超细晶强化技术在热锻模增寿中的应用

石 鑫，徐胜利

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

超细晶强化技术在热锻模增寿中的应用

石 鑫，徐胜利

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

本文通过对热锻模失效形式分析和超细晶强化技术的探讨，提出了采用超细晶强化方法提高热锻模寿命的途径，并通过实例进行验证说明。

锻模；强化；寿命；晶粒度

锻模的使用寿命直接关系到锻件的产量、质量和成本。众所周知，锻模工作条件较为恶劣，直接承受高温、大的冲击载荷和复杂多变的热应力作用。目前有许多提高锻模寿命的方法，其中超细晶强化技术以其独特的作用成为一种提高锻模寿命的有效途径。

1 热锻模失效形式及影响寿命的因素

1.1 失效形式

热锻模工作中受到巨大的冲击载荷，承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力作用。在此受力条件下，往往造成锻模的机械疲劳裂纹；同时，它又受到高温锻件的直接作用，使锻模型腔表面温度高达1100℃度以上，且锻件与型腔表面产生剧烈摩擦，这样的工作条件，使型腔表面形成沟槽而成为应力破坏之源，并造成模具型腔表面的直接磨损和氧化；因模具高温强度不足而被压塌导致塑性变形。另一方面，由于锻模在高温下承受较大的冲击载荷及复杂的热交变应力产生热疲劳裂纹，且在其周围存在腐蚀性介质，造成应力腐蚀破坏。由此可见，锻模工作条件十分复杂，影响锻模寿命的因素也是多方面的。

1.2 影响锻模寿命的因素

影响锻模寿命的因素很多，但主要表现在如下几方面：①锻件材料的特性和加热条件；②锻件形状；③锻模结构和型腔表面质量；④锻造负荷和锻造速度；⑤模具的冷却方式和预热温度；⑥模具的润滑；⑦模具材料的选择和组织结构。

2 锻模寿命探讨

前述影响锻模寿命的诸多因素中，有些是从属于锻件本身的（如锻件材料、形状），但大多数不利因素是可控制和改善的，本文针对模具材料的组织结构对其寿命的影响进行探讨。

2.1 锻模材料的组织结构对其寿命的影响

根据锻模的工作条件，适应于热锻模的材料必须具备较高的高温强度和冲击韧性，高的耐磨性与硬度，优良的耐热疲劳性和高的淬透性，良好的导热性。为了获得这些良好的性能，研制了许多适用于热锻模的优质模具钢，但对于锻模材料组织结构对其寿命的影响尚需进一步研究。

2.1.1 晶粒超细化对锻模的强化效果

研究发现，晶粒超细化可大幅度提高钢的屈服强度和冲击韧性，晶粒的平均直径与屈服应力之间有如下关系：

式中：σo——常数，表示晶内对变形的抗力（阻力）；

k——常数，表示晶界对变形的影响。

从公式中可看出屈服应力与晶粒平均直径成反比。即晶粒越细小，σs值越高。钢的晶粒度与强度之间的关系如图1所示。晶粒度对钢的屈服强度、韧性的影响实验结果如图2、图3所示。

2.1.2 超细晶强化机理

众所周知，从多晶体的塑性变形角度看，多晶体的变形抗力主要通过晶粒内部的滑移、孪生和晶界的切变相互协调作用体现。从宏观方面看，在常温和低温状态，晶界的强度高于晶内强度，如图4所示，而晶粒的微细化大大增加了晶界面积，从而增加了材料的低温强度。

图1 晶粒大小对强度影响示意图

图2 低碳钢的晶粒大小与屈服强度的关系

图3 晶粒度d与断裂强度σc和屈服强度σs的关系

图4 多晶体的晶粒晶界强度随温度的变化

从微观分析可知，在多晶体中，屈服强度是与滑移从一个晶粒转移到另一个晶粒紧密相关的，而这些转移能否发生，主要取决于一个晶粒晶界附近的位错塞积群所产生的应力能否激发另一个晶粒中位错源也开动起来而进行协调性的次滑移。位错塞积群应力的大小与塞积的位错数n有关，n越大，应力集中也越大。而n的大小，当外加应力和其他条件一定时，是和晶界附近的位错塞积群到晶内位错源的距离相关的，晶粒越大，则这个距离越大，位错源开动的时间越长，n也就越大。因此，在同样外加应力作用下，大晶粒的变形由一个晶粒转移到另一个晶粒的机会就越多，小晶粒则正好相反。这就是为什么晶粒越细小，屈服强度越高的原因所在。另一方面，当晶粒尺寸大时，变形受晶界的影响区域也相对地缩小了，晶粒内部和晶界附近的变形量相差就比较大，而细晶粒又正好相反。因晶体变形最突出的特点是其不均匀性，它是金属断裂的基本原因之一，而晶粒越细，变形的不均匀性越小，相对来说，引起的应力集中也越小，开裂机会也随之相应减少了，因此，在断裂前可承受较大的变形量即延伸率增大。因而，在强度和塑性同时增加的条件下，韧性也就跟着提高了。

