45Cr2NiMoVSi、B2钢锤锻模具的热处理工艺

文／尹松森，吴傲宗，刘洋洋，张屹·第一拖拉机股份有限公司铸锻厂

模具是工业生产中的一种基础装备，随着工业技术的发展得到了广泛地使用。锤锻模具工作环境恶劣，在锻造循环过程中不断地承受着机械载荷和热载荷作用。目前我国的大多数企业，模具使用寿命比较低，仅相当于国外的1/5～1/3。实践证明，在模具设计和制造过程中，若能选用恰当的钢材，确定合理的热处理工艺，对充分发挥材料的潜在性能、降低成本、提高锤锻模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。

锤锻模具使用寿命与许多因素有关，各种因素在模具失效中所占比例为：热处理占52.2%、原材料占17.8%、模具使用占10%、设计占3.3%。数据与实际情况表明，模具的全失效中，热处理工艺不当引起的失效居首位。

模具钢的选择

在锻造过程中，模具型腔与高温锻坯接触，模具工作面温度常达300～400℃，有时局部可达500～600℃；模具型腔与很高温度的锻坯打后，又受到反复冷却，即在急冷急热条件工作；模具型腔与变形金属发生相互摩擦，即工作面受到热磨损。这就是锤锻模具的工作条件，正是这种工作条件，要求这类模具钢应具有下列基本性能。

⑴淬透性高，以保证这种大型模具沿整个截面具有均匀一致的力学性能。

⑵冲击韧性好，热疲劳抗力高，以保证能承受冲击载荷及在急冷急热反复热冲击下，不因变形不一致发生龟裂。

⑶导热好，以保证模具型腔表面的热量尽快传导外散，降低模具的温升，有利于减少热磨损及热疲劳损伤。

⑷较高的抗回火稳定性及高温强度，以减少热塑性变形。

因5CrNiMo、5CrMnMo及5CrMnMoSiV具有淬透性、回火稳定性较好，常用于制作中小型的锤锻模。但为弥补5CrMnMo、5CrNiMo及5CrMnMoSiV在较大截面和较高温度时热稳定性、热疲劳性及淬透性不够的缺陷，大型锤锻模具常使用45Cr2NiMoVSi、B2等大截面热锻模具钢。与5CrNiMo、5CrNiMo及5CrMnMoSiV相比，45Cr2NiMoVSi和B2中既含有较高的Cr和Mo，又加入了少量的V，使CCT曲线上的高温转变区上移，低温转变区显著右移，提高了钢的淬透性。截面尺寸在500mm×500mm以下的模具经970～990℃淬火，650～680℃回火后，硬度可达36～44HRC。而且45Cr2NiMoVSi和B2具有二次硬化能力，其高温强度较5CrNiMo钢高50%，热稳定性高出100～150℃，冲击韧性则相当。另外，钢的热磨损性、热疲劳性及抗热裂纹扩展的能力也强于5CrNiMo。这两种钢用于12000t以下机械压力机模具及16t锤以下模锻模具，模具的使用寿命是5CrNiMo钢制造的同种模具寿命的数倍。本文就45Cr2NiMoVSi和B2两种模具钢热处理工艺做一个分享。

45Cr2NiMoVSi、B2钢锤锻模具的热处理

模具装炉要求

⑴锤锻模具装炉时，两模块之间、模块与炉壁之间的间隔不小于50mm。装炉长度不大于炉子有效长度的3/4，不允许两块模块上下堆放，同炉各模块尺寸应尽量相近。若同炉模块尺寸大小有差异，可将模块尺寸大的放在炉子的内侧，尺寸小的靠近炉门摆放。

⑵锤锻模具装炉时，要了解模具加工情况，必要时应采用真空炉热处理或者装箱保护加热，模具型腔等处有足够加工余量时可直接加热。

淬火处理要求

⑴升温和预热要求：为保证模块温度均匀，应注意缓慢加热升温，并应分别在600～650℃、850～900℃温度下预热均温。具体预热保温时间见表1。

⑵保温要求：45Cr2NiMoVSi在960～980℃保温，保温时间根据工件有效厚度而定，具体保温时间见表1。B2钢工艺参数见表2。注意，大型模具淬火温度应采用上限，小型模具用下限。

