熱鍛模具選材與製造工藝探討

摘要：本文主要介紹了錘鍛和熱擠壓類熱鍛造模具選材的一般規律和方法；同時針對目前相關模具壽命較低的問題，從熱加工、冷熱加工配合角度，提出了相應工藝優化的措施和方法。

關鍵詞：模具，材料、熱處理
 
一  前言

模具是實現少、無加工先進製造技術中的重要工藝裝備，在現代工業生產中得到廣泛應用。從使用情況表明：模具的質量在很大程度上取決於模具的選材、熱處理工藝。按照模具的使用條件分類包括：冷成型模具（包括擠壓模具、冷拉模具、冷鍛或冷鐓模具）、溫鍛模具、熱鍛模具、塑料成型模具、鑄造模具等等。本文主要闡述熱鍛模具的選材和製造工藝（尤其是熱處理工藝）。

（1）變形：指在高溫下毛坯與模具長期接觸使用後模具出現軟化而發生塑性變形。表現特徵為塌陷。工作載荷大、工作溫度高的擠壓模具和鍛造模具凸起部分容易產生這類缺陷。

（2）熱疲勞：指在環境溫度發生週期性變化條件下工作的模具表面出現網狀裂紋。工作溫差大，急冷急熱反覆速度快的熱鍛模具容易出現熱疲勞裂紋。

（3）斷裂：指材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷而出現失穩狀態下的材料開裂，包括脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂和腐蝕斷裂。熱鍛模具的斷裂（尤其是早期斷裂），與工作載荷過大、材料處理不當以及應力集中等相關。

（4）熱磨損：為模具工作部位與被加工材料之間相對運動產生的損耗，包括尺寸超差和表面損傷。模具工作溫度、模具的硬度、合金元素以及潤滑條件等影響模具磨損。相對運動劇烈和凸起部位的模具容易產生磨損失效。
 
三  選材一般規律和熱處理技術要求

根據熱鍛模具的一般失效形式，模具選材上主要考慮熱硬性、強韌性、淬透性、脫碳敏感性、熱疲勞效能等。從熱處理角度：耐磨性、硬度、熱處理變形、表面脫碳等。這裡只介紹幾種最主要的效能。

1、熱硬性，也叫紅硬性是指模具在受熱或高溫條件下保持組織和效能穩定，具有抗軟化的能力，它主要取決於材料化學成分和熱處理制度，一般這類鋼材中含有較高的V, W, Co，Nb,  Mo等高熔點和易形成多元碳化物元素。

2、強度和韌性主要根據模具的承載要求考慮，鋼的晶粒度，碳化物的數量、形態、大小、分佈以及殘餘奧氏體的含量等對模具的強度和韌性有很大影響。它主要取決於鋼材的化學成分、冶金質量（如氣體含量、夾雜物、S、P含量等）、組織狀態（合理的球化退火，改善組織的均勻性和碳化物的形態）和熱處理工藝合理運用。

3、淬硬性和淬透性：淬硬性是指材料淬火後所能夠達到的硬度範圍，主要與材料的碳含量有關。而淬透性是指材料在淬火後得到馬氏體組織的能力，它主要取決於鋼的化學成分。根據模具使用條件各有側重，如對要求表面高硬度的衝裁模具，淬硬性顯得更重要，對於要求整個截面具有均勻一直效能的熱鍛模具，則淬透性更重要。

當然，影響熱鍛模具壽命的因素很多，在選擇材料時，應根據熱鍛模具的具體工作條件合理選用，下表為兩種主要模具常用選材：
 

具體不同模具材料的用途、使用溫度範圍、適用推薦硬度範圍，可以參考《機械工程手冊》。
 
四  加工工藝及其對模具壽命的影響

一般模具製造工藝流程：落料、鍛造+球化退火處理—機加工—淬火、回火處理—（深冷處理）—精加工（包括電脈衝加工）—研磨、拋光處理—離子氮化處理。

合理的模具製造工藝流程：落料、鍛造+球化退火處理—機加工—真空淬火、回火處理（目的減小熱處理變形）—（深冷處理）—研磨、拋光處理—離子氮化處理。

2.1 落料、鍛造+球化退火：鋼廠提供的模具材料一般為鍛坯形式或棒材，其內部組織中碳化物呈沿晶界網狀分佈，這種組織，如果不經過進一步的鍛造加工，使用時，裂紋容易沿晶界萌生並擴張，降低模具的承載能力，最終導致模具的早期斷裂。

通過鍛造和隨後的球化退火處理，形成均勻、細小、彌散分佈的碳化物，改善模具內部的組織條件，尤其是碳化物分佈，為最終熱處理準備組織條件，避免區域性的應力集中產生熱處理開裂，同時有助於提高模具的壽命，解決斷裂和龜裂問題。下圖為幾種模具材料的快速球化退火工藝（球化退火工藝的溫度範圍可以參考〈熱處理手冊〉或〈機械工程手冊〉）。

圖1  快速球退火工藝

T1 ：3Cr2W8V, 1050℃；3Cr3Mo3VNb, 1030℃；5Cr4W5Mo2V, 1100℃

T2： 3Cr2W8V, 850~870℃；3Cr3Mo3VNb, 850~870℃；5Cr4W5Mo2V, 850~870℃
 
2.2 精加工：除非模具過於複雜，最好切削加工安排在熱處理之前，目的在於避免機械加工過程中在表面形成的拉應力，導致模具疲勞效能的降低。

電脈衝加工為材料的熔化加工過程，加工後容易在表面形成熔化層和熱影響層，降低模具表面的硬度、耐磨性，減小熱處理表面形成的壓應力而降低模具的熱疲勞效能，因此熱處理後一般最好不再進行電脈衝加工或者減小加工餘量或者採用加工後研磨、拋光的方式減小表面加工層的影響，以避免切削加工，尤其是電脈衝加工對模具表面損傷而影響模具壽命。

