，沖擊值19.6～29.4j/cm.而65Mn彈簧鋼卻具有較高的彈性極限，抗拉強度也在1177N/mm以上，回火后的硬度HRC48～55，沖擊值為19.6～29.4j/cm。由此看來，65Mn與5CrMnMo這兩種材料的力學性能也基本相同；其主要區別是65Mn與5CrMnMo熱鍛造模具鋼中，碳化物形成元素較65Mn材料要多，細化了晶粒，提高了材料回火的穩定性，同時5CrMnMo材料中含Cr量較高，因此模具材料的淬透性能較65Mn材料要好。

2 65Mn鋼熱鍛造模坯的預先熱處理

用65Mn鋼經鍛造制成熱鍛造模具粗坯，模具在鍛造過程中，應當上下方向重復鐓拔2～3次，以消除不正常的纖維組織，鍛造后先緩冷，再空冷，之后再對粗坯在箱式爐中進行退火處理，其退火的工藝曲線見圖1。

模具粗坯經退火后，能有效消除模具材料內部的鍛造應力，降低模具芯部硬度，改善了模具的組織結構和切削加工性能，并為最終熱處理提供方便。

3 65Mn材料熱鍛造模具的淬火、回火處理

65Mn材料熱鍛造模具采用中溫鹽浴爐加熱，雙液淬火冷卻，并在箱式電爐回火，經處理后，模面硬度大于HRC48，其熱處理工藝曲線見圖2。

3.1 65Mn材料熱鍛造模具淬火加熱溫度及工藝過程

運用快速加熱法，先將爐溫升至900℃以上，將烘干的熱鍛造模整體放入鹽浴中，待加熱一段時間后，將鍛模提出液面，在820℃保溫加熱，保溫后提起整個鍛模在空氣中預冷1～2min，讓模具的表面溫度冷至780～800℃時再進行淬火處理。

（1）保溫時間。通常加熱保溫時間與模具的高度有關，通常以淬硬層厚度達到5～10mm能夠滿足其鍛造性能確定保溫時間，保溫時間在2-3小時較為合適。

（2）冷卻方法。65Mn熱鍛模采用雙液淬火，鍛模出爐后，首先淬入5%的鹽水中冷卻，在冷卻過程中，應仔細觀察水汽和水聲，在顫動聲剛好消失后，將熱鍛造模具轉入油中冷卻到室溫，對少數有保留棱角要求的鍛模，在油中適當冷卻后，應及時轉入箱式回火爐回火，以防止棱角崩角、開裂。

（3）回火參數。回火工藝參數決定于回火后的硬度要求及模具的結構變化，因65Mn鋼合金元素量含量較低，熱疲勞性能和紅硬性不及5CrMnMo材料模具鋼高，為此，我們選定在350～370℃回火，回火后快速空冷，回火時間約2～3h。

回火后的組織為回火屈氏體，有較好的韌性，較高的硬度。對模面進行逐個檢查，硬度在HRC48～55即可使用。

對于模具底座，則可在鹽浴中單獨進行回火，回火溫度在500℃左右，經局部回火后，模具底座硬度小于HRC35，回火的參數應根據模具的受力情況和工作條件確定。

4 65Mn鋼制鍛造模具的重復利用

65Mn鋼制鍛造模具經較長時間使用后，硬度降低，模面局部磨損，影響鍛件的尺寸和形狀，我們就可以對這種舊鍛模進行處理了。具體

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處理辦法是：模具重新退火→重新機加工模腔→重新淬火、回火。

模具經過多次重復處理加工使用，會引起晶粒粗大，同時由于模具表面產生過熱、過燒，模具表面硬度會降低很多，所以只能重復利用3～4次。

4.1 重復退火

退火加熱時，速度要慢，加熱溫度略低，其退火工藝見圖3。

我們曾對65Mn鋼制鍛造模具重新退火后的組織進行金相分析，退火后的組織與淬火前的組織基本相似，但晶粒較退火前有長大。

4.2 重新淬、回火

與模具首次淬回火工藝相同，重新淬火加熱速度不能過高，加熱溫度取下限，820℃左右，避免奧氏體晶粒過快長大，以防止殘余奧氏體量增加，影響鍛造模具的表面硬度。

4.3 應用效果及注意的問題

（1）65Mn鋼熱鍛模，可用于鍛造碳素鋼件，使用效果和壽命與5CrMnMo材料模具鋼相當接近。

（2）65Mn鋼熱鍛?？芍貜褪褂?～4次而不影響使用效果，在新模制作時，應在模具高度上留有適當的多次加工余量。

（3）重復利用的舊模進行多次加工時，應保證舊模具加工后模具表面無脫酸層存在。

（4）重復利用的模具在再次使用過程中，應加強冷卻，給模腔適當涂擦潤滑油，防止模具的早期損壞。

（5）采用65Mn鋼熱鍛模，代替其它熱作模具鋼模鍛，可節約鋼材、降低成本。

（6）65Mn鋼熱鍛造模具結構簡單，因此應用這種模具的材料來源廣，價格低，減少了鍛件的加工成本；可連續鍛造工件200h以上。在重復利用的過程中，使用性能變化不大，可廣泛應用于沖擊力小、鍛造溫度要求不高的碳素結構鋼材料。

參考文獻：

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[3]熱處理工藝手冊[M].機械出版社，2012（07）.

[4]金屬材料與熱處理[M].高等教育出版社，2015（07）.

課題：湖南省教育廳科學研究項目成果“熱鍛造模具壽命的影響因素及提升措施研究”編號：16C0257