热作模具钢二次回火热处理工艺研究

热作模具钢二次回火热处理工艺研究彭新荣张荣华（平顶山工业职业技术学院，河南平顶山467001）摘要：本文研究了热挤压铝模具（4Cr5MoSivl）两次回火弥散硬化热处理工艺，确定了其工艺是经1080±10℃奥氏体化温度+油淬+520℃×1.5h二次高温回火。并将它运用在实际生产中，取得了优良效果。关键词：两次回火弥散硬化奥氏体化温度脆性断裂ResearchofHeatTreamentProcessDiessteelPengxingrongZHANGRong-Hua(PingdingshanIndustrialCollegeofTechnology,HenanPingdingshan467001,china)Abstract:Theprocessoftwotimestemperdiffusionhardeningheattreatmentforhotpressingdiehavebeenstudiedinthispaper.Theprocessof1080±10℃ausentingtemperature+oilquenching+520℃×1.5htwotimestemperwouldbemettherequirement.Itcangetaidealresultintheapplicationofthemanufacturepractice.Keywords:twotimesdiffusinghardening;austenitingtemperature;brittlenessbreaking.0引言目前，用4Cr5MoSivl钢制造的铝型材热挤压模具，普遍存在使用寿命低、挤压出的型材表面光洁度差等缺点。尤其是壁薄、悬臂长的模具更易以脆裂、拉伤、磨损和变形等形式而损坏。因此要求此类模具应具有高强度、高硬度、韧性好、抗划伤性优良的性能，才能提高其使用寿命。西安铝厂铝材热挤模，采用预热→淬火→回火一次（使用后个别良好，软氮化）热处理后，挤压过程中，使用不当或设计不合理，则模具脆裂严重，以至整炉脆裂报废现象时有发生。基于上述原因，采用淬火后，进行两次回火（使用以后可软氮化使用）的热处理工艺，取得了较好的效果。1实验设备、材料的化学成分及尺寸模具淬火加热在高温盐浴炉中进行，模具预热及回火热处理在空气井式电阻炉中进行，其炉温测量选用EU-2XCJ-101型的动圈式控温仪表。用洛氏硬度计进行硬度测试。材料采用4Cr5MoSivl模具钢，其化学成分如下，尺寸为φ165×60mm。CSiMnCrMoV0.32～0.420.8～1.20≤0.404.5～5.51.0～1.500.30～0.502两次硬化热处理工艺的确定过去工艺：预热→淬火→一次回火→（使用后）软氮化。新工艺：预热→1080±10℃，（520±10℃×1.5h）二次回火→（软氮化，再使用）。2.1预热预热温度采用520±10℃，保持时间：1.5h.2.2淬火模具（热挤压管模）有效厚度45mm，高温盐浴炉中加热。淬火加热温度采用1080±10℃。保温时间为18min（0.4min/mm）。为了提高冷却能力，油淬后，作强烈充分搅动。2.3两次回火回火温度520±10℃，保温时间为90±15min。第一次回火后，冷至室温，再作第二次回火。共回火两次。为避免回火过程中第二类回火脆性的产生，减少实际工作时间拖延过长，第一次回火可选用油冷（亦可空冷）。第二次回火则采用空冷（或打开炉盖炉冷）。二次回火后，投入使用阶段间，可进行软氮化。3试验结果与产生使用效果淬火后，洛氏硬度HRC50-54第一次回火后HRC50-52第二次回火后HRC51-52软氮化后HRC51-52采用上述热处理工艺，模具交付使用后，反应良好，由于热处理原因造成的挤压脆裂现象不再发生。模具使用寿命大为提高，使用管材挤压模，挤压铝材生产量可达2.1T以上。铝管材表面光洁度表现优良。4二次硬化热处理工艺原理及分析4.14Cr5MoSivl淬火奥氏体化温度的影响4Cr5MoSivl钢奥氏化加热是二次回火弥散硬化热处理前必须做好的非常重要的一个关键环节，因而对原理要分析清楚，实际操作中对这一环节必须准确把握。实际经验表明，高温淬火奥氏体化温度偏低或过高，对下道热处理工序都将产生严重影响。4Cr5MoSivl模具选用的适宜淬火温度为1080℃。如果淬火温度偏低，将不利于合金元素对模具材料淬硬性的改善。强碳化物形成元素Cr、Mo、V等降低了碳在奥氏体中的扩散系数，因而大大推迟了奥氏体形成温度，虽然Si对碳在奥氏体中扩散系数影响不大，Cr、Mo、V等合金元素对奥氏体形成速度的影响，还受到合金碳化物向奥氏体溶解难易程度的影响。