碳结钢热锻模的热处理工艺及重复利用技术研究

刘红燕

摘 要：本文在将65Mn钢和常用合金钢热锻造模材料成分进行对比的基础上，将65Mn钢经预先热处理、重复淬火回火，达到重复利用的目的。经过生产实践，该方法切实可行，有效节约钢材材料，降低了生产成本。

关键词：热锻造；重复利用；热处理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.17.030

由于热锻造模具通常要求其表面要有较高的硬度，而其内部组织要有较好的韧性和抗冲击能力，要有承受高低温变化的能力，此外还要求具有较好的耐磨性。从被锻造的工件材料来看，被锻造的材料通常有合金钢和碳素结构钢；而合金钢的锻造温度较普通碳素结构钢高，锻打的冲击力大，对模具材料的冲击韧性，高温使用性能要求较高，因此国内常用5CrMnMo、5CrNiMo作为合金钢工件的热锻造模具材料。用这类材料制造的热锻造模具的使用寿命长，而对于碳素结构钢的工件可在相对温度低的条件下锻造，且锻造的冲击力较合金钢小，对模具材料的表面硬度、耐磨性和抗高温性的要求相对低些。通过比较两类被锻造材料对模具性能方面的要求，我们探索并寻找适合于碳素结构钢材料的最经济实用热锻造模具材料，我们试用65Mn弹簧钢替代5CrMnMo、5CrNiMo制作碳素结构钢材料的热锻造模具，并将65Mn弹簧钢应用于汽车轴管法兰盘锻造获得了成功。通过多年的试验和生产应用，我们摸索并总结出65Mn钢热锻造模具的热处理工艺及该模具材料重复利用的方法。现将65Mn钢热锻造模具的热处理工艺及该模具材料重复利用的方法简介如下，以供同行参考：

1 65Mn钢与常用合金钢热锻造模材料成分对比分析

65Mn钢划属于弹簧钢类，与常用的热锻造模具材料的化学成份非常迫近，二者的化学成分对比见下表：

从表中看出，65Mn与5CrMnMo这两种材料含碳量都是在中碳钢范围，它保证了模具有较好的冲击韧性、耐磨性和导热性，其它成分中，Si、Mn含量也相当接近。

5CrMnMo钢经常规淬火，并在500℃以上高温回火后，其抗拉强度为1177～1373N/mm，硬度HRC43～48，冲击值19.6～29.4j/cm.而65Mn弹簧钢却具有较高的弹性极限，抗拉强度也在1177N/mm以上，回火后的硬度HRC48～55，冲击值为19.6～29.4j/cm。由此看来，65Mn与5CrMnMo这两种材料的力学性能也基本相同；其主要区别是65Mn与5CrMnMo热锻造模具钢中，碳化物形成元素较65Mn材料要多，细化了晶粒，提高了材料回火的稳定性，同时5CrMnMo材料中含Cr量较高，因此模具材料的淬透性能较65Mn材料要好。

2 65Mn钢热锻造模坯的预先热处理

用65Mn钢经锻造制成热锻造模具粗坯，模具在锻造过程中，应当上下方向重复镦拔2～3次，以消除不正常的纤维组织，锻造后先缓冷，再空冷，之后再对粗坯在箱式炉中进行退火处理，其退火的工艺曲线见图1。

模具粗坯经退火后，能有效消除模具材料内部的锻造应力，降低模具芯部硬度，改善了模具的组织结构和切削加工性能，并为最终热处理提供方便。

3 65Mn材料热锻造模具的淬火、回火处理

65Mn材料热锻造模具采用中温盐浴炉加热，双液淬火冷却，并在箱式电炉回火，经处理后，模面硬度大于HRC48，其热处理工艺曲线见图2。

3.1 65Mn材料热锻造模具淬火加热温度及工艺过程

运用快速加热法，先将炉温升至900℃以上，将烘干的热锻造模整体放入盐浴中，待加热一段时间后，将锻模提出液面，在820℃保温加热，保温后提起整个锻模在空气中预冷1～2min，讓模具的表面温度冷至780～800℃时再进行淬火处理。

