內容提要：對3Cr2W8V熱模具的失效形式、材質特征及各合金元素的作用進行了分析。通過多次試驗，制定了提高3Cr2W8V熱模具鋼材壽命的熱處理工藝。

　　

　　　　熱模具工作溫度較高（一般情況下，工件始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為800℃），工作條件惡劣。工作時強大的壓力和沖擊載荷使坯料金屬在模具型腔內流動，坯料金屬與型腔表面產生劇烈磨擦，極易使型腔表面磨損；同時鍛模要在不斷反復冷卻條件下工作，由于冷熱交變的結果，型腔表面在交變應力作用下易產生疲勞裂紋。使用過程中，磨損、疲勞是熱模具失效的主要形式。為此，我們對熱模具進行熱處理工藝研究，以提高其工作壽命。

　　

　　　　1、熱模具所用材料的特征

　　

　　　　熱模具所用材料為3Cr2W8V，其化學成分如下表。

　　

　　　　從上表可知，3Cr2W8V鋼為合金模具鋼，材料中含有較多的碳化物元素：Cr、W、V等，因而具有較高的耐熱疲勞性和高溫機械性能。由于Cr、W元素的作用使奧氏體相當穩定，從而使該材料具有較高的淬透性，它既能保證模具淬火后獲得均一的馬氏體組織；回火時，Cr、W、Mn元素又能阻礙馬氏體組織的分解，使材料具有較高的耐磨性和抗回火穩定性。可見3Cr2W8V鋼熱模具經適當的熱處理工藝熱處理后，具有較好的熱強性、耐磨性，使模具具有較長的使用壽命。

　　

　　　　2、3Cr2W8V熱模具傳統的熱處理工藝

　　

　　　　3Cr2W8V熱模具的制造工藝流程為：下料→鍛造→退火→機加工→熱處理，模具熱處理后的硬度要求為：HRC42—46。

　　

　　　　模具傳統的熱處理工藝為：

　　

　　　　淬火：550℃裝爐（箱式電阻爐加熱，加熱時模腔用“生鐵屑+滲碳劑”保護，以防止模腔脫碳），保溫40min；再升溫至1060℃，保溫120min，然后出爐油冷至室溫。

　　

　　　　回火：加熱溫度為580℃，保溫240min（采用井式回火爐加熱）。 用該工藝熱處理過的模具硬度符合要求，但模具壽命較短，平均使用1500次。模具費用較高，同時更換模具頻繁，影響生產。

　　

　　　　我們對報廢模具進行斷口分析，觀察到均為典型的疲勞斷裂，疲勞源在刃口處，沿45°方向向心部擴展，疲勞斷口面積與靜力斷口面積之比為1：3，在疲勞區的后部有明顯的宏觀淺溝。同時還觀察到沿模腔軸向分布有10~20條裂紋，裂紋上寬下窄（以工作位置定），一般發展到工作區終止。疲勞斷口即由其中一對裂紋（大部交成 180°）處起始擴展。通過上述分析，認為模具失效的原因為：

　　

　　　　（1）從靜力斷口面積較大，疲勞斷口后部疲勞溝較淺較寬，可以判斷模具處在高應力狀態下工作。

　　

　　　　（2）從模腔表面及軸向裂紋兩側出現脫碳組織判斷，模腔更表層工作溫度可能高于3Cr2W8V的臨界點Ac1（800℃）點。

　　

　　　　（3）模具工作溫度較高（工件始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度為800℃），工作時會發生組織轉變，模具工作時，工作應力與組織應力、熱應力疊加，在每個工作周期的某一瞬間達到更大實際應力值，而增大了裂紋的產生和擴展的可能性，從而導致疲勞斷裂，降低模具的使用壽命。

　　

　　　　3、改進后的熱處理工藝

　　

　　　　隨著淬火溫度的升高，淬火硬度也有所提高，低于1200℃淬火時，回火時2次硬化現象不明顯。若高于此溫度淬火，碳化物溶解較多，奧氏體合金度增加，從而強化了馬氏體，回火時由馬氏體中析出較多的彌散碳化物，2次硬化才顯示出來。

　　

　　　　提高回火溫度，以防止在模具使用過程中發生馬氏體向屈氏體轉變，以減小組織應力。由傳統工藝1次回火，改為3次回火，以使淬火后，材料中低硬度的殘余奧氏體較充分地轉變為高硬度的2次馬氏體，提高模具力學性能。改進后的熱處理工藝為：

　　

　　　　淬火：550℃裝爐（箱式電阻爐加熱，加熱時模腔用“生鐵屑+滲碳劑”保護，以防止模腔脫碳），保溫40min；再升溫至1150℃，保溫120min，然后出爐油冷至室溫。

　　

　　　　回火：回火3次，每次加熱溫度為660℃，保溫90min（采用井式回火爐加熱）。

　　

　　　　用該熱處理工藝處理的模具使用壽命可達4500次，降低了模具費用，提高了生產效率。

　　

　　　　4、采用離子氮化工藝提高模具壽命

　　

　　　　熱模具加工成型后，進行正常的“淬火+回火”熱處理，然后進行離子氮化處理。

　　

　　　　熱模具經離子氮化后，材料中的Cr、V等元素能與氮原子形成氮化物，這種氮化物熔點高，硬度高。這些氮化物在氮化層中均呈高度彌散均勻布著，對位移滑移有阻礙作用，而使得氮化層達極高的硬度，因此鍛模離子氮化后表層有很高的耐磨性、熱硬性。由于氮化層組織的比容比淬火馬氏體的比容還大，因此氮化層有更高的殘余壓應力和較高的疲勞強度。經離子氮化處理的鍛模可鍛工件7000件以上，壽命有較大提高。

　　

　　　　5、結論

　　

　　　　提高3Cr2W8V熱模具鋼材的淬火溫度及增加回火次數，可提高模具的使用壽命。合理的淬火溫度為1150℃，回火工藝為：回火溫度為660℃，回火3次。

　　

　　　　模具經離子氮化后，其耐磨性、疲勞強度、抗氧化性均有較大提高，可延長鍛模使用壽命。

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