3Cr2W8V模具钢热处理分析

3Cr2W8V 模具钢热处理分析【摘要】介绍了热作模具钢3Cr2W8V的热处理方法和强化工艺，3Cr2W8V钢采 用新的热处理方法和强化工艺后，提高模具力学性能和使用寿命。模具使用寿 命可从3000件提高到7000件左右。【关键词】3Cr2W8V；热挤压模具；球化退火；渗碳淬火；高温回火3Cr2W8V Steel Heat Treatment Analysis【Abstract 】Int roduces 3Cr2W8V st eel t rea tment met hods andstrengthening technology, 3Cr2W8V steel by using of the new method and strengthening after heat treatment process, improve the mould mechanical properties and service life. Die longevity from 3000 pieces can be raised to 7000 pieces or so.【Key words 】3Cr2W8V; Hot extrusion dies; Ball annealing;Carburizing quenching; High temperature tempering前言：热挤压模是用于机器零件和型材挤压成形的成形模具在工作过程中，热 挤压模的模腔既要受很大的压应力和拉应力作用，易生脆裂，又要受到摩擦和 热疲劳的作用，模具表面还要承受反复的加热和冷却。因此热挤压模具工作条 件恶劣，模具受力复杂，要求具有较高的高温强度和高温硬度、足够的抗疲劳 性和耐磨性，本文通过对模具热处理工艺进行分析，找出了在原工艺处理过程 中存在的问题，并提出了较佳的工艺方案，可以较大幅度提高模具使用寿命。 选择模具材料要根据产量、模具成本、工艺稳定性等因素全面考虑。模具寿命 与生产量要相适应，而成本又最低这才是最佳选择。3Cr2W8V模具钢经过新的方 法热处理和强化工艺，提高了模具寿命、在锻模、热镦模、热挤压模、塑料 模、压铸模及玻璃模等热作模具得到广泛的应用。一 3Cr2W8 V钢热处理3Cr2W8V钢含C、Cr、V、W质量分数含量分别是0. 30. 4、2. 2-2. 7、 0. 2-0. 5、7. 5-9。其中Cr含量适中，增加了淬透性和抗氧化能力。含W量较 多，细化晶粒，提高硬度和耐磨性。该钢回火抗力较高，有较高的强度和硬度，在热处理中脱碳和变形倾向性较小。下面介绍几种常用的工艺。2. 1 3Cr2W8 V钢的常规热处理工艺退火工艺见图1所示，淬火和回火工艺见图2 所示，模具经过淬火回火后，硬度可达4048HRC。经一般热处理，一般模具寿 命可达1-3万件，重载荷模具寿命要少一些。12 3Cr2W8 V钢的热处理新工艺(1) 高温热处理3Cr2W8 V钢中含有较多的高熔点合金元素如钨铬钒等，这些元素与碳结合而 生成高熔点合金碳化物。只有当奥氏体化温度相当高时才能使合金碳化物固 熔于钢的基体中，将淬火温度由原来的10501100C提高到11001150qC。提高了基体钢的合金图示化程度，从而提高钢的淬透性、淬硬性、高温强度 及热稳定性，模具寿命提高4-5倍。(2) 等温淬火。等温淬火是将奥氏体化的模具浸入熔融的硝盐浴槽中，停留一段时间然后取 出空冷至室温。如用3Cr2W8V钢制曲柄热锻模，采用常规热处理及高温热处理， 模具寿命不高，采用1 100C淬火340350C等温5h，硬度基本一样，得到马氏 体+下贝氏体。即在高强度的马氏体上分布适量的下贝氏体组织，提高材料的强 韧性、断裂韧度及裂纹扩展抗力，模具寿命提高13倍。(3) 3Cr2W8V钢强化工艺应用于3Cr2W8V钢的化学热处理渗入的元素有碳、硼、氮、渗金属及多元共 渗，还有稀土多元共渗等下面介绍几种共渗的工艺。1，氮碳共渗。氮碳共渗方法分气体氮碳共渗、液体氮碳共渗、固体氮碳共渗， 如采用混合气体氮碳共渗，其工艺为升温到570qC经排气保温2h4h，NH流量 200L / h，酒精15滴/min,经过该工艺处理表面硬度为900lOOOHv，显著提高 抗热疲劳性能，模具寿命可提高2-3倍。2，硼氮复合渗。其工艺分两步进行，先加热到570qC保温3h氮碳共渗，然后升 温到900qC保温5h渗硼，随炉升温到1040C保温2h，油淬，550%保温2h,回火 三次，比常规热处理模具寿命提高5-6倍。