40Cr汽车冲压模具热处理工艺研究

2018-07-26朱延勇陈晓晖

焦作大学学报 2018年3期

朱延勇陈晓晖

（山东交通学院机械加工实验中心，山东济南 250023）

当前，国内外对汽车的使用和普及率日趋增长，而汽车零部件加工与制造精度要求也越来越高[1-2]。汽车的零部件，尤其是汽车表面覆盖件，直接影响着汽车的装配质量、防撞性能以及外观品质。但是目前国内外的汽车覆盖件均是由冲压模具冲压成型的，因此冲压模具质量的好坏直接影响着汽车表面覆盖件的质量和生产效率，这就要求冲压模具必须要具备一定强度的力学性能，比如高强度、抗疲劳性以及承受热冲击能力，同时须具备良好的耐磨性和较低的热膨胀性[3]。要实现以上各种性能就必须对汽车模具的上下模进行热处理，如何实现高性能的汽车冲压模具并能够长期的大批量冲压作业，是解决汽车表面覆盖件冲压模具的热处理工艺问题的根本和关键所在。当前国内外在用的汽车冲压模具的热处理方法有很多，但经过多年的实践验证，常规的热处理效果并不显著。随着我国金属热处理技术的发展，研究出更好的热处理工艺来提高冲压模具的抗磨损性和硬度，充分提高冷冲效率和使用寿命是当前亟待需要解决的问题[4]。对此，本文提出了40Cr的汽车冲压模具热处理工艺，并且对热处理后的硬度和变形量进行了测量，从而为汽车冲压模具的深入研究提供了参考。

1.40Cr钢汽车冲压模具热处理工艺

1.1 汽车前身覆盖件及冲压模具特点

汽车前身覆盖件具有体积大、质量重以及装配时要求装配精度高等特点。汽车前身覆盖件结构如图1所示。

汽车前身覆盖件冲压模具分为上模和下模，均采用40Cr材质制作而成，其中上模为凸槽形，下模为凹槽形，上模座与500T油压机进行连接，下模座通过定位螺栓固定在操作平台上面[5]，冲压模具断面结构如图2所示。

图2 覆盖件冲压模具断面结构示意图

1.2 40Cr汽车冲压模具热处理工艺路线

图3 模具热处理工艺流程

首先，完全退火工艺方式使40Cr加热至亚共析钢，此时的温度为 770℃以上 25℃～35℃，之后做保温处理，并在细砂中进行冷却至平衡温度；然后做表面的应力退火处理，再进行冷却，此时晶体结构的内部组织无变化；第二步，正火处理，40Cr内部结构的温度加热到Ac2（710℃）以上30℃～50℃，且做保温处理，保温时间12～14小时，放置在常温下干燥空气中进行冷却；第三步，淬火处理，40Cr内部结构的温度加热到Ac3（770℃）以上 40℃～60℃，并且做保温处理；第四步，做低温回火处理；第五步，做调质处理，将上下模表面温度加热到 Ac1（727℃）以上 60℃～80℃，再做保温和淬火处理；第六步，人工时效处理；第七步，激光淬火处理，利用激光的淬火技术，深度为0.65mm的硬化层附着在压型模上下模的表面。

2.试样的选择与制备

选用的试样为40Cr钢，经热处理后的洛氏硬度为56HRB。其具备较高的淬硬性和淬透性，并且耐回火性能也比较好，各方面均要好于碳素钢，并且在热处理时产生的变形比较小，较高的耐磨性[6]。40Cr钢的化学成分如表1所示。

表1 40Cr钢的化学成分

本试样一共制备4块40Cr的试件，其规格为120mm×80mm×6mm（长度×宽度×厚度）。试件中，三块40Cr试件做不同的热处理，即其中第一块试件采用传统热处理工艺方式（记作P1）：正火—退火—固溶—时效处理—淬火—回火工艺路线来进行热处理；第二块试件采用本文1.2节所述热处理工艺路线来进行热处理（记作P2），即退火—正火—淬火—低温回火—调质处理—时效处理—激光淬火；第三块采用传统改进型热处理方式进行热处理（记作P3），即淬火—不同温度的回火；第四块是不做任何热处理的40Cr初始试件（记作P4）。实验以合金钢细小颗粒为磨料，4块试件（正反面）均在金属磨料磨损试验机上进行试验，通过对不同热处理后的材料做机械磨损的实验，来掌握金属材料热处理的特性。

