提高精铸热锻模具性能的研究.doc

提高精铸热锻模具性能的研究
汪新衡1，秦小平1，朱航生2
（1.湖南工学院机械系,湖南衡阳 421002；2.衡阳丰顺车桥有限公司，湖南衡阳 421000）
摘要:应用Cr-Mo-V新型精铸热锻模具钢精密成型汽车半轴法兰盘锤锻模。通过对模具结构设计和热处理工艺的改进，精铸热锻模具的使用寿命和稳定性得到了明显提高，失效形式趋于合理，基本消除脆性断裂现象，寿命达到6000～8000模次，满足了工业生产的要求。
关键词:精铸热锻模具；结构设计；热处理工艺；性能；寿命
Research on Improve the Performace of
Cast Hot-Forging Die

WANG Xin-heng1 , QIN Xiao-ping 1,ZHU Hang-sheng2
（1. Dept.of Mechanical Engineening,Hunan institute of Technology, Hengyang Hunan 421002,China; 2. Hengyang Fengshun Automdbile Axle CO.LTD,Hengyang 421000,China)
Abstract：This paper Researched casting Automobile axle flange forging dies by Application of new type of Cr-Mo-V Cast Die Steel. Through the die structure design and heat treatment process to improve, The life and stability of the die has been markedly improved, the failure mode Rationalized, the phenomenon of brittle fracture removed, the life of die reach 6000 ~ 8000, Fully meet the requirements of industrial production.
Key words: cast hot-forging die; structure design; heat treatment process; Performance; life

以精密铸造方法直接成型锻模，精度可达IT7—IT9,表面粗糙度Ra可达0.8～1.25μm，而且生产周期短，设备简单，成本低，便于模具的重复生产。这种新型的模具制造方法，在国外较早获得了快速发展。美国自二十世纪五十年代中期开始重视铸造热锻模具的开发，应用范围已遍及锻模、压铸模、注塑模及镶块等。据报道，在美国和日本，90%以上的热锻模具均已采用精密铸造技术生产[1-3]。
我国国内在这方面的研究起步较晚，发展缓慢，实际生产应用也非常有限。这主要有以下几个方面的原因：采用锻钢化学成分直接用于铸钢，不能满足性能要求；铸钢的热处理工艺不完善；精密铸造工艺不过关，模具精度和表面粗糙度达不到要求，铸造环节多，易产生气孔、缩孔、砂眼、夹渣等缺陷，导致力学性能不如锻件[4]。
本研究利用吉林大学开发的Cr-Mo-V新型精铸热锻模具钢浇铸出汽车半轴法兰盘锻模，经过对试验模具失效原因的分析，改进模具结构设计和热处理工艺，其性能有明显改善，使用寿命和稳定性得到了较大幅度提高，完全能够满足生产应用的要求。
1 试验材料及模具失效情况
我们选用的Cr-Mo-V新型精铸热锻模具钢的化学成分及主要力学性能见表1。采用陶瓷精铸技术精铸多套热锻模具。将该模具安放在3t模锻锤上使用。生产试用表明模具寿命很不稳定，在1200～5600模次间波动。这主要是由于刚开始对铸造材料在锻模工况下使用特性不了解，铸模结构、热处理工艺及锻造过程中操作不当等因素，致使模具使用不稳定。
表l Cr-Mo-V新型精铸热锻模具钢化学成分及性能
Table 1 Chemical composition and properties of the Cr-Mo-V new cast die steel
钢种 成分/% 力学性能
C Cr Mo Ni V HRC σb /MPa ak/(J.cm-2)
Cr-Mo-V新型精 0.36 3.55 2.52 1.15 1.00 42～46 1210～1340 12.5～18.8
铸热锻模具钢

从失效形式上分析，初次使用约40％下模出现断裂失效，上模以磨损为主要失效形式。35％的模具出现塌陷，65％的模具以热磨损失效。模具在不出现断裂和塌陷，而以磨损作为最终失效形式时具有较高的寿命。而热疲劳裂纹的出现往往作为裂纹源加速模具的开裂或造成模具的尺寸超差。图1和图2分别是精铸热锻模具冲击断裂失效和疲劳断裂失效的断口形貌。