渗硼处理获得高硬度、高耐磨性表面 层，但渗硼层较脆、易剥落，加入氮元素，可增加渗层深度、降低渗层脆性、 强化过渡层，提高表面渗硼层的支撑作用，避免渗硼层的剥落。3，离子硫氮碳共渗。离子硫氮碳共渗，其工艺如图3所示。共渗温度为520540qC，保温34h，采用氨气、乙醇与CS2混合液。乙醇与CS2 的体积比为了2：1，氨气与混合液的比例为(20-25)：1，向炉内送人氨气进行 离子硫氮碳共渗。二， 3Cr2W8V 钢热作模具的失效形式2.1 3Cr2W8V钢热作模具设计、加工不当造成的失效3Cr2W8V 钢热作模具的失效包括模具的设计造成的失效, 其中模具过载设计 （ 工序划分不当 ） 、工具形状和精度不良 （ 应力集中 L/D 较大 ） 和加强环预应 力不足为主要因素, 还包括加工不当造成的失效, 比如表面粗糙度不良、残存 有刀痕、圆角R太小、残存有脱碳层以及残存有放电加工变质层等。尖锐转角 和过大的截面变化造成应力集中,常常成为模具早期失效的根源。并且在热处理 淬火过程中,尖锐转角引起残余拉应力,会缩短模具寿命。而薄壁和断面太薄则 除导致应力集中外,还易造成强度不足,导致塑性变形或开裂失效。2.2 3Cr2W8V 钢热作模具热处理不当引起的失效3Cr2W8V 钢含有较多碳及合金元素, 导热性差, 透热速度慢,因此如果加热过快, 模具内外产生很大的热应力。如果控制不当,很容易产生变形或裂纹,甚至开 裂。 3Cr2W8V 钢淬火过热会引起钢的晶粒长大,冲击韧度下降, 使模具发生崩刃 或早期断裂的危险性增加。模具在淬火或高温回火时未加保护,将引起表面脱 碳。如果未将表面脱碳层除去,将严重降低模具的耐磨性, 缩短疲劳或冷热疲劳 寿命。模具回火不充分, 将在模具中残留较大的淬火应力,并使模具的韧性下降, 容易发生早期断裂。3.3 3Cr2W8V 钢热作模具使用不当引起的失效热处理不当引起的3Cr2W8V钢热作模具失效形式主要有三种：热磨损、热疲劳 和两者同时发生。模具的工作条件实际是严酷的。有较多的工作条件因素对模 具的失效有影响, 如压力机的刚性差、精度低、加载速度过大、压力机吨位过 高或过低,工作频次过高、被加工零件材料的因素、模具的冷却和润滑条件等。三，预防3Cr2W8V钢热作模具失效的方法3.1 合理设计、加工模具尽量避免尖锐圆角和过大截面变化, 尖锐圆角引起的应力集中可高达平均计算 应力的十多倍; 过大截面变化易引起热处理变形与开裂。对于形状复杂且易变 形开裂的模具可设计为组合式。同时在选用3Cr2W8V钢前先通过真空冶炼或电 渣重熔，提高钢的材质。王昌龙1等分析了3Cr2W8V钢制P- Cu合金焊料热挤 压模淬火时或使用中多次发生早期开裂的原因, 发现挤压模筒劈裂主要是由于 结构因素引起应力集中以及模具内孔径向裂纹， 对此， 可设计成内外模套结构来 改善之， 热处理时还应适当提高淬火回火温度，再则降低加工粗糙度。3.2 采用合理的热处理工艺为预防3Cr2W8V钢制热作模具失效，需制定合理的热处理工艺，热处理工艺应 视模具具体的失效形式而定。3.2.1 3Cr2W8V 钢热作模具失效形式为热磨损 这种失效主要是由于模具基体室温和高温硬度低、屈服强度低， 而磨损抗力、 热稳定性较差造成的。要提高模具使用寿命， 主要有以下两种途径： 提高常 规处理工艺的淬火温度。文献2报道了3Cr2W8V钢制造汽车变速箱主轴齿轮胎 模的情况, 在常规热处理后, 模具生产制品的数量少, 脆性断裂严重, 耐磨性 差, 常发生早期失效, 使模具报废。当模具采用高温淬火、回火强韧处理后, 模具寿命显著提高, 经济效益十分显著。这是因为提高淬火温度, 可使碳化物 溶入奥氏体更充分, 此外回火时马氏体的分解、晶粒再结晶长大和碳化物的析 出聚集粗化等过程也都将推迟并减慢, 因而模具材料具有更高的热稳定性; 采用表面强化工艺。表面强化工艺较多，如采用3Cr2W8V钢低温盐浴渗氮(QPQ) 后耐磨性大幅度提高，这主要是由于QPQ处理后模具钢形成了高硬度的8相 Fe23N化合物组织，因此模具钢硬度比基体硬度大幅度提高，从而大大提高 了模具钢耐磨性与抗咬合性能。从图1 可以看出氮化层明显， 深度均匀， 渗层 与基体有明显清晰的界面。该渗层具有极高的硬度( 9001130 HV0.1) ， 较高 的耐磨性和较好的耐蚀性。