新型鑄造熱鍛模具鋼

摘　要：本文根據新型鑄造熱鍛模具鋼（CHD鋼）回火特點及其使用工況，提出了利用CHD鋼的析出硬化而采用中溫（450℃）回火工藝。
關鍵詞：鑄造熱鍛模鋼；析出硬化；中溫回火

1 前言

壓力機鍛模、錘鍛模在高溫下工作，模具溫度常在200℃～300℃，表面溫度可達450℃～550℃，模具常因熱疲勞與熱磨損而失效，其熱處理工藝的選擇直接影響模具的耐磨性和抗熱疲勞性，決定著模具的使用壽命。CHD鋼是吉林工業大學自行研制的一種新型鑄造熱鍛模具鋼，該鋼不用改鍛，*大限度的減少了加工余量，可廣泛地用于汽車、農機等行業，具有廣闊的應用前景。本文主要研究CHD鋼的回火工藝，提高其強韌性，以滿足熱鍛模具的使用要求。

2　試驗材料及方法

新型鑄造熱鍛模具鋼（CHD鋼）的化學成分見下表。

表　CHD鋼的化學成分質量分數w（％）

采用50kg中頻感應電爐熔煉，1600℃插Al脫氧后出鋼，包中加入Ti、Nb、RE、Ca等進行孕育和變質，在砂型中澆注楔形試樣。熱處理采用SX2-10-12箱式電阻爐，1070℃正火預處理，1010℃淬火，將不同回火溫度的試樣加工成10mm×10mm×55mm（U型缺口）沖擊試樣、10mm×10mm×20mm硬度試樣。采用HR150型硬度計及HMIS顯微硬度計進行硬度測試，在JB-5型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，采用D／max-r　X射線衍射儀進行結構分析。

3　試驗結果與分析

圖1示出了CHD鋼在不同回火溫度下的硬度及沖擊韌度。可見，在450℃以下，隨著回火溫度的升高，CHD鋼的硬度下降而沖擊韌度上升；超過500℃，硬度上升而沖擊韌度下降，在550℃硬度*大，沖擊韌度*低。超過550℃，沖擊韌度雖然上升，但硬度急劇下降。

圖1　回火溫度對硬度和沖擊韌度的影響

熱鍛模具鋼的熱處理工藝選擇原則是獲得適當的強韌性（40HRC左右，αk≥15J／cm2）。熱鍛模具傳統的熱處理工藝是“高淬高回”，使模具經過高溫回火后能保持組織的穩定性，因此常用的5CrMnMo鋼選擇了550℃的回火工藝。對于CHD鋼而言，有兩種回火溫度可以選擇，按傳統方法選擇600℃回火（硬度41.2HRC，沖擊韌度17J／cm2），也可選擇450℃回火（硬度43.6HRC，沖擊韌度20.8J／cm2）。

在生產應用考核中，根據模具的應用工況，選擇450℃回火，并在長春拖拉機制造廠3t模鍛錘上鍛造12馬力拖拉機半軸法蘭盤，現場應用結果表明：經450℃回火處理后的CHD鋼模具使用壽命（5800件）比鍛造5CrMnMo模具（2500～3000件）提高1倍左右，而且表面磨損較輕，熱疲勞裂紋較少［1］。

圖2 兩種模具鋼失效后硬度的變化

圖2為現場應用的CHD鋼模具和鍛造5CrMnMo鋼模具失效后從表面到心部的顯微硬度變化曲線。可見，CHD鋼的表面和亞表面出現了硬化現象，而5CrMnMo鋼卻出現了軟化現象。對CHD鋼試樣和失效后的模具取樣經X射線衍射檢測，發現CHD鋼模具在使用中動態析出了大量的碳化物。析出碳化物不僅提高了模具表面的耐磨性，而且阻礙了熱疲勞裂紋的擴展［2、3］。這樣，模具在使用過程中，當型腔表面與高溫工件接觸而升溫到550℃時，模具表面由于二次碳化物彌散析出而出現二次硬化，實現表面強化，提高型腔表面的紅硬性和耐磨性；而模具心部的溫度總是遠遠地低于表面的溫度，仍能保持板條馬氏體與下貝氏體的形態，而具有高的強韌性［4］，這種梯度性的組織與性能能夠滿足熱鍛模具工作時對紅硬性和韌性的要求。

4　結論

（1）　CHD鋼550℃回火出現二次硬化，450℃回火具有較高的強韌性配合。
（2）　CHD鋼回火溫度選在450℃，在模具使用過程中動態析出了大量的碳化物，出現了“表硬心韌”的梯度性的組織與性能。