提高3Cr2W8V钢压铸模具寿命的热处理工艺研究

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提高3Cr2W8V钢压铸模具寿命的热处理工艺研究
8 w1 |* x5 l% i/ k$ _$ }" O3Cr2W8V钢是目前广泛应用的压铸模具钢，内蒙古某电机厂的电机转子铝压铸模具 就是采用此种钢制造。模具外形如图1所示，压铸是在130吨压铸机上进行。模具型腔 面与高温铝液频繁接触，承受由于反复加热与冷却而产生的交变应力作用。同时，型腔承 受很大的挤压、冲击和摩擦，模具工作条件极为苛刻。在此种工作条件下，模具的失效方 式为粘铝、龟裂和早期服裂，致使模具寿命不高。模具的早期脆裂是失效的主要矛盾，模 具的硬度和强度指标过高以及韧性不足是导 致早期脆裂的原因。为了提高模具的寿命， 必须提高3Cr2W8V钢的综合性能，对此，我 们进行了研究。
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1 试验方法

+ k+ d9 @2 S: g* r* P试验材料为3Cr2W8V钢，其成分为：0．376％C，2．40％Cr，8．10％W，0．4％V， ≤0．4％Si，≤0．4％Mn。

本试验采用10×10×55(mm)标准梅氏冲击试样。抗粘铝和热疲劳试样尺寸如图2 所示。用JB30冲击试验机、HR—150洛氏硬度计、HB—3000布氏硬度计、Instron—1251 型电液伺服万能材料试验机测定冲击韧性、 硬度、断裂韧度等指标。用电阻加热炉(内放 铝坩埚)加热到700℃，随后水冷的方式进行 热疲劳试验。 Neophot型金相显微镜观察球 化退火组织，用DS—III型扫描电镜观察断裂 韧度试样断口形貌。

4 v' B/ m  y( z/ g! {$ Q2 试验结果及分析
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2.1 气体氮碳共渗对抗粘铝和热疲劳性能的影响

将热疲劳试样校正常工艺调质处理后，再将一部分试样在570℃×3h进行气体氮碳 共渗，另一部分试样不进行氮碳共渗，然后进行对比试验。试验过程是：将试样放入 700℃的铝液中加热5秒钟，然后立即放入水中急冷，每次重复上述工艺过程。试验结果 表明，未经氮碳共渗的试样，3—5次循环就粘铝，而经过氮碳共渗的试样，几百次以后仍 末出现粘铝现象，而且脱模容易。还发现，未经氮碳共渗的试样，经60次循环，试样表面 就出现微裂纹，而经过氮碳共渗的试样，试验160次循环以后开始出现微裂纹，证明了经 过氮碳共渗的试样抗热疲劳性能好，比未经氮碳共渗的试样的抗热疲劳性提高1．6倍。

氮碳共渗后的试样，其最表面是白亮层，由比较致密的 ε—Fe2—3(N，C)化合物组 成 [1] ，这与铝的晶体结构不同，且浸润性不好，这可能是试样不粘铝的原因。
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材料的热疲劳性能是决定热模具寿命的重要指标之一。热疲劳除了与材料的导热系 数和热膨胀系数等物理性质有关外，还与材料的高温强度和塑性有关。热疲劳裂纹往往 在表面热应力最大的区域形成，模具表面受到剧烈氧化时会加速损伤过程，若材料抗氧化 性能好，则可减轻损伤。试样经氮碳共渗后，高温屈服强度提高，塑变抗力提高，延缓了裂 纹萌生，同时，氮碳共渗试样的表层具有抗氧化性，可减轻氧化侵蚀时的损伤过程，这可能 是提高抗热疲劳性的原因。

0 b( R, u/ B; b( ~) E+ r2.2 球化退火工艺优选
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; k. H' ^& _! }# p7 J5 w2 c热模具钢一般都采用中温加热退火和等温球化退火作为预处理工艺，用这种工艺处 理，3Cr2W8V钢球化组织不均匀，碳化物的形貌和分布不好，模具的强韧性不足，因而使 用寿命低，三向循环锻造虽改善碳化物偏析 [2] ，但对碳化物圆整度改善有限，而且工艺复 杂。为了获得细小、匀、圆的碳化物，对各种球化退火工艺进行了大量试验，优选出两种效 果显著的高温固溶预处理球化退火工艺，其结果见表l、图3、图4。

