45Cr2NiMoVSi、B2鋼錘鍛模具的熱處理工藝

文／尹松森，吳傲宗，劉洋洋，張屹·第一拖拉機股份有限公司鑄鍛廠

模具是工業生產中的一種基礎裝備，隨著工業技術的發展得到了廣泛地使用。錘鍛模具工作環境惡劣，在鍛造循環過程中不斷地承受著機械載荷和熱載荷作用。目前我國的大多數企業，模具使用壽命比較低，僅相當于國外的1/5～1/3。實踐證明，在模具設計和制造過程中，若能選用恰當的鋼材，確定合理的熱處理工藝，對充分發揮材料的潛在性能、降低成本、提高錘鍛模具的質量和使用壽命都將起到重大的作用。

錘鍛模具使用壽命與許多因素有關，各種因素在模具失效中所占比例為：熱處理占52.2%、原材料占17.8%、模具使用占10%、設計占3.3%。數據與實際情況表明，模具的全失效中，熱處理工藝不當引起的失效居首位。

模具鋼的選擇

在鍛造過程中，模具型腔與高溫鍛坯接觸，模具工作面溫度常達300～400℃，有時局部可達500～600℃；模具型腔與很高溫度的鍛坯打后，又受到反復冷卻，即在急冷急熱條件工作；模具型腔與變形金屬發生相互摩擦，即工作面受到熱磨損。這就是錘鍛模具的工作條件，正是這種工作條件，要求這類模具鋼應具有下列基本性能。

⑴淬透性高，以保證這種大型模具沿整個截面具有均勻一致的力學性能。

⑵沖擊韌性好，熱疲勞抗力高，以保證能承受沖擊載荷及在急冷急熱反復熱沖擊下，不因變形不一致發生龜裂。

⑶導熱好，以保證模具型腔表面的熱量盡快傳導外散，降低模具的溫升，有利于減少熱磨損及熱疲勞損傷。

⑷較高的抗回火穩定性及高溫強度，以減少熱塑性變形。

因5CrNiMo、5CrMnMo及5CrMnMoSiV具有淬透性、回火穩定性較好，常用于制作中小型的錘鍛模。但為彌補5CrMnMo、5CrNiMo及5CrMnMoSiV在較大截面和較高溫度時熱穩定性、熱疲勞性及淬透性不夠的缺陷，大型錘鍛模具常使用45Cr2NiMoVSi、B2等大截面熱鍛模具鋼。與5CrNiMo、5CrNiMo及5CrMnMoSiV相比，45Cr2NiMoVSi和B2中既含有較高的Cr和Mo，又加入了少量的V，使CCT曲線上的高溫轉變區上移，低溫轉變區顯著右移，提高了鋼的淬透性。截面尺寸在500mm×500mm以下的模具經970～990℃淬火，650～680℃回火后，硬度可達36～44HRC。而且45Cr2NiMoVSi和B2具有二次硬化能力，其高溫強度較5CrNiMo鋼高50%，熱穩定性高出100～150℃，沖擊韌性則相當。另外，鋼的熱磨損性、熱疲勞性及抗熱裂紋擴展的能力也強于5CrNiMo。這兩種鋼用于12000t以下機械壓力機模具及16t錘以下模鍛模具，模具的使用壽命是5CrNiMo鋼制造的同種模具壽命的數倍。本文就45Cr2NiMoVSi和B2兩種模具鋼熱處理工藝做一個分享。

45Cr2NiMoVSi、B2鋼錘鍛模具的熱處理

模具裝爐要求

⑴錘鍛模具裝爐時，兩模塊之間、模塊與爐壁之間的間隔不小于50mm。裝爐長度不大于爐子有效長度的3/4，不允許兩塊模塊上下堆放，同爐各模塊尺寸應盡量相近。若同爐模塊尺寸大小有差異，可將模塊尺寸大的放在爐子的內側，尺寸小的靠近爐門擺放。

⑵錘鍛模具裝爐時，要了解模具加工情況，必要時應采用真空爐熱處理或者裝箱保護加熱，模具型腔等處有足夠加工余量時可直接加熱。

淬火處理要求

⑴升溫和預熱要求：為保證模塊溫度均勻，應注意緩慢加熱升溫，并應分別在600～650℃、850～900℃溫度下預熱均溫。具體預熱保溫時間見表1。

⑵保溫要求：45Cr2NiMoVSi在960～980℃保溫，保溫時間根據工件有效厚度而定，具體保溫時間見表1。B2鋼工藝參數見表2。注意，大型模具淬火溫度應采用上限，小型模具用下限。

