3Cr2W8V热模具钢材寿命的热处理工艺探讨

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热模具钢材寿命的热处理工艺。

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。

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。  

2、3Cr2W8V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热模具钢材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。