潘明
【摘 要】锻模工艺中模具使用寿命的高低是影响锻件质量、生产效率和锻件成本的主要因素.热锻模材质的好坏和热处理是否恰当是决定热锻模使用寿命的关键.根据热锻模具的形状、大小确定模具的热处理工艺,选用不同热处理加热设备,采用不同的防止氧化、脱碳保护措施,可以保证模具的热处理质量,使模具具有满足使用要求的力学性能,同时能够方便热处理工人的操作,减轻工人的劳动强度,节约电能,提高热处理生产效率. 【期刊名称】《金属加工：热加工》
【年(卷),期】2011(000)005
【总页数】4页(P38-41)
【作 者】潘明
【作者单位】株洲南方航空工业有限公司,湖南,412002
【正文语种】中 文
锻模工艺中，模具使用寿命的高低是影响锻件质量、生产效率和锻件成本的主要因素。60%的模具早期失效是由于模具材料和热处理因素造成的。热锻模在高温、高压、高应力和反复加热与冷却的恶劣环境下工作，模具型面与约1000℃的高温金属坯料直接接触，型面表面温度急剧升高受热膨胀，受内层金属阻碍无法自由膨胀，使表层受到较大的压应力，工件脱模后型腔又需要快速冷却，使型腔表面的温度快速降低。在这种急热急冷的工作条件下，模具很容易发生开裂、模腔变形、塌陷而造成报废。因此热锻模材质的好坏和热处理是否恰当是决定热锻模使用寿命的关键。当然，模具的使用寿命还与模具使用是否恰当，操作是否规范有非常大的关系。 热锻模在高温下通过冲击加压，强制金属成型，模具在工作过程中经受巨大的负荷，同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力;被锻金属在模具型腔内流动产生强烈的摩擦力，型腔表面与高温金属接触，大量热量传到型腔表面，模具型腔表面温度达到600℃以上。为了避免模具型腔表面因温度过高而降低表面硬度和强度，引起微裂纹的产生并加快模具型腔表面的磨损，前一件锻件锻压成形后，需要对型腔表面进行强制冷却，所以模具型腔表面在
工作过程中受到了急剧的冷热交替作用，在模具型腔表面产生压缩与拉伸交变作用的应力，若应力峰值超过模具的屈服强度时，模具型腔就会出现塑性变形，产生热疲劳裂纹。恰当的热处理可以提高锻模的抗热疲劳性能，延长锻模的使用寿命。
我们工模具公司5CrMnMo钢热锻模主要有三种:圆锻模、锤锻模和半边模。由于这三种模具的外形、大小、工作负荷的差别，它们的热处理工艺和设备都有所不同。现在分别对这三种5CrMnMo钢热锻模的热处理工艺进行说明。
半边模外形比较小 (如图1所示)，硬度要求相对较高，一般为 45～50HRC或 2.8～3.0HBd(44～49HRC)。淬火热处理可以采用箱式电阻炉进行加热，也可以用盐浴炉进行加热。半边模用盐浴炉进行热处理时，工艺更为简单。模具放入盐浴炉中进行加热，热处理工艺参数为:850～860℃，保温27～30min，模具出炉后预冷至780℃左右，然后用淬火油进行冷却。淬火后立即放进箱式电阻炉中进行回火，440℃，保温约2h。如果用箱式电阻炉进行加热，则需要将模具装进保护箱里并往保护箱里放木炭进行保护，防止模具表面发生氧化和脱碳。模具的加热时间比较长，850～860℃需要保温3h左右。
目前，在实际生产中半边模一般多在盐浴炉中进行热处理加热。
圆锻模外形为圆柱形，较小的圆锻模硬度要求为2.8～3.0HBd(44～49HRC)，较大的圆锻模硬度要求一般为2.9～3.1HBd(41～47HRC)。相对于半边模而言，圆锻模的体积大得多，因此只能在箱式电阻炉中进行加热。
下面以某下模为例，讲述圆锻模的热处理工艺。
某下模 (见图2)，外形尺寸 (φ300mm×172mm)硬度要求为2.9～3.1HBd(41～47HRC)。其热处理工艺如图3所示。
(1)淬火 H—75箱式电阻炉，木炭装箱保护，随炉加热到600℃保温一段时间，再升温至860～880℃保温4～4.5h，然后出炉，吊出保护箱，在空气中预冷至模具表面温度740℃左右再吊入淬火油中冷却。
(2)回火 箱式电阻炉，加热至280℃保温一段时间，再升温至480℃保温3.5～4h，空冷至室温。检测硬度后，根据所检测的硬度值确定回火温度，再回一次火，第二次回火不需要在280℃保温。
锤锻模外形为带燕尾的四方形 (见图4)，较小的锤锻模硬度要求为44～49HRC，较大的锤
锻模硬度要求为41～47HRC，燕尾部分硬度要求3.4～3.7HBd(28～35HRC)。相比而言，锤锻模的体积最大，一般在箱式球底炉中进行加热，锤锻模的热处理比其他两种更加复杂。
下面以某下模为例，讲述锤锻模的热处理工艺。