Cr、Mo、V是碳化物形成元素，在合金中形成难溶的特殊碳化物，因此，对于合金钢工件，在淬火加热过程中，如果加热保温时间不够充分，合金元素将主要集中在未溶解的碳化物和其周围的奥氏体中，使淬火后其成分极不均匀，失去了合金在钢中的作用，减低了钢的淬透性和淬火热处理后的性能。甚至存在未淬上火的现象。对合金钢，尤其要求热硬性高的4Cr5MoSivl钢模具加热时一般要求奥氏体尽可能的均匀化，要求有足够数量的碳化物溶解到奥氏体中以保证钢的基体中有足够数量的合金度，并要求碳及合金元素在奥氏体中比较均匀。强碳化物形成元素W、V、Mo，全部集中在碳化物中，中强碳化物元素Cr在铁素体和碳化物中分配大体相同，且合金元素比C的扩散更困难，C比合金元素在奥氏体中的扩散速度大1000倍至1万倍。如果淬火加热温度太高，保温时间过长，在奥氏体中碳含量过高，淬火后脆性增大。比如1200℃以上，长时间加热，保温时间太长，则钢中的C和合金元素进一步溶入奥氏体中，这些合金元素Cr、Mo、V，尤其是C使Ms点降低，淬火后获得的马氏体形态，会从板条状转化片状马氏体，而片状马氏体机械性能远不如板条状马氏体各方面的机械性能，这是我们不愿看到的。另外，淬火加热温度过高及时间过长，还会使奥氏体晶粒趋向长大，形成粗大晶粒度，对模具机械性能是不利的。4.2二次回火硬化的影响4.2.1二次弥散硬化原理4Cr5MoSiv1钢模具之所以具有良好的耐磨性、强韧性配合和热稳定性，其中合金元素的弥散回火硬化效应所起作用是非常大的，不容忽视。弥散硬化的产生，必须有Cr、Mo、V等合金元素及其所形成的弥散形碳化物32CCr、OM、V。合金钢中，随着Cr含量增加，形成的碳化类型不同，不同类型的碳化物稳定性不同。当含2%的Cr时，形成较稳定的不易溶解的3()FeCrC；当含约6%的Cr时，形成更为稳定的73()CrFeC，4Cr5MoSiv1钢中的合金元素Cr形成73()CrC碳化物，Mo,V等强碳化物元素形成特殊的弥散碳化物2,MoCVC。具有二次硬化现象的碳化物32CCr、CMO2、VC的产生还取决于钢中这些合金元素和碳的比值，(/)MNNc比值高，则越利于产生这些弥漫硬化碳化物。这些碳化物的产生，开始时，因为回火在低温阶段，C及合金元素扩散速度较小，不会分解扩散生成236MC这种不会产生弥漫硬化的碳化物，而是先析出了3FeC。一旦3FeC碳化物生成后，则基体中C原子减少，CMNN/比值增大，即具备生成具有弥散硬化作用的碳化物，进而越来越多地加大析出73,2,CrCMoCVC碳化物，这些与基本保持着良好共格关系的弥散硬化型碳化物，对模具的强度、韧性、耐磨性极为有利，对模具的寿命大有好处。4.2.2二次回火硬化热处理原理含V、Mo、Cr强碳化物合金元素的4Cr5MoSiv1热作模具钢经较高淬火温度淬火后，获得马氏体M组织，从而使马氏体组织中拥有较高C含量和较多数量的V、Mo、Cr。由于这些合金元素的存在，即使回火温度较高时，马氏体中C含量也降低甚微，从而提高了钢的回火稳定性。同时，在520±10℃高温回火过程中，从M中析出弥散细小的再生CV、CM02及37CCr等高硬度的弥散的强化相，使钢在回火过程中，不但韧性提高，而且硬度，强度也得以提高。另外，如此两次回火后，还会使淬火后未能转变成马氏体的残留奥氏体，在回火冷却过程中（到Ms点以下），继续转变成马氏体，起到二次淬火的作用。上述几种因素的综合作用，使模具的硬度、强度加强，变形减小，耐磨性提高，划伤减少，且利于管材表面光洁度的提高。另外，使用过程中的软氮化处理，对提高模具的硬度，耐磨性也起到一定的作用。模具淬火后二次回火，同时可使第一次回火后冷却过程中生成的马氏体M转变成回火马氏体M回，并消除此次马氏体转变而增加的应力，使钢的淬火应力得以最大程度的释放。因此，经过两次回火的充分进行，模具的韧性大为提高，避免了脆性断裂。5结论1、铝材热挤压模4Cr5MoSivl钢，采用淬火+两次回火弥散硬化热处理工艺，硬度、耐磨性完全满足设计要求，同时，模具韧性大为提高，避免了脆裂，显著提高模具使用寿命，一次回火热处理模具提高4倍多。2、4Cr5MoSivl钢铝材热挤模可采用1080±10℃油淬+520±10℃×1.5h两次回火+（使用中间阶段）软氮化的处理工艺。3、良好模具对提高生产产品表面质量大为有利。4、采用新工艺处理，没有增加能耗，显著节约模具生产成本，提高了生产率。作者简介：彭新荣（1961.11—），女，河南平顶山人，平顶山工业职业技术学院机电系副教授。通讯地址：河南平顶山工业职业技术学院机电工程系彭新荣（收）邮政编码：467001