深入研究热锻模具及热锻模具钢的淬火工艺

    通常而言，热锻模的体积较大，多采用箱式电阻炉加热，为防止加热过程中产生氧化和脱碳，故需要对模面和燕尾处加以保护处理，其措施为根据锻模的尺寸大小选用高80~100mm的铁盘，底部放上30~40mm厚的保护剂（为旧渗碳剂或木炭加一些烘烤过的铸铁屑等），将锻模的模面向下放于盘上，四周用保护剂填满，上面用耐火土或黄泥密封，需要注意的是，为了避免燕尾槽在淬火时的开裂，建议在圆角处缠绕石棉绳，从而减缓此处淬火时的冷却速度。
⒈热锻模具的装炉：
锻模应放置在有效加热区内，由于箱式炉自身结构的原因，两块锻模之间应留有150~200mm的间距，模具与炉壁的距离在150~200mm为宜，装炉温度不宜过高，尤其是对大型锻模或形状复杂的锻模，应进行预热后再加热到淬火温度。另外考虑到炉底板表面温度高，最好将锻模放在有支撑的垫块上或其他专用工装上，目的是确保锻模能够得到充分均匀的加热，同时避免局部的过热等。对于小型的锻模，如果没有形成裂纹或变形，则可直接放到保持淬火温度的加热炉中。为了减小热应力，大型热锻模具在淬火前应进行一次(550~600℃)或两次预热，模面处于保护剂下则装炉时的炉温为600~650℃，锻模应在该温度下充分预热后再加热到淬火温度，其预热时间按锻模的高度计算：0.6~0.8min/mm。
⒉热锻模具的淬火和加热时间：
热锻模具钢淬火温度，敬请参阅相关栏目内容。其确定的原则是在给定的温度下淬火可确保钢中的奥氏体晶粒不易长大，并保证钢具有较高的冲击韧度。适合用作热锻模具钢的钢种有：GR(4Cr3Mo3W4VNb)、HD(4Cr3Mo2NiVNb)、HM1(3Cr3Mo3W2V)、HM3(3Cr3Mo3VNb)、PH(2Cr3Mo2NiVSi)、Y4(4Cr3Mo2MnVNbB)、Y10(4Cr5Mo2MnVSi)、CG2(6Cr4Mo3Ni2WV)、RM2(5Cr4W5Mo2V)、3Cr2MoWVNi、5Cr2NiMoVSi、4CrMnSiMoV、5Cr4Mo2W2VSi、无磁模具钢以及进口模具钢Dievar、Qro90 Supreme、Hotvar、YXR33、GFA等。锻模的淬火加热保温时间，通常是依据锻模的高度来计算的，根据锻模是否预热的情况，加热系数是不同的，即经过预热的锻模保温系数为0.8~1.0min/mm，而没有预热的则为1.0~1.  5min/mm。如采用盐浴炉加热，则加热时间按0.6~0.8min/mm计算。
    无锡瀚超研究表明，随着淬火温度的提高，钢的组织以板条马氏体为主，而板条状马氏体比针状马氏体具有更高的韧性。淬火温度提高可使钢中的碳化物更充分溶解，钢的断裂韧性有所提高，钢的抗回火能力与热稳定性得到提高，同时还能推迟热疲劳裂纹的产生。但淬火温度的提高也导致奥氏体晶粒长大，钢的冲击韧度降低，不过，通过回火温度的调整，可使钢的冲击韧度达到设计要求。例如5CrNiMo钢淬火温度从830~860℃提高到950~1000℃，可有效克服模具的早期磨损、塌陷及热疲劳失效；对于5CrMnMo钢将淬火温度从820~850℃提高到890℃并进行500℃的高温回火，可获得细板条状马氏体为主的混合马氏体组织，其强度、塑性与韧性，特别是断裂韧度均有较大幅度的提高。需要注意的是，模具采用延迟冷却等工艺措施，可避免模具的淬火变形与开裂倾向。
⒊热锻模具的出炉与冷却：
热锻模具的冷却工艺以及操作水平直接影响到模具的质量，冷却不当可导致模具的淬火变形与开裂。对于进行保护加热的锻模，则在出炉后将铁盘和保护剂除去，清理干净模面，锻模入油前要延迟冷却，即在空气中预冷到750~780℃，预冷时间为3~8min，可明显减少锻模的应力与变形，同时也有助于消除开裂倾向。热锻模具钢的奥氏体稳定性好，故可以采用油冷、硝盐分级淬火或等温淬火。采用模面向下淬入50~80℃的油中冷却到200℃左右（锻模从油中提出冒青烟而不着火），出油后尽快回火。为了确保大型锻模的均匀冷却和保证淬火后硬度的均匀一致性，淬火油应进行循环冷却或加以搅拌，需要注意的是，油中应没有水和其他影响冷却效果的杂质（如肥皂沫、漂浮物、过多的盐渣以及其他物质等），否则会造成模具的热处理缺陷（裂纹、软点、表面腐蚀、变形大等）的产生。
    锻模的油中冷却有严格的要求和规定，其在油中冷却到150~200℃（锻模从油中提出表面冒青烟而不起火为宜，如将水滴或唾液滴在模面上有缓慢的爆裂声），取出后立即进行回火处理，决不允许冷到室温。对于小型锻模则可采用分级淬火，即锻模预冷后淬入160~180℃的硝盐溶液中停留一段时间（大致按0.3~0.5min/mm），取出后立即回火处理。小型锻模淬火后的组织为马氏体，中型或大型锻模淬火后的外层为马氏体，中间为过渡层组织（极细珠光体+马氏体），心部为珠光体组织。
需要注意的是，锻模在油中的冷却对于模具的热处理具有重要的影响，如冷却的温度过低或回火前停留时间过长，则可能在模具内部产生很大的热应力与组织应力，会导致模具的开裂；而出油温度过高，则模具的心部未达到马氏体转变温度，发生了上贝氏体或其他非马氏体组织的转变，导致模具的早期塌陷变形或开裂等，影响模具的使用寿命。
   考虑到锻模的燕尾部应具有较高的塑性与韧性，从而避免产生冲击裂纹等，故要求该部位的硬度应低于其他位置的硬度，这里需要特别注意应采取以下方法：
⑴、锻模在加热前应在燕尾上盖上1.5~2.5mm厚的钢板制盒盖，目的是锻模淬火时，燕尾的冷却速度显著低于锻模其他部分，则可获得要求的低硬度；
⑵、采用自身回火法，将整个锻模在油中冷却一段时间后，将燕尾部分提出油面，在空气中停留一段时间，利用内部的余热使温度回升，随后再放入油中冷却，反复3~5次（关键要注意第一次），以达到硬度要求，具体的油冷时间与燕尾自身回火时间，可根据经验或试验来确定。
    为了提高锻模的使用寿命，建议有条件的可采用等温淬火处理，预冷后将锻模放入160~180℃的硝盐溶液中停留5~10min，再转入280~300℃的硝盐中等温停留2h取出空冷，等温淬火后可获得马氏体+贝氏体组织。

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