（1）保温时间。通常加热保温时间与模具的高度有关，通常以淬硬层厚度达到5～10mm能够满足其锻造性能确定保温时间，保温时间在2-3小时较为合适。

（2）冷却方法。65Mn热锻模采用双液淬火，锻模出炉后，首先淬入5%的盐水中冷却，在冷却过程中，应仔细观察水汽和水声，在颤动声刚好消失后，将热锻造模具转入油中冷却到室温，对少数有保留棱角要求的锻模，在油中适当冷却后，应及时转入箱式回火炉回火，以防止棱角崩角、开裂。

（3）回火参数。回火工艺参数决定于回火后的硬度要求及模具的结构变化，因65Mn钢合金元素量含量较低，热疲劳性能和红硬性不及5CrMnMo材料模具钢高，为此，我们选定在350～370℃回火，回火后快速空冷，回火时间约2～3h。

回火后的组织为回火屈氏体，有较好的韧性，较高的硬度。对模面进行逐个检查，硬度在HRC48～55即可使用。

对于模具底座，则可在盐浴中单独进行回火，回火温度在500℃左右，经局部回火后，模具底座硬度小于HRC35，回火的参数应根据模具的受力情况和工作条件确定。

4 65Mn钢制锻造模具的重复利用

65Mn钢制锻造模具经较长时间使用后，硬度降低，模面局部磨损，影响锻件的尺寸和形状，我们就可以对这种旧锻模进行处理了。具体

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处理办法是：模具重新退火→重新机加工模腔→重新淬火、回火。

模具经过多次重复处理加工使用，会引起晶粒粗大，同时由于模具表面产生过热、过烧，模具表面硬度会降低很多，所以只能重复利用3～4次。

4.1 重复退火

退火加热时，速度要慢，加热温度略低，其退火工艺见图3。

我们曾对65Mn钢制锻造模具重新退火后的组织进行金相分析，退火后的组织与淬火前的组织基本相似，但晶粒较退火前有长大。

4.2 重新淬、回火

与模具首次淬回火工艺相同，重新淬火加热速度不能过高，加热温度取下限，820℃左右，避免奥氏体晶粒过快长大，以防止残余奥氏体量增加，影响锻造模具的表面硬度。

4.3 应用效果及注意的问题

（1）65Mn钢热锻模，可用于锻造碳素钢件，使用效果和寿命与5CrMnMo材料模具钢相当接近。

（2）65Mn钢热锻模可重复使用3～4次而不影响使用效果，在新模制作时，应在模具高度上留有适当的多次加工余量。

（3）重复利用的旧模进行多次加工时，应保证旧模具加工后模具表面无脱酸层存在。

（4）重复利用的模具在再次使用过程中，应加强冷却，给模腔适当涂擦润滑油，防止模具的早期损坏。

（5）采用65Mn钢热锻模，代替其它热作模具钢模锻，可节约钢材、降低成本。

（6）65Mn钢热锻造模具结构简单，因此应用这种模具的材料来源广，价格低，减少了锻件的加工成本；可连续锻造工件200h以上。在重复利用的过程中，使用性能变化不大，可广泛应用于冲击力小、锻造温度要求不高的碳素结构钢材料。

参考文献：

[1]北京电机工程学会（编译）.工模具材料应用手册[M].轻工业出版社，1989（01）.

[2]李绍林，马长福.实用模具技术手册[M].上海科学技术文献出版社，2000（06）.

[3]热处理工艺手册[M].机械出版社，2012（07）.

[4]金属材料与热处理[M].高等教育出版社，2015（07）.

课题：湖南省教育厅科学研究项目成果“热锻造模具寿命的影响因素及提升措施研究”编号：16C0257