⑶预冷要求：锤锻模具保温结束后，为减小变形，出炉后应在空气中预冷，大模块空冷约7～10min，小模块约5～7min，然后油冷。

⑷油冷要求：冷却油温在20～70℃。淬火油的最高使用温度应低于其闪点60～80℃。为保证锻模冷却均匀，应选择适当的冷却运动方向，运动时间据模块大小而定（一般30～40min)，然后静止冷却，45Cr2NiMoVSi冷却时间参考表1，B2钢参数见表2。锤锻模具出油温度150～200℃，此时锤锻模具提出油面只冒青烟而不着火，如将水滴滴至模具表面有缓慢的爆裂声，淬火（淬油)后金相组织为板条马氏体+粒状碳化物+少量残留奥氏体，见图1。

锤锻模具回火处理要求

图1 淬火后金相组织(500×)

为避免淬火应力过大产生裂纹，锤锻模具出油后立即装炉回火。应尽量避免降温回火，必须采用降温回火时，炉温必须降至300℃以下。回火装炉顺序应尽量和淬火时的一致。为了消除残余应力，必须进行两次回火。经两次回火后的组织为回火索氏体+粒状碳化物，见图2。

从图6可以看出，在橡木桶陈酿前期，猕猴桃果酒中的酚类物质含量迅速减少，原因主要是酒液中的溶解氧与酚类物质发生了氧化聚合反应，形成了复杂的化合物；随着陈酿的进行，酒液中的溶解氧趋于稳定，酚类物质含量变化也逐渐趋于平缓[34]。随着陈酿的进行，带有苦涩味道的酚类物质逐渐氧化聚合，形成一系列的低聚合化合物，使得猕猴桃果酒的口感变得逐渐醇厚。

图2 淬火＋二次回火金相组织(500×)

⑴升温和预热。回火温度超过500℃，必须在250～300℃预热，预热保温时间见表3。

⑵保温。回火温度根据硬度要求而定，具体数值见表4。第一次回火规程具体见表3。

⑶冷却。保温结束后出炉空冷。

燕尾部分回火要求

燕尾部分硬度要求3.6～3.8dB。为保证燕尾部分的硬度合格，应使用专用加热炉重新加热燕尾，回火温度定为720～740℃，保温4～5小时，保温结束后在炉中放至500℃以下吊出空冷。回火时注意，翻新次数多厚度薄的模块要热炉回火，以免时间长，使承击面和型槽硬度降低。在第一次回火之后进行。

表3 锻模在电炉中的回火保温和冷却(B2钢、45Cr2NiMoVSi)

表4 回火温度

锤锻模具第二次回火要求

第二次回火应在第一次回火、燕尾回火冷到室温后才能进行，第二次回火的温度一般比第一次的低10～20℃，保温时间可比第一次回火缩短20%～25%，保温结束后出炉空冷。其他工艺规程参照表3。

热处理检验

保证热处理的有效性，是保证锤锻模质量的关键，必须进行外观、硬度检验，并根据检验结果，及时修订热处理工艺参数，保证后期热处理质量。

⑴外观检验：检验经热处理后锤锻模具是否有变形，防止变形过大造成后续加工问题。使用着色探伤，检验锤锻模具是否出现裂纹。

⑵硬度检验：使用风动工具，在模具承击面、桥部、型槽以及燕尾平面打磨平面，打磨深度以见模具原材料火花为止，使用布氏硬度计，检验模具硬度是否合格。

返淬要求

淬火后若硬度不合格，允许对锤锻模具进行返淬。返淬前退火及其随后的淬火均应装箱保护，以防承击面和模具型槽进一步氧化脱碳。装箱以干生铁屑和6%～8%木炭为保护剂。退火工艺为模块随炉升温至600～650℃预热保温2～3小时，然后随炉升温至800～820℃保温，保温结束后冷却。退火保温时间和冷却方式见表5。返淬温度可比正常淬火温度低20℃，保温时间要适当延长2～3小时。

表5 退火保温时间及冷却

锤锻模具翻新的热处理要求

锤锻模具失效后，在一定范围内允许进行下落翻新，在模具下落后，应进行模具硬度检查，检测部位包括承击面、模具型槽及燕尾面，检验是否符合设计要求。

⑴如果硬度检测合格，可以不进行淬火处理，但是模具加工成品后，应进行去应力回火。具体工艺为：根据模块大小在380～400℃预热2～3小时、在600～620℃保温5～10小时后空冷，注意，预热温度要比原来回火温度低30～50℃。

⑵若硬度检测不合格，需要重新热处理。热处理方法和返淬处理方法相同。

结束语

本文介绍的热处理工艺经验，可与同行交流参考。当然，影响锤锻模具使用寿命的因素很多，只有模具热处理结合其他因素，方能达到最优效果，才能起到降低锻件生产成本的目的。