从图中看出，优选的两种工艺球化退火后的组织较好，碳化物细小、均匀、圆整度好。 将图3和图4相比较，图3的碳化物比图4的碳化物细小，但碳化物的均匀性、圆整度不 如图4，其硬度较高。所以，从机械加工的性能和碳化物的圆整度及操作方便考虑，选用 表1中的工艺2是合理的，以下试验均采用此工艺。

& N! o# V1 ~' Z. G2.3 不同温度淬火回火后的硬度和冲击韧性

' y8 W, S8 x0 \$ C将3Cr2W8V钢用新工艺球化退火后，加工成冲击试样经不同温度淬火回火后、做冲 击试验，并测定随炉试样的洛氏硬度，其结果见图5。从图5a可以看出，随淬火温度升高、硬度提高，同样温度回火，淬火温度高者，硬度也高，说明高温淬火能提高红硬性。从图5b可以看出，提高淬火温度，冲击韧性降低；淬火温度—定时，随回火温度升高，冲击韧 性提高。同样温度回火，淬火温度低者，冲击韧性高。从冲击韧性考虑，压铸模具宜采用 较低温度淬火和高温回火的工艺。但850℃淬火比900℃淬火试样的冲击韧性有所降低，可能与加热温度太低，溶入奥氏体的合金元素少有关。因为溶入基体的合金元素减少，会降低基体的强度，影响冲击韧性的提高。

' Z  `8 M- S$ m2.4 冲击韧性对比

4 U" O' N$ V# x' G# q. C对不同工艺球化退火的试样。再经不同温度淬火回火，对试样的冲击韧性进行比较， 其结果见图6，由图可见，在相同淬火温度下，经过高温固溶预处理球化退火的试样，冲击 韧性高。冲击韧性提高的原因是 [3] ，经过高温固溶预处理球化退火后，使碳化物细小均匀。

2.5 断裂韧度KIc试验
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试验采用三点弯曲试样，试样尺寸为100×20×l0(mm)。经不同工艺进行热处理， 用φ0．15mm钼丝切割缺口，在Amsler高频疲劳试验机上预制裂纹，所施负荷为试样强 度的30％，然后在Instron—1251型电液伺服万能材料试验机上测定。实验方法执行 GB416—84《金属材料平面应变断裂韧度KIc试验方法》，试验结果见表2。由表2看出、 经过高温固溶预处理球化退火、再经淬火回火的试样，具有高的断裂韧度，其KIc值较常 规处理提高1.36掊。经过高温淬火的试样也有较高的断裂韧度，其K1c值较常规处理 提高1倍。但回火后的硬度对KIC有较大影响，如09试样。图7为试样断口中心区的 扫描电镜形貌。由图7a看出，试样断裂特征为准解理形貌。有少量微坑、因解理面较多， 故KIC较低。由图7b看出、试样断口仍为准解理形貌，但具有韧性断裂的微坑特征，所 以，KIc显著增高。图7c是经过高温固溶预处理球化退火再经淬火回火的试样断口电镜 形貌，具有典型的韧性断裂韧窝形貌，所以KIc值明显增高。当含碳量一定时，钢的断裂 韧度随碳化物的平均距离减少(通过碳化物粒子细化)而增加[4]，因此，由于高温固溶预 处理使碳化物细化是提高3Cr2W8V钢KIc的重要原因。

. @  x1 Q: r! ^6 O( U9 A; v& _2.6 实际应用
! \5 S" P* i: j: G/ G7 K用常规工艺处理的3Cr2W8V钢压铸模具，每副模具只能压铸300件，模具寿命低， 后经氮碳共渗处理，模具寿命提高。但早期开裂的现象时有发生。当用新工艺+氮碳共 渗综合处理后，避免了模具早期断裂现象，脱模顺利，模具寿命显著提高。结果见表3。

从表3可以看出，采用新工艺+氮碳共渗(1150℃油冷+800℃炉冷+1075℃油冷+680℃ 回火二次+氮碳共渗)，取得了满意的结果。

9 ^, P8 ?. [4 j: ~( P! Q# }$ h3 结论

0 T. p0 ?0 @  K& p（1）3Cr2W8V钢采用高温固溶预处理新工艺可使碳化物细小，均匀，圆整度好，同时，冲击韧性，断裂韧度KIc提高。
: K" K- K+ D: c6 T. B8 {# F（2）采用综合工艺处理的3Cr2W8V钢电机转子铝压铸模具寿命显著提高。