表2 40Cr钢的热处理工艺

3.金相组织观察的结果与分析

观察金相组织的显微镜是运用镜面的反射成形这一原理，来对金属或工程材料表面的金相组织结构进行观察的一种高倍显微镜。材料的表面金相组织的观察和分析是研究金属材料成形原理以及材料热处理工艺后的惯用方式，利用给定金属的金相组织结构学这一原理，通过二维面的金相组织试样成型的磨面或金属薄板片显微组织的观察、测量和计算来综合判定金属合金的组织结构、三维空间结构造型，并组建金属金相组织的成分与性能之间的关联关系。加上计算机的图像处理知识的原理和灵活运用，其最大的优点就是具备速度快和精度高的优点[7-8]。

3.1 金相组织的试样件制备

本次用于实验的试件为4块，其中3块经过热处理，1块为初始试件，将经过热处理的试件均用砂轮做打磨处理，主要是清除附着在试件表面上的氧化层和其他杂质，分别在300～1000号金相砂纸上依次打磨，再进行金相抛光，最后利用2%的硝酸酒精溶液腐蚀，合理控制腐蚀时间，用金相显微镜进行组织观察。

3.2 试样金相组织的结构

利用全局射场型号的金相显微镜观察和分析4种40Cr试件的金相组织，在显微镜500X的倍数下放大，观察的金相组织结构图分别见图4、图 5、图 6 和图 7。

3.3 试件金相组织的分析

从上述的金相组织图看出，P1的40Cr试件的金相组织为下贝氏体+合金渗碳体+回火马氏体；P2的40Cr试件的金相组织为下贝氏体+合金渗碳体+马氏体+回火马氏体；P3的40Cr试件的金相组织为合金渗碳体+马氏体+回火马氏体；P4的40Cr试件的金相组织为合金渗碳体+回火马氏体。

（1）下贝氏体

下贝氏体由碳化物和饱和含碳量的铁素体组成，是形态分布不均匀的铁素体与渗碳体混合体[8]。下贝氏体的结构组织具有较高强度和韧性，因此综合力学性比较好，耐磨性好，减少了40Cr钢的开裂和变形。结果得出：下贝氏体+马氏体组织的耐磨性能要大于马氏体或下贝氏体组织的耐磨性能。

（2）马氏体

马氏体以奥氏体的薄膜为中心，具备高硬度、强度、良好的塑性以及韧性，在相同硬度的条件下，马氏体的耐磨性比其他金相组织的高。尤其是在回火处理后，小晶粒的渗碳体从马氏体中析出，使渗碳体具有良好的抗磨损性和高强韧性的特点。马氏体的含碳量小于0.5%时，生成片状与板条组成的马氏体。马氏体中的碳含量高，在淬火后能够提高40Cr钢的抗磨损性能。

（3）合金渗碳体

部分铁原子被C和S原子所替换，形成了以渗碳体为本体的固溶体，如 Fe、Mn、C及 Cr组成的金渗碳体，被称作合金渗碳体。在特定的条件下40Cr钢耐磨性可以提高。

（4）回火马氏体

回火马氏体是马氏体在100～200℃条件下的回火处理中形成的。由回火马氏体组成的结构，在SEM光学显微镜下为暗色的针状组织，和贝氏体的结构相类似，一些非常细小的碳化物斑点在显微镜倍数高的时候可以看到。针状的回火马氏体具备有高耐磨性、高强度和高韧性的特征。

综上所述，从强度、硬度、抗疲劳性以及韧性方面可以得出40Cr钢热处理后的性能：P2金相组织＞P3金相组织＞P1金相组织＞P4金相组织。

3.4 40Cr试件机械的性能分析

主要从硬度和变形量两种指标对4种试件进行测试。

硬度测试的原理[9-10]是利用金属材料的洛氏硬度来测试经过不同热处理后的试件和初始试件，具体是利用一金刚石的圆锥体，施加特定的载荷，向40Cr试件的表面压入，并持续一段时间后去除载荷，按照被金刚石的圆锥体下压的深度来测定4个40Cr试件下压的深度。传统热处理工艺路线P1，本文1.2节所述热处理工艺路线P2，传统改进型热处理路线P3，不做任何热处理的初始试件P4，测试中的试件硬度均是平均值，如图8所示，试件变形量如图9所示。