图1 冲击断裂断口形貌 图2 疲劳断裂断口形貌
Fig.1 Fractography of Impact Fracture Fig 2 Fractography of Fatigue Fracture
2 模具结构与热处理工艺的改进
根据精铸热锻模使用产生的不同失效形式，分析其原因，有针对性地改进精铸热锻模的结构、热处理工艺，以提高精铸热锻模的使用寿命和稳定性。
2．1 模具结构设计改进
为避免模具出现早期脆断，在模具结构设计上作了一些改进：⑴增大圆角半径。裂纹常由应力集中的圆角处产生，尤其是深槽中的圆角易发生裂纹，为减少应力集中，型腔中的圆角应取较大的圆角半径。⑵壁厚合适。铸造模具壁厚过大不但造成材料的浪费，而且易产生热节，造成粗大部位出现缩孔缺陷。过小的壁厚，会导致模具强度不足。因此铸造模具的壁厚应该有一个合理的数值。⑶毛边量应合理。毛边不足将导致闭式模锻，模具易破裂。⑷采用组合模具。精铸热锻模具冲击韧性往往较低，建议采用与凹模过盈配合的预紧补强外套。在可能的条件下采用组合模具，使应力集中处对合，降低应力集中出现。
为了提高模具抗疲劳破坏的能力，在结构上的改进是：⑴避免过于细微结构。模具型腔中的尖角及细薄的突出结构，易导致因过热和过冷而出现热裂纹。⑵增大棱角部半径。一般锻模的棱角部磨损严重，应加大该部位联接的圆角半径。⑶提高模具型腔表面光洁度。模具表面较大的凸凹不平容易造成应力集中，其缺口尖端易萌生微裂纹。模具型腔表面不应残留加工痕迹，应进行磨削、抛光处理，降低其表面粗糙度。
2．2 模具热处理工艺的改进
热锻模的失效很大程度上是由热处理工艺不当造成的。针对Cr-Mo-V新型精铸热锻模具钢的特点我们对其热处理工艺进行了分析和改进。
1）预先热处理
因铸件凝固时不可能达到完全平衡，存在成分偏析，晶粒度不均匀，局部晶粒粗大等现象。经常规的淬火回火处理很难使成分和组织均匀，影响模具的性能。此外，铸态组织还常存在气孔、疏松等缺陷，它们对硬度和强度的影响不敏感，但对冲击韧性的影响十分明显。通过合适的预先热处理可以消除模坯缺陷，均匀成分，细化晶粒，消除应力，减少最终热处理时的开裂倾向。铸造热锻模具应进行高温扩散退火作为预先热处理，以此来使合金元素和形成的碳化物扩散均匀，减少成分偏析且消除铸造内应力，满足在冲击条件下对热锻模具的性能要求。对Cr-Mo-V新型精铸热锻模具钢，我们采用750～800℃预热，再加热至1100～1150℃，保温3～4h 然后随炉缓慢冷却到350℃左右出炉空冷。其热处理工艺曲线见图3。为了细化粗大的晶粒，高温退火后往往还需要进行一次正火处理。
2）最终热处理
热锻模具要承受较大的冲击，强烈的摩擦，工作时经常与炙热的金属接触，因此模具必须具有高的强度与韧性的配合，同时还要足够的硬度和耐磨性，高的回火稳定性和良好的抗热疲劳能力。此类模具应进行较高温度淬火，高温回火。因为提高淬火温度，合金元素能更多地溶入奥氏体，发挥他们的有益作用；另外，较高的淬火温度使得淬火组织由针状马氏体转变为以板条马氏体为主，提高钢的强韧性。采用高温回火，材料的塑性及韧性都有较大的提高。采用高温回火，析出弥散细小碳化物分布于钢基体上，产生二次硬化效果，可进一步提高模具的强度和耐磨性[5]。
对Cr-Mo-V新型精铸热锻模具我们采用等温淬火+高温回火作为最终热处理工艺。等温淬火后可获得下贝氏体或马氏体、下贝氏体、少量残余奥氏体复相组织代替普通淬火的片状马氏体，具有较好的强韧性而且模具变形小。由于Cr-Mo-V新型精铸模具钢中合金元素较多，而且铸造模具一般较厚重，为防止热裂，进行了两次预热，预热温度分别为550～600℃ 和750～800℃，以降低工件内、外温差。采用1020～1050℃加热淬火，较短保温时间3～4h，使奥氏体晶粒细小不粗大，在空气中预冷到700～750℃再投入260～300℃钙盐浴中冷却，可在不降低淬火工件硬度与淬硬深度条件下，使淬火应力大为减小，520～560℃及时三次回火，有效减少钢中残余奥氏体的含量。回火后采用油冷或强风吹冷，可有效缓解第二类回火脆性，增加模具的冲击韧性。其热处理工艺曲线如图4所示。

图3 退火及正火工艺曲线
Fig 3 process curve of Annealing and Normalizing

图4 淬火、回火工艺曲线
Fig 4 process curve of Quenching and Tempering

通过对铸造热锻模具结构及热处理工艺的调整后，精铸热锻模具的使用寿命和稳定性都得到了明显提高，避免了早期脆性断裂和疲劳断裂的出现。模具的失效形式转变为以磨损及塑性变形为主，寿命趋于稳定，锻模平均使用寿命6000～8000模次，比改进前有了较大幅度的提高。
3 结论
（1）改进前的Cr-Mo-V新型精铸热锻模具的主要失效形式是脆性断裂和疲劳断裂，寿命低且不稳定（1200～5600模次）。
（2）通过对结构和热处理工艺的改进，Cr-Mo-V新型精铸热锻模具的失效形式趋于合理，基本消除早期脆性断裂和疲劳断裂现象，模具的使用寿命和稳定性都有较大幅度的提高（6000～8000模次）。

参考文献
[1]叶春生,范红征,陈军.铸造热锻模具钢的发展现状与应用[J].国外金属热处理，2001（5）：11～14.
[2]王光阀.铸造锻模的制造与使用[J].铸造,1986（10）:13～15.
[3]贺俊杰，兰杰，翟春泉等.模具的精密铸造技术[J].铸造.2000,49(3):156—159.
[4]兰杰,贺俊杰,王渠东等.铸造模具的研究与应用[J].特种铸造及有色合金,1999（1）:123～125
[5]王树奇,崔向红,王峰等.铸造热锻模具钢的研究与应用[J].铸造,2006,55(6):555一559.
[6]汪新衡.铸造热锻模具钢的选材热处理及应用[J].现代制造工程,2004(1):58～59.

作者简介：汪新衡（1971，12——），男，湖南祁阳人，汉族，副教授，硕士，主要从事金属材料及加工工艺的教学和科研工作，已发表论文21篇，获国家实用新型发明专利一项。E-mail: wxinheng@ 联系电话：[phone]。