2.3  熱處理：一般模具的熱處理溫度和時間可以參考〈熱處理手冊〉或〈機械工程手冊〉。需要注意的是

（1）熱處理應採用合理的工藝減小熱處理變形 ***一般採用多段加熱工藝，同時防止加熱開裂***，同時考慮所採用的熱處理方式，應避免合金元素的蒸發，在材料淬透性允許的條件下，儘可能採用真空熱處理、氣體淬火技術，減小熱處理變形，避免熱處理後較大的加工餘量，導致表面過熱，影響模具壽命。但對淬硬性較差材料或存在高溫下易揮發元素的材料，如含高Ni 等，宜採用鹽浴熱處理。

（2）推薦採用超飽和滲碳熱處理技術，即應用滲碳技術，阻止熱處理表面脫碳，同時提高表面的耐磨性，並利用滲碳淬火後，表面形成高壓應力，提高模具的疲勞抗力。

（3）模具材料中一般含有較高的Cr,Mo,V,W,Nb等高溫、強碳化物形成元素，從而提高模具的強度、紅硬性等效能，在熱處理回火處理中，具有明顯的二次硬化特性，即在低溫回火和高溫回火形成兩次高硬度。因此根據模具的實際使用溫度範圍，可以選擇性應用回火溫度，但是對於熱鍛模具應採用高溫回火工藝，以避免二次回火硬化效應導致使用過程中模具效能的降低。
另一方面，也由於模具材料中一般含有較高的Cr,Mo,V,W,Nb等高溫、強碳化物形成元素，具有很強的抗回火效能，因此需要進行多次的回火，避免回火不充分引起早期的失效（斷裂和龜裂），一般要求至少2次高溫回火（更多采用三次回火工藝）。

圖2為3Cr2W8V熱鍛模具的熱處理工藝曲線。

2.4噴丸、研磨、拋光處理：淬火、回火後、表面熱處理前，進行噴丸處理，可以形成表面壓應力層，改變淬火、回火處理後的表面拉應力狀態；進行模具拋光處理，可消除模具加工表面缺陷而提高模具壽命，一般採用人工加工。

2.5離子氮化：提高模具疲勞效能和耐磨性，最好採用N2而不採用NH3，避免H＋對模具的氫脆作用。離子氮化溫度一定要低於淬火後的回火溫度，以避免模具基體硬度的降低和模具的變形，從而導致模具的失效。

2.6 深冷處理（液氮處理）：原理是降低殘餘奧氏體、形成表面壓應力、提高硬度和表面耐磨性、疲勞效能。但需注意安全（液氮使用不當，會對人體產生燒傷）。深冷處理的一般規範：模具（室溫狀態）——液氮（-196℃）/2小時——自然回到室溫——160~170℃/4小時——空冷。
        
當然，熱鍛模具在使用開始和過程中，由於承受冷熱交變過程，因此，為了提高模具的壽命，對模具的充分預熱也非常重要，預熱不充分或預熱溫度偏低將會嚴重影響模具使用壽命，一般預熱溫度為200~250℃，開始鍛造前，模具預熱保溫時間一般不得低於1小時。
 
五  表面處理技術的應用

熱鍛模具採用表面處理技術主要由：塗層處理（如真空塗 TiN或TiCN）、鍍層處理（如鍍Cr, Ni-P鍍）多元共滲處理（如C、N、O或C、N、O、S）、離子注入形成表面合金化層、滲B處理、物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（VCD）等。其中以離子氮化工藝最為適用。各種表面強化處理方法的應用範圍如下表所示。

本文主要介紹離子氮化工藝及其應用。離子滲氮是利用真空輝光放電過程在零件表面形成高耐磨性、高硬度的合金氮化物層，其理論尚無定論，提出最早的是濺射與沉積理論。，目前用於離子滲氮的介質有N2+H2、氨及其分解氣。氨分解氣可以視為25%N2+75%H2的混合氣體。

直接將氨氣送如爐內進行離子氮化，使用方便，但是滲氮層脆性較大，而且氨氣在爐內各處的分解率受到進氣量、爐溫、起輝面積等因素的影響，並會影響爐溫均勻性。只適合於要求不高的工件。

模具經過離子氮化的目的在於：通過離子氮化在表面形成合金氮化物層，強化表面，提高表面硬度和耐磨性；同時模具經過淬火、回火之後，表面利用離子氮化過程中，形成表面合金氮化物層的高硬度和與基體硬度的差異，形成表面壓應力，可以達到600~800Mpa的殘餘壓應力，從而提高模具的疲勞效能和壽命。下表為幾種模具材料離子氮化工藝和使用效果。
 

七  小 結

熱鍛模具由於使用溫度較高，應採用熱作模具鋼，同時根據具體的使用條件和失效方式，合理運用；為了提高模具壽命壽命，合理的熱鍛模具製造工藝過程為：落料、鍛造+球化退火處理—機加工—真空淬火、回火處理（目的減小熱處理變形）—（深冷處理）—研磨、拋光處理—離子氮化處理。離子氮化處理有助於提高模具壽命，原理在於提高表面硬度和形成表面壓應力。熱鍛模具的壽命還受到在使用開始和過程中合理預熱的影響，預熱溫度一般為200~250℃。