某下模，外形尺寸630mm×500mm×315mm，硬度要求为2.9～3.1HBd(41～47HRC)，燕尾部分硬度要求3.4～3.7HBd(28～35HRC)。
装炉选取高为80～100mm的铁盘，盘底铺上一定厚度的木炭，模具型面朝下放在盘内，模具剩下5个面用石棉纸盖住，四周填满木炭，对于表面要求不高的锤锻模，可以不盖石棉板，如图5所示。锤锻模热处理工艺如图6所示。
(1)淬火 采用HVS—100箱式球底电炉，随炉加热到600℃保温一段时间，再升温至880℃保温5～ 5.5h，然后出炉，在空气中预冷至模具表面温度740℃左右，再吊入淬火油中冷却。
(2)回火 箱式电阻炉，加热至280℃保温一段时间，再升温至480℃保温5～6h，空冷至室温。
(3)燕尾退火 燕尾朝下放在局部退火炉上，700℃保温一段时间，然后随炉降温至640℃保温一段时间，随炉冷却或空冷。
半边模外形较小，工作时所受的负荷较小，因此，对半边模的冲击韧度要求不是很高，硬度也可稍微高一点，为2.8～3.0HBd(44～49HRC)，这样可以减少模具型面的磨损，延长模具的使用寿命;另外，由于半边模外形较小，当模具表面温度冷至200℃左右后，心部组织已基本上由奥氏体完全转变为马氏体和少量下贝氏体，因此模具回火时不需要在280℃进行保温。
半边模出炉后，只要在空气中稍微地预冷至780℃左右，目的是减小油冷时模具的边角、尖角和突出部分的淬火应力。
圆锻模的大小介于半边模和锤锻模之间，可以采取装箱保护的方法。装箱保护是将模具放进用不锈钢制作的保护箱中，然后往保护箱中放适量的木炭，并用石棉纸盖在保护箱口上，盖上保护箱盖。在电炉中进行加热的时候，保护箱中的木炭燃烧，将保护箱中的氧气消耗掉，并在保护箱中形成一个相对封闭的保护气氛，从而达到保护锻模表面不出现氧化、脱碳现象。木炭的放入量要适当，放得太多，模具表面还会出现渗碳现象，使模具表
面的含碳量升高，使模具淬火后表面硬度稍高于模具次表层 (即模具表层下面未渗碳部分)的硬度，影响模具硬度检查的准确性，而且会造成木炭的浪费，增加生产成本。木炭放得太少，保护箱外的空气会进入保护箱，造成模具表面脱碳，严重时还会出现表面氧化现象，使模具淬火后表面硬度低于模具次表层 (即模具表层下面未脱碳部分)的硬度，影响模具硬度检查的准确性。如果模具型腔表面的氧化、脱碳层不能在后续的机加工序中被加工掉，模具型面容易磨损变形，严重影响模具的使用寿命。
圆锻模体积较大，当模具表面温度冷至200℃左右出油后，模具心部的温度不仅仍然较高，还有大量的奥氏体未发生组织转变，如果直接加热到480℃进行回火，那么这些残留奥氏体将转变为珠光体或者是粗大的强度和韧性较差的上贝氏体，大大降低了模具心部的强度和韧性，同时也难以消除油淬所产生的内应力，导致模具在使用中出现早期的脆断和疲劳裂纹等，使模具的使用寿命大大缩短。因此圆锻模回火时需要在280℃保温一段时间，使模具心部的残留奥氏体转变成韧性好、强度高的下贝氏体。5CrMnMo钢连续冷却的Ms点为260℃左右，选择280℃保温是因为低于260℃，心部的残留奥氏体将部分发生马氏体转变，使心部组织中下贝氏体所占的比率下降，等温温度过高，也会使心部组织中下贝氏体所占的比率降低。因此，等温温度选择280℃，稍高于260℃较为合适。
圆锻模出炉后也需要先在空气中预冷，因为圆锻模的体积比较大，为了尽量减小后面油冷淬火产生的应力，需要预冷较长的时间。以某下模 (外形尺寸φ300mm×172mm)为例，出炉后需要预冷几分钟，预冷至模具表面温度740℃左右。模具吊入淬火油中冷却后需要打开油泵进行搅拌，使模具各表面均匀冷却，冷却10min左右，关掉油泵，再冷却5～10min。模具出炉后预冷时间的控制很重要，预冷时间短了，将增加模具的淬火应力，增加模具淬火开裂的危险;预冷时间长了，模具表面的温度太低，发生非马氏体组织转变，淬火后模具表面的硬度偏低，将严重影响模具的使用性能。
圆锻模的淬火冷却时间的控制是圆锻模热处理质量好坏的关键。出油过早或过迟均易出现淬火裂纹，而且模具组织性能不好。可以采用体积法计算油冷时间，t= αV/S，其中V是体积，S是面积，α=1.0min/mm。
锤锻模的体积最大，重量最重，就算能够放进保护箱中，也很难拖动，因此我们一般选用HVS—100箱式球底电炉进行锤锻模的热处理加热，球底电炉底部有两条轨道，轨道槽上有钢球，炉底板就放在这些钢球上，这样工件就能较轻松地进炉和出炉。
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