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提高3Cr2W8V热模具寿命的热处理工艺探讨东联机械制造有限责任公司赵全生郑海东技术中心刘桂平内容提要对3Cr2W8V热模具的失效形式、材质特征及各合金元素的作用进行了分析。通过多次试验，制定了提高3Cr2W8V热模具寿命的热处理工艺。关键词3Cr2W8V热模具失效形式热处理工艺疲劳强度使用寿命热模具工作温度较高（一般情况下，工件始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃），工作条件恶劣。工作时强大的压力和冲击载荷使坯料金属在模具型腔内流动，坯料金属与型腔表面产生剧烈磨擦，极易使型腔表面磨损；同时锻模要在不断反复冷却条件下工作，由于冷热交变的结果，型腔表面在交变应力作用下易产生疲劳裂纹。使用过程中，磨损、疲劳是热模具失效的主要形式。为此，我们对热模具进行热处理工艺研究，以提高其工作寿命。1热模具所用材料的特征热模具所用材料为3Cr2W8V，其化学成分如下表。3Cr2W8V化学成分表元素名称C[SiMnCrWVP，S元素含量（%）0.30~0.400.15~0.350.20~0.402.20~2.707.50~9.000.20~0.50≤0.033Cr2W8V各临界点：Ac1=800℃；Ac3=850℃；Ms=380℃。从上表可知，3Cr2W8V钢为合金模具钢，材料中含有较多的碳化物元素：Cr、W、V等，因而具有较高的耐热疲劳性和高温机械性能。由于Cr、W元素的作用使奥氏体相当稳定，从而使该材料具有较高的淬透性，它既能保证模具淬火后获得均一的马氏体组织；回火时，Cr、W、Mn元素又能阻碍马氏体组织的分解，使材料具有较高的耐磨性和抗回火稳定性。可见3Cr2W8V钢热模具经适当的热处理工艺热处理后，具有较好的热强性、耐磨性，使模具具有较长的使用寿命。23Cr2W8V热模具传统的热处理工艺3Cr2W8V热模具的制造工艺流程为：下料→锻造→退火→机加工→热处理，模具热处理后的硬度要求为：HRC42—46。模具传统的热处理工艺为：淬火：550℃装炉（箱式电阻炉加热，加热时模腔用“生铁屑+渗碳剂”保护，以防止模腔脱碳），保温40min；再升温至1060℃，保温120min，然后出炉油冷至室温。回火：加热温度为580℃，保温240min（采用井式回火炉加热）。用该工艺热处理过的模具硬度符合要求，但模具寿命较短，平均使用1500次。模具费用较高，同时更换模具频繁，影响生产。我们对报废模具进行断口分析，观察到均为典型的疲劳断裂，疲劳源在刃口处，沿45°方向向心部扩展，疲劳断口面积与静力断口面积之比为1：3，在疲劳区的后部有明显的宏观浅沟。同时还观察到沿模腔轴向分布有10~20条裂纹，裂纹上宽下窄（以工作位置定），一般发展到工作区终止。疲劳断口即由其中一对裂纹（大部交成180°）处起始扩展。通过上述分析，认为模具失效的原因为：（1）从静力断口面积较大，疲劳断口后部疲劳沟较浅较宽，可以判断模具处在高应力状态下工作。（2）从模腔表面及轴向裂纹两侧出现脱碳组织判断，模腔最表层工作温度可能高于3Cr2W8V的临界点Ac1（800℃）点。（3）模具工作温度较高（工件始锻温度为1200℃，终锻温度为800℃），工作时会发生组织转变，模具工作时，工作应力与组织应力、热应力叠加，在每个工作周期的某一瞬间达到最大实际应力值，而增大了裂纹的产生和扩展的可能性，从而导致疲劳断裂，降低模具的使用寿命。3改进后的热处理工艺随着淬火温度的升高，淬火硬度也有所提高，低于1200℃淬火时，回火时2次硬化现象不明显。若高于此温度淬火，碳化物溶解较多，奥氏体合金度增加，从而强化了马氏体，回火时由马氏体中析出较多的弥散碳化物，2次硬化才显示出来。提高回火温度，以防止在模具使用过程中发生马氏体向屈氏体转变，以减小组织应力。由传统工艺1次回火，改为3次回火，以使淬火后，材料中低硬度的残余奥氏体较充分地转变为高硬度的2次马氏体，提高模具力学性能。改进后的热处理工艺为：淬火：550℃装炉（箱式电阻炉加热，加热时模腔用“生铁屑+渗碳剂”保护，以防止模腔脱碳），保温40min；再升温至1150℃，保温120min，然后出炉油冷至室温。回火：回火3次，每次加热温度为660℃，保温90min（采用井式回火炉加热）。用该热处理工艺处理的模具使用寿命可达4500次，降低了模具费用，提高了生产效率。4采用离子氮化工艺提高模具寿命热模具加工成型后，进行正常的“淬火+回火”热处理，然后进行离子氮化处理。热模具经离子氮化后，材料中的Cr、V等元素能与氮原子形成氮化物，这种氮化物熔点高，硬度高。这些氮化物在氮化层中均呈高度弥散均匀布着，对位移滑移有阻碍作用，而使得氮化层达极高的硬度，因此锻模离子氮化后表层有很高的耐磨性、热硬性。由于氮化层组织的比容比淬火马氏体的比容还大，因此氮化层有更高的残余压应力和较高的疲劳强度。经离子氮化处理的锻模可锻工件7000件以上，寿命有较大提高。5结论提高3Cr2W8V热模具的淬火温度及增加回火次数，可提高模具的使用寿命。合理的淬火温度为1150℃，回火工艺为：回火温度为660℃，回火3次。模具经离子氮化后，其耐磨性、疲劳强度、抗氧化性均有较大提高，可延长锻模使用寿命。