齒輪模具用5CrNiMo鋼的熱處理工藝

蔣雪軍

（濟鋼集團有限公司，山東 濟南250101）

1 前 言

5CrNiMo熱鍛模造價高，用量大，因此提高其使用壽命具有重要的經濟價值。影響模具使用壽命的因素很多，最主要的是模具的熱處理質量與模具材料的選擇。通過分析總結影響模具熱處理質量的有關因素，為滿足某公司生產組織需要，設計與制定模具的生產組織方案，科學合理確定模具的選材、模具的熱處理工藝參數等，達到滿足綜合機械性能的要求。

2 模具的選材和失效原因分析

2.1 工件材料和性能要求

某公司擬生產小批量中間常嚙合齒輪，為提高生產效率，保證產品質量，制定了用熱模鍛用壓力機設備和5CrNiMo鋼制造模具（見圖1）的生產方案。設計鍛模高度336 mm，模面硬度38 HRC，尾部硬度32 HRC，鍛模重量3 t。

圖1 錘鍛模平面圖

5CrNiMo鋼為合金元素含量較低的合金工具鋼，該鋼具有良好的韌度、強度和耐磨性。它在室溫和500～600℃時的力學性能幾乎相同，在加熱到500℃時，仍能保持300 HB以上的硬度，由于鋼中含有鉬，因而對回火脆性不敏感。從600℃緩慢冷卻下來以后，沖擊韌性稍有降低。5CrNiMo鋼具有良好的淬透性，此鋼廣泛用來制造各種類型的大、中型鍛模，但此鋼易形成白點，需嚴格控制冶煉工藝及鍛軋后的冷卻工藝制度。選用爐號為019-0147，5CrNiMo熱鍛模具鋼的化學成分見表1。

表1 5CrNiMo鋼的化學成分（質量分數）%

2.2 模具的失效原因分析

模具質量的好壞，特別是使用壽命，在很大程度上決定于制造材料的最佳選用和熱處理的質量好壞。通過對模具失效的原因進行統計，得出如表2所示的數據。從表中可以看出，因模具熱處理問題造成的失效占整個失效原因的50%。模具熱處理幾乎又是模具加工工藝過程中的最終工序，若熱處理不良則造成報廢。

表2 模具失效原因的統計百分比%

3 模具的熱處理工藝參數

5CrNiMo鍛模在使用過程中承受復雜的應力，因而形狀復雜的鍛模，必須具有盡可能均勻的組織和性能。而冶金廠供給的鋼材具有纖維組織，其各向性能不同。為了消除鋼坯纖維的方向性，使其性能盡可能地一致，并獲得所需要的尺寸，必須進行鍛造，鍛造后必須緩冷以防止產生“白點”。具有白點的鋼材，其縱向抗張強度與彈性極限降低的并不多，但伸長率則顯著降低，尤其是截面收縮率與沖擊韌性降低得更多，有時可能接近于零，且這種鋼材的橫向力學性能又比縱向的低得更多，因此，具有白點的鋼材一般是不能使用的。

3.1 熱鍛模鋼的退火

5CrNiMo鋼毛坯經鍛造后，為了消除鍛造時所產生的內應力、細化晶粒，得到均勻的組織（鐵素體+珠光體），以及為了降低硬度以改善切削加工性能，鍛坯必須進行退火處理。

3.2 熱鍛模鋼的調質

為了消除鍛模在機械加工時的加工應力，并且避免因急劇加熱而產生的熱應力，裝爐后，通常在600～650℃溫度范圍內進行預熱。從預熱溫度升至淬火溫度，所需最短保溫時間為:

t=a·h。

式中:a為系數，0.4 min/mm（鹽浴爐）；h為模具高度，此模具高度為365 mm。

由上式計算得保溫時間為2.5 h，淬火加熱保溫時間6 h，因為鍛模鋼的奧氏體比較穩定，為了減少鍛模冷卻過程中所產生的熱應力，減少模具的變形和開裂，將出爐的鍛模在空氣中預冷≤780℃。模具淬入油中約5 min后，將尾部提出油面，停留數分鐘，使燕尾溫度回升，待油跡燒干，再浸入油中3～5 min后提出，如此反復3～5次，待整個模具冷至150℃左右時提出，然后立即轉入回火。

為了消除因淬火而產生的內應力，降低淬火后的硬度，增加韌性，得到均勻的屈氏體組織，鍛模必須立即進行回火，回火在箱式爐進行。根據原則，大型鍛模保溫5～6 h。其熱處理工藝（退火、調質）曲線如圖2所示。

3.3 模具的燕尾回火

圖2 5CrNiMo鋼的熱處理工藝曲線

為了增加鍛模的使用壽命，特別是為了防止磨損錘頭和折斷錘桿，規定鍛模燕尾硬度應低于工作型面的硬度，所以模具進行燕尾回火。鹽浴爐加熱回火，鍛模淬火回火后，其燕尾的回火置于低溫鹽浴爐中進行。對于大、中型模具，燕尾需加熱至620～650℃，達到HB 286～321（HRC 30.5～35）。加熱時間一般根據鍛模工作面的回火顏色來決定，當工作面的顏色是藍灰色甚至是灰色時（此時工作面部分已達400℃左右），即停止加熱。燕尾加熱后可油冷，為了減少熱應力，油冷至約100℃提出空冷。燕尾經處理后，可得到均勻的索氏體組織。

4 結論

4.1 淬火回火后，用機動砂輪及砂紙將需要檢查硬度處磨光（磨入表面深度0.30～0.50 mm左右），用經校對過的洛氏硬度計檢查工作表面及燕尾的硬度，模面平均硬度為39 HRC，尾部平均硬度為32.5 HRC，抗拉強度為1 360 MPa，達到了機械性能要求。

4.2 模具熱處理是保證模具性能的重要工藝過程，對模具的制造精度、強度、工作壽命、制造成本等有著直接的影響。熱鍛模經過加工工藝路線:退火→成型加工→淬火、回火→精加工（修型、拋光），能滿足其硬度的要求，也使其具有一定的耐熱疲勞性。