新型铸造热锻模钢回火工艺的选择

压力机锻模、锤锻模在高温下工作，模具温度常在200℃～300℃，表面温度可达450℃～550℃，模具常因热疲劳与热磨损而失效，其热处理工艺的选择直接影响模具的耐磨性和抗热疲劳性，决定着模具的使用寿命。CHD钢是吉林工业大学自行研制的一种新型铸造热锻模具钢，该钢不用改锻，最大限度的减少了加工余量，可广泛地用于汽车、农机等行业，具有广阔的应用前景。本文主要研究CHD钢的回火工艺，提高其强韧性，以满足热锻模具的使用要求。

2　试验材料及方法

新型铸造热锻模具钢（CHD钢）的化学成分见下表。

表　CHD钢的化学成分质量分数w（％）

采用50kg中频感应电炉熔炼，1600℃插Al脱氧后出钢，包中加入Ti、Nb、RE、Ca等进行孕育和变质，在砂型中浇注楔形试样。热处理采用SX2-10-12箱式电阻炉，1070℃正火预处理，1010℃淬火，将不同回火温度的试样加工成10mm×10mm×55mm（U型缺口）冲击试样、10mm×10mm×20mm硬度试样。采用HR150型硬度计及HMIS显微硬度计进行硬度测试，在JB-5型冲击试验机上进行冲击试验，采用D／max-r　X射线衍射仪进行结构分析。

3　试验结果与分析

图1示出了CHD钢在不同回火温度下的硬度及冲击韧度。可见，在450℃以下，随着回火温度的升高，CHD钢的硬度下降而冲击韧度上升；超过500℃，硬度上升而冲击韧度下降，在550℃硬度最大，冲击韧度最低。超过550℃，冲击韧度虽然上升，但硬度急剧下降。

图1　回火温度对硬度和冲击韧度的影响

热锻模具钢的热处理工艺选择原则是获得适当的强韧性（40HRC左右，αk≥15J／cm2）。热锻模具传统的热处理工艺是“高淬高回”，使模具经过高温回火后能保持组织的稳定性，因此常用的5CrMnMo钢选择了550℃的回火工艺。对于CHD钢而言，有两种回火温度可以选择，按传统方法选择600℃回火（硬度41.2HRC，冲击韧度17J／cm2），也可选择450℃回火（硬度43.6HRC，冲击韧度20.8J／cm2）。

在生产应用考核中，根据模具的应用工况，选择450℃回火，并在长春拖拉机制造厂3t模锻锤上锻造12马力拖拉机半轴法兰盘，现场应用结果表明：经450℃回火处理后的CHD钢模具使用寿命（5800件）比锻造5CrMnMo模具（2500～3000件）提高1倍左右，而且表面磨损较轻，热疲劳裂纹较少［1］。

图2 两种模具钢失效后硬度的变化

图2为现场应用的CHD钢模具和锻造5CrMnMo钢模具失效后从表面到心部的显微硬度变化曲线。可见，CHD钢的表面和亚表面出现了硬化现象，而5CrMnMo钢却出现了软化现象。对CHD钢试样和失效后的模具取样经X射线衍射检测，发现CHD钢模具在使用中动态析出了大量的碳化物。析出碳化物不仅提高了模具表面的耐磨性，而且阻碍了热疲劳裂纹的扩展［2、3］。这样，模具在使用过程中，当型腔表面与高温工件接触而升温到550℃时，模具表面由于二次碳化物弥散析出而出现二次硬化，实现表面强化，提高型腔表面的红硬性和耐磨性；而模具心部的温度总是远远地低于表面的温度，仍能保持板条马氏体与下贝氏体的形态，而具有高的强韧性［4］，这种梯度性的组织与性能能够满足热锻模具工作时对红硬性和韧性的要求。

4　结论

（1）　CHD钢550℃回火出现二次硬化，450℃回火具有较高的强韧性配合。

（2）　CHD钢回火温度选在450℃，在模具使用过程中动态析出了大量的碳化物，出现了“表硬心韧”的梯度性的组织与性能。