因此，温盐浴渗氮(QPQ)处理后，热作模具钢 3Cr2W8V 钢具有组织均匀、结构致密的渗层， 且具有很高的显微硬度、耐磨性 以及强抗腐蚀性。3.2.2 3Cr2W8V 钢热作模具失效形式为热疲劳3Cr2W8V 钢热作模具在服役过程中在循环温度下工作， 并受到机械腐蚀和化学腐 蚀的作用， 热疲劳破坏是其主要失效形式之一。实践表明， 热疲劳裂纹常常萌 生于模具型腔表面， 因此， 采用适当的表面处理工艺保护模具钢表面是提高其 热疲抗力、延长模具使用寿命的一种有效方法。刘北兴等3用等离子气相沉积 的方法在3Cr2W8V钢表面形成TiN等离子气相沉积层。结果表明：TiN沉积层 可以有效地提高钢的热疲劳抗力， 且随沉积层厚度减薄， 热疲劳抗力增加; 随 热循环上限温度升高， TiN 沉积层的热疲劳抗力降低; TiN 沉积层具有很好的 热循环稳定性及抗氧化性。高殿奎等4运用电磁效应理论最新研究成果， 采用 脉冲放电方法，对3Cr2W8V热挤压凸模的热疲劳裂纹实施了止裂试验。止裂后 的裂纹尖端变得十分圆整， 达到了钝化止裂的目的。 3Cr2W8V 钢热作模具进行 合理的表面处理工艺之后， 可提高耐磨性和抗高温氧化性，而模具的热疲劳抗力 与耐磨性和抗高温氧化性密切相关5，6 ， 因而提高了模具的热疲劳抗力。3.2.3 3Cr2W8V 钢热作模具失效形式为热疲劳和热磨损为预防3Cr2W8V钢同时发生热疲劳和热磨损失效，要求模具既具有较高的抗拉 强度、屈服强度、抗回火稳定性和抗热疲劳等性能， 又要求材料表面具有较高 的耐磨性能。那么对3Cr2W8V钢可以采取以下两种方法：强韧处理。在材料 热处理工艺中强韧处理主要是高温淬火加高温回火， 淬火加热温度为1 1501 200C,回火温度为600650C。杨光龙等7将淬火温度提高到1 20010C, 并通过630 10C的高温回火两次，在油中冷却后再经160200C补充回火，使 最终硬度为4346 HRC。这是因为3Cr2W8V钢的合金碳化物溶入奥氏体，淬火 后马氏体的合金度提高， 增加了钢的回火稳定性， 提高了模具的高温强度， 从 而延缓了模具工作部位的堆塌， 推迟了热疲劳裂纹的起始时间。随着奥氏体温 度的提高， 板条马氏体和残余奥氏体的量增加。与片状马氏体相比， 板条马氏 体没有明显裂纹， 其韧性优于片状马氏体。少量残余奥氏体的存在， 可以降低 裂纹尖端的应力集中, 阻碍裂纹扩展, 从而减少碳化物偏析, 减轻剩余碳化物 对基体的割裂作用。高温回火后, 碳化物弥散析出, 模具获得强韧的综合力学 性能，提高了钢的断裂韧度值。激光表面处理。用5kWC02激光器在3Cr2W8V 钢上进行铁基合金的激光熔覆处理, 可获得组织微细、成分均匀的激光表面改性 层，其相组成为a 2Fe+Y 2Fe+M7C3+M23C6+Fe2B，此激光改性层产生了多种 强化效应。当然还有其它的复合处理方法比如碳氮共渗、高温淬火+高温回火， 或与稀土复合来改善热作模具的热疲劳和磨损失效， 其发展前景十分广阔3.3 合理使用模具3.3.1 模具预热为了使热毛坯不至于降温太快， 便于金属流动和防止模具急热损坏， 模具必须预 热，预热温度一般在300 C左右。3.3.2 模具润滑采用18%二硫化钼、25%石墨、57%油酸的混合物有较好的润滑冷 却效果。使用时必须涂抹均匀， 其挤压件质量、效率以及模具的寿命均较高。 四，结论3Cr2W8V 钢热作模具失效不仅与材料的强度和硬度等有关， 而且与模具的设 计及使用有关。经过热处理工艺改进后，模具的内部组织得到有效改善，组织 均匀而细小，弥散程度高，可以显著提高模具的断裂韧性值和耐热疲劳性能! 模具的失效形式主要是正常磨损，使用寿命从原来的3000件提高到7000 件左右! 模具在尺寸稳定性、脱模便利性以及模具的使用寿命等诸方面都大大超过常规 淬回火热处理的模具!参考文献：1 王昌龙，黄延芳，蒋心慧.3Cr2W8V钢热作模具早期开裂原因及对策J.金 属热处理，2002，27(4): 53-55.2 王德文新编模具实用技术300例M.北京：机械工业出版社，1999.3 刘北兴，辛玉武.TiN气相沉积层对3Cr2W8V钢热疲劳性能的影响J.材 料科学与工艺， 1997，5(1)： 32-34.4 高殿奎付宇明.3Cr2W8V热疲劳裂纹的止裂与修复J 中国表面工程， 2001，(4)： 42-44.5 Hu Zhengqian. 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