5CrNiMo钢齿轮热锻模具的热处理工艺研究

焦何生

济钢集团有限公司 山东济南 250101

1 序言

5CrNiMo钢热锻模造价高、用量大，因此提高其使用寿命具有重要的经济价值。影响模具使用寿命的因素很多，最主要的是模具的热处理质量与模具材料的选择。本文通过分析总结影响模具热处理质量的有关因素，为满足某公司生产组织需要，设计与制定模具的生产组织方案，科学合理确定模具的选材、模具的热处理工艺参数等，达到满足综合力学性能的要求。

2 模具的选材和失效原因分析

2.1 工件材料和性能要求

某公司拟生产小批量中间常啮合齿轮，为提高生产效率，保证产品质量，制定了用热模锻压力机设备和5CrNiMo钢制造模具（见图1）的生产方案[1]。设计锻模高度336mm，模面硬度38HRC，尾部硬度32HRC，锻模重量3t[2]。

图1 热锻模平面图

5CrNiMo钢为合金元素含量较低的合金工具钢。该钢具有良好的韧度、强度和耐磨性。它在室温和500~600℃时的力学性能几乎相同。在加热到500℃时，仍能保持300HBW以上的硬度。由于钢中含有钼，因而对回火脆性不敏感。从600℃缓慢冷却下来以后，冲击韧度稍有降低。5CrNiMo钢有良好的淬透性。此钢广泛用来制造各种类型的大中型锻模。且此钢易形成白点，需严格控制冶炼工艺及锻轧后的冷却工艺制度[3]。选用炉号为019-0147，5CrNiMo热锻模具钢的化学成分见表1。

表1 5CrNiMo钢的化学成分（质量分数） （%）

表2 模具失效原因的统计百分比 （%）

2.2 模具的失效原因分析

模具质量的好坏，特别是使用寿命，在很大程度上决定于制造材料的最佳选用和热处理的质量好坏。通过对模具失效的原因进行统计，得出的数据见表2。从表2中可以看出，因模具热处理问题造成的失效占整个失效原因的50%。模具热处理几乎又是模具加工工艺过程中的最终工序。若热处理不良造成报废，则将 “前功尽弃”。

3 模具的热处理工艺参数[4]

5CrNiMo钢锻模在使用过程中承受复杂的应力，因而形状复杂的锻模，必须具有尽可能均匀的组织和性能，而冶金厂供给的钢材具有纤维组织，其各项性能不同。为了消除钢坯纤维的方向性，使其性能尽可能地一致，并获得所需要的尺寸，必须进行锻造。锻造后必须缓冷以防止产生“白点”。具有白点的钢材，其纵向抗拉强度与弹性极限降低得并不多，但伸长率则显著降低，尤其是截面收缩率与冲击韧度降低得更多，有时可能接近于零，且这种钢材的横向力学性能又比纵向的低得更多。因此，具有白点的钢材一般是不能使用的。

3.1 热锻模钢的退火

5CrNiMo钢毛坯经锻造后，为了消除锻造时所产生的内应力并细化晶粒，得到均匀的组织（铁素体+珠光体），以及为了降低硬度以改善切削加工性能，锻坯必须进行退火处理。

3.2 热锻模钢的调质

为了消除锻模在机械加工的加工应力，并且避免因急剧加热而产生的热应力，装炉后，通常在600~650℃下进行预热。从预热温度升至淬火温度，所需最短保温时间：

式中a——系数（min/mm），采用盐浴炉时a=0.4min/mm；

h——模具高度（mm）。

而此模具高度为3 6 5 m m，由上式计算得τ≈2.5h，淬火加热保温时间6h，因为锻模钢的奥氏体比较稳定，为了减少锻模冷却过程中所产生的热应力，减少模具的变形和开裂，将出炉的锻模在空气中预冷至≤780℃。模具淬入油中约5min后，将尾部提出油面，停留数分钟，使燕尾温度回升，待油迹烧干，再浸入油中，3~5min后再提出，如此反复3~5次，待整个模具冷至150℃左右时提出，然后立即转入回火。

为了消除因淬火而产生的内应力，降低淬火后的硬度，增加韧性，得到均匀的屈氏体组织，锻模必须立即进行回火，回火在箱式炉中进行，根据工艺原则，大型锻模需保温5~6h。其具体的热处理工艺（退火、调质）曲线如图2所示。

3.3 模具的燕尾回火

为了增加锻模的使用寿命，特别是为了防止磨损锤头和折断锤杆，规定锻模燕尾硬度应低于工作型面的硬度，因此模具需进行燕尾回火。盐浴炉加热回火，锻模淬火、回火后，其燕尾的回火置于低温盐浴炉中进行。对于大中型模具，燕尾需加热至620~650℃，硬度达到286~321HBW（30.5~35HRC）。至于加热时间，一般根据锻模工作面的回火颜色决定。当工作面的颜色是蓝灰色甚至是灰色时（此时工作面部分已达400℃左右），即停止加热。燕尾加热后可油冷。为了减少热应力，油冷至约100℃后提出空冷。燕尾经处理后，可得到均匀的索氏体组织。

图2 5CrNiMo钢的热处理工艺曲线

4 结束语

1）模具经淬火、回火后，用机动砂轮及砂纸将需要检查硬度处磨光（磨入表面深度0.30~0.50mm），用经校对过的洛氏硬度计检查工作表面及燕尾的硬度，模面平均硬度为39HRC，尾部平均硬度为32.5HRC，抗拉强度为1360MPa，达到了力学性能要求。

2）模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程，对模具的制造精度、强度、工作寿命及制造成本等有着直接的影响。热锻模经过加工工艺路线：退火→成形加工→淬火、回火→精加工（修型、抛光），能满足其硬度的要求，也能使其具有一定的耐热疲劳性。