另外，从图3可以看出，随着晶粒的细化，屈服强度σs连续增大，但断裂强度σc的变化却有一个明显的转折点。对应于这个转折点的晶粒直径尺寸(dc)，相当于脆性转化尺寸，晶粒直径小于它时（右侧）为韧性断裂区，晶粒直径大于它时（左侧）为脆性断裂区。在脆性断裂区σc与σs相近，一但发生塑性变形，就会很快引起断裂。这表明塑性变形促进了断裂，裂纹的形成对断裂起了主要作用，而晶粒的细化作用，仅在提高塑性变形抗力。在韧性断裂区，随着晶粒的细化，σc与σs之间的差值越来越大，在σc与σs之间允许裂纹存在，这说明裂纹产生已不是断裂的主要问题，关键在于裂纹能否扩展以及扩展的阻力大小。这里晶粒的细化作用主要是增大了裂纹扩展的阻力。而阻力之所以增大，是由于提高了塑性，增大了塑性变形对断裂产生的效应。从断裂力学可知：

式中：σc——裂纹扩展临界应力；

E——材料弹性模量；

γp——塑性变形对断裂产生的效应；

γs——裂纹表面能；

c——裂纹尺寸。

由上式可以看出，由于塑性增加而引起γp增大，导致了裂纹扩展的临界应力σc增大，也就是说，增大了裂纹扩展的阻力；另一方面，晶粒细化意味着晶界总面积增加，晶界本身对裂纹的限制作用增加，从而使晶体中已形成的微小裂纹不至于扩展，即晶粒越细小，断裂强度越高。

2.2 超细晶强化的途径

根据以上分析可知，晶粒超细强化是提高锻模寿命强有力的措施，晶粒超细化处理工艺，应根据模具材料确定。但一般情况下可通过：①在接近Ac3线的温度强烈变形，恒温或缓慢冷却，使变形奥氏体再结晶，再快速冷却阻止再结晶的晶粒长大的机械热处理方法。②采用快速反复奥氏体化和淬火。③高温形变热处理加低温形变和再结晶退火。这些途径均可获得超细晶粒。

3 锻模超细晶强化实例

3.1 5CrMnMo钢制锻模超细晶强化

生产支柱螺管锻件中，在2t模锻锤上锻制，采用5CrMnMo钢制锻模。工作条件为：锻模预热120℃～150℃、锻造温度900℃～1250℃、锻打速度60次/min。锻模原材料为5CrMnMo圆钢。制造工艺流程为：棒料改锻-机械加工-热处理-钳修-入库。

原采用880℃淬火+500℃回火工艺，获得的晶粒度较粗大（7级），锻模平均寿命只有3000件左右。经分析，改进热处理工艺方法，采用910℃正火预处理+780℃淬火+500℃回火工艺，获得细小的晶粒度组织（10级），锻模平均寿命提高到10000件左右。

两种热处理方法获得的组织性能如表1所示。

3.2 3Cr2W8V钢制锻模超细晶强化

在300t摩擦压力机上使用的3Cr2W8V钢制曲柄零件热锻模，工作条件为：模腔采用油冷却，锻打速度8～12件/min，模具承受很大的冲击载荷、摩擦和热疲劳作用，断裂失效严重。由于曲柄热锻模外形尺寸不大（280×100×95）原采用 500℃、850℃两次预热处理+1080℃油淬+580℃～610℃两次回火处理工艺时，获得的组织较粗大，强度σb为1500 MPa、硬度45～48 HRC、冲击韧性αk=28J/cm2。锻模平均寿命4500件左右。我们在原工艺的基础上提高淬火温度，改进后的热处理工艺为：500℃、850℃两次预热处理+1140℃油淬+640℃两次回火处理工艺后，获得组织细小，强度提高到1650 MPa、硬度仍为45～48 HRC，冲击韧性αk=35.5J/cm2，寿命提高到8000件左右。锻模寿命提高的原因是高强度马氏体上分布适量下贝氏体组织，使马氏体的晶粒细化，组织致密，提高了材料强韧性、抗断裂韧性、热疲劳抗力和裂纹扩展阻力。

表1 5CrMnMo钢不同热处理工艺的组织性能

4 结束语

本文通过对影响锻模寿命的因素分析，探讨了采用超细晶粒强化方法提高热锻模寿命的途径；通过两种锻模强化实例，说明提高锻模寿命的工艺方法。对更多的超细晶强化工艺方法有待进一步实践。

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[6]张 琳.直齿圆锥齿轮精密锻造工艺及模具设计[J].锻压装备与制造技术，2014，（6）：54-57.

Application of ultra-fine grain strengthening technology in life elongation for hot forging die

SHI Xin,XU Shengli
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China）

By analysis of failure form of the hot forging die and discussion of the ultra-fine grain strengthening technology,it is put forward that the ultra-fine grain strengthening method has been adopted to improve the hot forging die life,which has been verified by the practical example.

Forging die;Strengthen;Life;Grain size

TG315.2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.030

1672-0121（2017）04-0101-03

2017-03-05；

2017-05-08

石 鑫（1981-），男，硕士，讲师，从事飞行器制造技术研究。E-mail：26522469@qq.com