汪 剛 張 嵐 朱圓圓 張慶慶 李少雨

(中航卓越鍛造(無錫)有限公司，江蘇214183)

熱變形模具在工作中除要承受巨大的機械應力外，還要承受反復受熱和冷卻的作用，從而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除具有高的硬度、強度、紅硬度、耐磨性和韌性外，還具有良好的高溫強度、熱疲勞穩(wěn)定性、導熱性和耐腐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個截面具有一致的力學性能。5CrNiMo鋼是典型的熱作模具用鋼，具有較好的淬透性，尺寸300 mm×300 mm×400 mm的模塊經(jīng)820℃油冷和560℃回火后，試塊橫截面各部位硬度幾乎相同，且其仍具有良好的韌性，適合制造各種形狀復雜、沖擊載荷大、工作溫度不太高、邊長大于400 mm大中型錘鍛模及切邊模。用于制造形狀簡單工件時，通常采用真空精煉工藝確保鋼材純凈；采用大型專業(yè)的熱處理使鋼材獲得最佳的預硬化效果，并使硬度均勻分布。但是該材料容易產(chǎn)生白點，且材料的熱強性和耐磨性較差，回火穩(wěn)定性較差，其性能是大截面鍛模使用壽命的關(guān)鍵影響因素之一。另外，我公司生產(chǎn)該材質(zhì)鍛模一般只有表面硬度的要求，因此，為了了解5CrNiMo材料的熱處理過程及其性能，滿足客戶對5CrNiMo鍛件性能要求，并在此基礎(chǔ)上積累該材質(zhì)的相關(guān)熱處理及性能數(shù)據(jù)，同時為后期公司產(chǎn)品升級轉(zhuǎn)型提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 鍛件尺寸及相關(guān)要求

1.1 產(chǎn)品情況

該批產(chǎn)品材質(zhì)為5CrNiMo，共4個規(guī)格，每規(guī)格1件產(chǎn)品，規(guī)格A、B、C、D的尺寸分別為?2000 mm/?940 mm×300 mm、?2000 mm/?1000 mm×300 mm、?2000 mm/?1080 mm×300 mm、?2000 mm/?1140 mm×300 mm。

1.2 產(chǎn)品交付要求

本批產(chǎn)品采用鍛造+退火+粗車+熱處理(調(diào)質(zhì))+粗車+無損檢測合格交付，產(chǎn)品無損檢測合格后對每個產(chǎn)品粗車調(diào)質(zhì)后本體取樣，試樣環(huán)規(guī)格25 mm×25 mm，根據(jù)技術(shù)協(xié)議要求檢測力學性能和金相組織?？紤]到輾環(huán)后的氧化皮對調(diào)質(zhì)淬火層的影響，技術(shù)工藝特意安排了調(diào)質(zhì)前進行車加工工序。同時結(jié)合產(chǎn)品最終交付狀態(tài)，為了得到更好的數(shù)據(jù)結(jié)果，產(chǎn)品調(diào)質(zhì)前按成品形狀車加工出留余量的類似形狀。四個規(guī)格為結(jié)構(gòu)相近的異形件，且加工出基本外形后再進行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后按圖取樣，圖1為其基本外形形狀及取樣位置。

圖1 產(chǎn)品調(diào)質(zhì)前形狀及取樣位置示意圖Figure 1 Schematic diagram of sampling position and product shape before quenching and tempering

該批產(chǎn)品除要求化學成分滿足技術(shù)協(xié)議要求外，還對原材料低倍組織、非金屬夾雜、晶粒度、顯微組織及力學性能等均提出了要求。低倍組織要求酸浸試片不得有肉眼可見的縮孔、夾雜、夾渣、裂紋、氣泡、白點等，一般疏松、中心疏松和錠型偏析按照協(xié)議要求。A、B、C、D四類非金屬夾雜物之和不大于3級，各類非金屬夾雜物要求按協(xié)議執(zhí)行。鍛件實際晶粒度要優(yōu)于4級，且級差≤3級。鍛件調(diào)質(zhì)后組織應為回火索氏體，允許貝氏體組織存在。該批鍛件調(diào)質(zhì)后力學性能要求見表1。

表1 產(chǎn)品力學性能要求Table 1 Mechanical properties requirements of products

2 鍛件化學成分

該批產(chǎn)品4個規(guī)格共2個冶煉爐次，原材料廠商為同一家供應商，復檢了2個冶煉爐次化學成分及殘余化學元素成分，見表2和表3。由表2和表3可知，A、B、C、D四件取樣件化學成分穩(wěn)定性較好，對后期產(chǎn)品熱處理性能影響較小。

表2 產(chǎn)品主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Main chemical composition of product (mass fraction, %)

表3 產(chǎn)品殘余元素含量Table 3 Residual element content of product

3 鍛件鍛造注意事項及過程管控

本批產(chǎn)品采用鋼錠鍛造，鋼錠的兩端應保證足夠的切除量(冒口去除應大于15%，水口去除應大于5%)，保證鍛鋼件中沒有殘余縮孔、裂紋、白點和有害偏析等缺陷。產(chǎn)品下料時做好標識及下料記錄。

