5CrNiMo热锻模具钢碳氮硫共渗热处理工艺

文／葛希佩，李新军，纪宝华，贾雨，张务东·山东温岭精锻科技有限公司

5CrNiMo热锻模具钢碳氮硫共渗热处理工艺

文／葛希佩，李新军，纪宝华，贾雨，张务东·山东温岭精锻科技有限公司

现在企业压力越来越大，因此必须改进生产工艺，采用新技术、新工艺以降低生产成本，才能提高公司的市场竞争力。锻造模具在生产中直接影响锻件的精度及质量，所以采用的模具材料价格较普通钢材贵，并且加工热处理工艺复杂，因此模具的费用通常占锻件成本的5%～8%，也就决定着模具的寿命和质量，在锻造生产中起着举足轻重的作用。

然而模具在工作过程中，炽热的金属被强制成形时，模面受到强烈的摩擦并承受高达500～600℃的工作温度，还要承受大的冲击力或挤压力；另一方面还要受到喷入型腔冷却剂的激冷作用，使模具处在时冷时热的状态下；使模具产生冷热疲劳裂纹、磨损、变形等综合失效形式，图1所示为模具的热疲劳裂纹。特别是我公司的变速箱齿轮模具、主从动锥齿轮模具易发生变形、磨损、裂纹等失效形式，导致变速箱齿轮模具寿命低，大大增加了锻件的单件生产成本，并且频繁地更换模具严重影响了锻件的生产加工效率。

5CrNiMo热锻模具钢作为一种最常用的普通热锻模具钢，因其价格低、塑性好等特点，被锤锻模、摩擦压力机模等广泛采用；现有的常规热处理方式处理的5CrNiMo热锻模存在热处理后热稳定性及强度较低、易变形、寿命短等缺点，存在被价格高、性能好的4Cr2MoVNi、4Cr5MoSiV1等优质热锻模具材料所代替的趋势。然而由于4Cr2MoVNi、4Cr5MoSiV1等优质材料的价格昂贵、热处理需要高温炉、真空炉等高端设备，造价较高，对批量小、设备落后的生产条件又不适应。因此，急需一种新的5CrNiMo热处理工艺，来解决锻模热裂和热磨损失效的问题，以提高模具的硬度、强度、耐磨性、冷热疲劳抗力以延长模具的使用寿命，针对我公司模具更换频繁、产品批量小等情况，结合现有的热处理设备，经过两年的试验，成功摸索出5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺，解决了5CrNiMo常规热处理模具寿命短的问题。

图1 模具的热疲劳裂纹

5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺，是在常规热处理的基础上，对5CrNiMo热锻模具钢进行盐浴，使其完成碳氮硫共渗。盐浴1h，渗层厚可达到0.1mm；盐浴2h，渗层厚可达到0.2mm。提高了模具表面硬度，相对于气体渗氮的热处理方式，提高了模具表面硬度，使其不易变形，且寿命提高了60%以上。

5CrNiMo模具常规热处理工艺流程

5CrNiMo模具常规热处理工艺流程为预热→升温→淬火→回火→冷却，具体如下：

⑴预热。将粗车处理后的模具加热至600℃，保温4h。

⑵升温。将预热处理过的模具继续升温至860℃。

⑶淬火。将升温处理后的模具在860℃下保温6h后预冷至780℃，然后油冷至180℃。图2所示为加热炉及淬火池。

⑷回火。将淬火处理后的模具升温至280℃，保温4h，然后继续升温至480℃，保温6h，再降温至200℃出炉。图3所示为回火炉及其控制柜。

⑸冷却。将回火处理后的模具空冷至室温。

图2 加热炉及淬火池

图3 回火炉及其控制柜

5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺

5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺为预热→升温→淬火→回火→冷却→精车加工→预热→盐浴→回火，即在常规热处理工艺后增加预热、盐浴、回火工序。增加工序具体如下：

⑴预热。将精车成品模具加热至350℃～370℃，保温1h。

⑵盐浴。将预热后的模具加热至500℃～520℃，保温2～3h，然后将模具放入熔融盐进行盐浴，盐浴时间为1.5～3h。图4所示为碳氮硫共渗炉。

⑶回火。将所述盐浴后的模具用60℃～80℃的水清洗，然后将清洗后的模具放入回火炉，随炉降温至350℃～370℃保温1～2h后，再降温至180℃～200℃保温1～2h，然后出炉空冷至室温，检查硬度。

再生盐的浓度为34%～36%，盐浴过程中的浓度控制方法包括：①当盐浴的液面低于初始液面时，补充基盐，使液面到达初始液面；②每8h检测一次再生盐浓度，当再生盐的浓度低于使用标准时，加入的再生盐使其浓度达到标准值；③若8h后液面仍未降低，则进行捞渣，捞渣后观察液面并检测再生盐浓度，以补充基盐或再生盐。

图4 碳氮硫共渗炉

实例验证

采用上述碳氮硫共渗热处理工艺对从动螺伞锥齿轮2402N4-026的5CrNiMo模具进行处理，并与常规热处理方法处理过的模具分别进行硬度检测（实例为5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺，对照组为5CrNiMo常规热处理工艺），检测结果如表1所示。

表1 两种工艺下模具硬度检测对照表

将采用碳氮硫共渗热处理工艺处理过的模具制备试样进行金相组织观察，表面为灰白亮色合金混合组织和过渡层，内部为马氏体组织。金相组织如图5所示。

图5 碳氮硫共渗模具金相组织

经验证，采用5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺处理过的5CrNiMo从动锥齿轮模具，硬度可达到HRC50，与常规热处理后的硬度为HRC40～43相比，有明显提高，采用5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺处理过的模具锻打2402N4-026被动锥齿轮800件时模膛无变形，光亮如新（图6）。未经盐浴渗化的模具锻打700件就出现磨损，出现飞边和少量疲劳纹。与常规热处理工艺相比，碳氮硫共渗热处理工艺处理的5CrNiMo模具寿命提高了60%以上；此热处理工艺处理后的模具表面干净光滑、呈灰白色、用后光亮；图7所示为采用碳氮硫共渗模具锻打的产品。

图6 锻打800件后的模膛无变形

图7 碳氮硫共渗模具锻打的产品

结束语

5CrNiMo模具碳氮硫共渗热处理工艺相对其他化学热处理具有工艺污染少，不产生废气、废水及其他有害物质，不会造成环境污染的优点，改善了工人的工作环境。细化的马氏体晶粒使渗层的耐磨性、抗接触疲劳能力大大提高；此热处理工艺处理的模具质量优异、寿命长、经济效益显著。