⑶預冷要求：錘鍛模具保溫結束后，為減小變形，出爐后應在空氣中預冷，大模塊空冷約7～10min，小模塊約5～7min，然后油冷。

⑷油冷要求：冷卻油溫在20～70℃。淬火油的最高使用溫度應低于其閃點60～80℃。為保證鍛模冷卻均勻，應選擇適當的冷卻運動方向，運動時間據模塊大小而定（一般30～40min)，然后靜止冷卻，45Cr2NiMoVSi冷卻時間參考表1，B2鋼參數見表2。錘鍛模具出油溫度150～200℃，此時錘鍛模具提出油面只冒青煙而不著火，如將水滴滴至模具表面有緩慢的爆裂聲，淬火（淬油)后金相組織為板條馬氏體+粒狀碳化物+少量殘留奧氏體，見圖1。

錘鍛模具回火處理要求

圖1 淬火后金相組織(500×)

為避免淬火應力過大產生裂紋，錘鍛模具出油后立即裝爐回火。應盡量避免降溫回火，必須采用降溫回火時，爐溫必須降至300℃以下。回火裝爐順序應盡量和淬火時的一致。為了消除殘余應力，必須進行兩次回火。經兩次回火后的組織為回火索氏體+粒狀碳化物，見圖2。

從圖6可以看出，在橡木桶陳釀前期，獼猴桃果酒中的酚類物質含量迅速減少，原因主要是酒液中的溶解氧與酚類物質發生了氧化聚合反應，形成了復雜的化合物；隨著陳釀的進行，酒液中的溶解氧趨于穩定，酚類物質含量變化也逐漸趨于平緩[34]。隨著陳釀的進行，帶有苦澀味道的酚類物質逐漸氧化聚合，形成一系列的低聚合化合物，使得獼猴桃果酒的口感變得逐漸醇厚。

圖2 淬火＋二次回火金相組織(500×)

⑴升溫和預熱。回火溫度超過500℃，必須在250～300℃預熱，預熱保溫時間見表3。

⑵保溫。回火溫度根據硬度要求而定，具體數值見表4。第一次回火規程具體見表3。

⑶冷卻。保溫結束后出爐空冷。

燕尾部分回火要求

燕尾部分硬度要求3.6～3.8dB。為保證燕尾部分的硬度合格，應使用專用加熱爐重新加熱燕尾，回火溫度定為720～740℃，保溫4～5小時，保溫結束后在爐中放至500℃以下吊出空冷。回火時注意，翻新次數多厚度薄的模塊要熱爐回火，以免時間長，使承擊面和型槽硬度降低。在第一次回火之后進行。

表3 鍛模在電爐中的回火保溫和冷卻(B2鋼、45Cr2NiMoVSi)

表4 回火溫度

錘鍛模具第二次回火要求

第二次回火應在第一次回火、燕尾回火冷到室溫后才能進行，第二次回火的溫度一般比第一次的低10～20℃，保溫時間可比第一次回火縮短20%～25%，保溫結束后出爐空冷。其他工藝規程參照表3。

熱處理檢驗

保證熱處理的有效性，是保證錘鍛模質量的關鍵，必須進行外觀、硬度檢驗，并根據檢驗結果，及時修訂熱處理工藝參數，保證后期熱處理質量。

⑴外觀檢驗：檢驗經熱處理后錘鍛模具是否有變形，防止變形過大造成后續加工問題。使用著色探傷，檢驗錘鍛模具是否出現裂紋。

⑵硬度檢驗：使用風動工具，在模具承擊面、橋部、型槽以及燕尾平面打磨平面，打磨深度以見模具原材料火花為止，使用布氏硬度計，檢驗模具硬度是否合格。

返淬要求

淬火后若硬度不合格，允許對錘鍛模具進行返淬。返淬前退火及其隨后的淬火均應裝箱保護，以防承擊面和模具型槽進一步氧化脫碳。裝箱以干生鐵屑和6%～8%木炭為保護劑。退火工藝為模塊隨爐升溫至600～650℃預熱保溫2～3小時，然后隨爐升溫至800～820℃保溫，保溫結束后冷卻。退火保溫時間和冷卻方式見表5。返淬溫度可比正常淬火溫度低20℃，保溫時間要適當延長2～3小時。

表5 退火保溫時間及冷卻

錘鍛模具翻新的熱處理要求

錘鍛模具失效后，在一定范圍內允許進行下落翻新，在模具下落后，應進行模具硬度檢查，檢測部位包括承擊面、模具型槽及燕尾面，檢驗是否符合設計要求。

⑴如果硬度檢測合格，可以不進行淬火處理，但是模具加工成品后，應進行去應力回火。具體工藝為：根據模塊大小在380～400℃預熱2～3小時、在600～620℃保溫5～10小時后空冷，注意，預熱溫度要比原來回火溫度低30～50℃。

⑵若硬度檢測不合格，需要重新熱處理。熱處理方法和返淬處理方法相同。

結束語

本文介紹的熱處理工藝經驗，可與同行交流參考。當然，影響錘鍛模具使用壽命的因素很多，只有模具熱處理結合其他因素，方能達到最優效果，才能起到降低鍛件生產成本的目的。