鋼錠在鍛造前不應有肉眼可見的夾雜、氣孔、結(jié)疤、裂紋、折疊、過燒等缺陷。若有缺陷均應在鍛造前清除干凈。

坯料的始鍛溫度應≤1250℃(指坯料自身溫度)，終鍛溫度≥800℃。產(chǎn)品應嚴格按照工藝規(guī)范進行加熱和鍛造，為了更好地細化熱處理前產(chǎn)品內(nèi)部組織，產(chǎn)品變形應緩慢、均勻的加熱，盡可能制成工藝所給的形狀和尺寸，不得有損害成品力學性能的過大或過小余量。產(chǎn)品使用鋼錠開坯時，開坯總鍛比應≥2.5。

4 鍛件熱處理工藝

為了多積累產(chǎn)品熱處理過程參數(shù)控制對產(chǎn)品熱處理后性能的影響，將本次4個規(guī)格產(chǎn)品分為2個熱處理爐次進行性能熱處理，A、D同爐熱處理，B、C同爐熱處理。產(chǎn)品鍛造完成后，每個鍛件毛坯要在840℃保溫6 h后爐冷至500℃出爐空冷，退火完成后，按圖紙要求進行調(diào)質(zhì)前尺寸粗車加工，鍛件表面硬度在195～210HBW之間，產(chǎn)品調(diào)質(zhì)前要完全去除產(chǎn)品表面缺陷，不允許有裂紋、黑皮等缺陷。

該批4件產(chǎn)品按調(diào)質(zhì)前圖紙粗加工完成后，再按照熱處理工藝溫度840～860℃保溫完成后，產(chǎn)品吊出熱處理爐開始淬火，淬火冷卻采用空液間歇冷卻。在產(chǎn)品淬火冷卻完成后，按照590℃±20℃回火空冷的工藝要求進行熱處理。各規(guī)格產(chǎn)品調(diào)質(zhì)處理工藝參數(shù)及調(diào)質(zhì)后產(chǎn)品硬度見表4。

表4 熱處理后產(chǎn)品硬度Table 4 Hardness of products after heat treatment

A、D兩件產(chǎn)品分三次間歇淬火，每次淬火液冷卻時間控制在10 s左右，共冷卻兩次，B、C也采用同樣的淬火過程制度。A、B、C、D四個規(guī)格產(chǎn)品加工出外形后淬火，每次淬火液冷卻時間2 min，共冷卻5次，出液后由于產(chǎn)品壁厚不同，產(chǎn)品空冷3 min后，厚壁部位溫度在240～260℃之間，薄壁部位溫度在80～110℃，不同部位溫度相差較大，此為厚壁產(chǎn)品或大截面產(chǎn)品冷卻過程中的通病，后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)過程需要控制不同部位間的溫度差。

產(chǎn)品熱處理調(diào)質(zhì)完成后，按照產(chǎn)品取樣加工圖紙，從經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的本體上制取試驗所需的拉伸試樣、沖擊試樣和金相試樣，檢測的性能和金相結(jié)果見表5和圖2、圖3。

表5 調(diào)質(zhì)后力學性能Table 5 Mechanical properties after quenching and tempering

圖2顯示鍛件實際晶粒度在8級左右，且一個視場內(nèi)的晶粒度級差不大于3級，圖3顯示的試樣金相組織基本為回火索氏體組織，基本不存在貝氏體組織和其他類型的組織，滿足了產(chǎn)品技術(shù)標準要求。

圖2 晶粒度Figure 2 Grain size

圖3 金相組織Figure 3 Metallographic structure

5 結(jié)語

通過調(diào)整5CrNiMo的熱處理調(diào)質(zhì)生產(chǎn)工藝，加強了產(chǎn)品熱處理過程控制，采用分多次淬火入水的方式控制淬火過程，區(qū)別于傳統(tǒng)的液冷，從理化試驗結(jié)果來看，采用這種間歇冷卻的方式能比較好地控制產(chǎn)品性能。但本次工藝研究的成功并不能代表攻克了5CrNiMo大截面產(chǎn)品的性能處理方式，因為研究數(shù)據(jù)少，變量單一，工藝參數(shù)的準確是否是偶然性還需多做試驗研究來確認。

通過本次對5CrNiMo產(chǎn)品熱處理調(diào)質(zhì)工藝的調(diào)整嘗試，總結(jié)了還待積累完善的一些改進方向，具體有以下幾點：

(1)淬火過程適當優(yōu)化冷卻方式，盡量將鍛件各部位溫差控制在較低的水平，更好控制因溫度差異導致的性能及橢圓變形情況；

(2)適當優(yōu)化回火參數(shù)設(shè)置，以保證大截面產(chǎn)品的性能均勻性；

(3)本次熱處理工藝研究分析僅有4件產(chǎn)品，工藝參數(shù)及過程控制方法數(shù)據(jù)積累偏少。后續(xù)會繼續(xù)進行這方面的熱處理工藝研究分析，并采用不同鋼廠的原材料，來對比相同或者不同熱處理工藝方案所達到的效果。

(4)通過本次實驗來看，影響產(chǎn)品熱處理性能結(jié)果的因素較多，后期試驗數(shù)據(jù)積累應多變量多次數(shù)的總結(jié)。