热作模具热处理工艺设计优化方案

1.热变形模具的加工路线及技术要求

热变形模具的加工路线，有以下几种：

（1）热锻模和热挤压模：下料→锻造和退火→机械粗加工→超声波探伤→成形加工→淬火和回火→钳工修型和抛光。

（2）热切边模：下料→锻造和退火→成形加工→淬火和回火→钳工修整。

（3）堆焊锻模：下料→锻造和退火→机械粗加工→超声波探伤→堆焊→退火或高温回火→成形加工→淬火和回火→钳工修型和抛光。

（4）特大型锻模：下料→锻造和退火→机械粗加工→超声波探伤→淬火和回火→成形加工→钳工修型和抛光。

热变形模具的技术要求及其各种热处理方法，将结合典型热作模具的热处理实例阐述。

2.大型（5吨）锤锻模的淬火和回火工艺设计

（1）所用材料及技术要求 该5吨锤锻模用料为5CrNiMo钢，热处理后头部要求34～38HRC；燕尾部分28～32HRC；型腔和燕尾不得有氧化脱碳和腐蚀迹象，模具整体不得有肉眼可见的任何形式的裂纹。

（2）热处理工艺性分析5CrNiMo钢热处理的各项工艺性（特别是淬透性、淬硬性、脱碳敏感性、过热敏感性和回火脆性等）均很好。因此，5CrNiMo钢热处理工艺没有太大难度。

由于所用材料为钢厂供应的、已经退火的5CrNiMo钢模块毛坯（硬度为220HBW；模块重量约1.7吨），可整体粗加工后，直接对型腔进行成形精加工，随后即可进行淬火回火处理。

但由于模块尺寸较大，淬火和回火加热时应采取预热后再进行最终加热，且应对型腔和燕尾予以防护，避免氧化脱碳。淬火冷却时，应采取有效措施预防产生裂纹等。

（3）热处理工艺设计

1）预热：在煤气炉中进行，将火焰调到不完全燃烧（还原）状态。模具入炉温度为550～600℃，均热2h后以小于60℃／h的速度升温到480～500℃，保温7～8h。

2）淬火加热：在大型盐浴炉中进行最后加热。盐浴应认真脱氧后，模具入炉温度为900℃，约经2h炉温回升到855℃，保温2.5h后出炉淬火冷却。

3）淬火冷却：模具出炉后在空气中预冷到750～800℃（用红外温度仪测量）后入油冷却。在油中冷却38～40min后提出，在空气中停留2min（旨在使已淬火部分进行自回火）后继续入油冷却10min（使模具内部继续冷却硬化），提出油槽5min后模具表面已冷至220℃左右，总计冷却时间约50min。

4）整体回火：在煤气炉中进行。模具入炉温度为300～350℃，均热2h后以40～50℃／h速度升温到580～590℃，保温10h后空冷。

5）燕尾回火：在专用燕尾回火炉中进行，用火焰只喷吹燕尾。用红外仪测量温度，在燕尾温度达650～670℃时，调弱火焰烈度，保持温度在允许范围内不变，持续1～1.5h后在油中冷却，以免余热导致头部硬度降低。

（4）处理结果：检测头部硬度为36～38HRC；燕尾硬度为28～30HRC。未发现任何缺陷。在实际使用中锻造1万件时，模具型腔完好，可以继续使用。

3.中型（1吨）锤锻模的淬火和回火工艺设计

（1）所用材料及技术要求 该1吨锤锻模选料为5CrMnMo钢。热处理后头部硬度为38～44HRC；燕尾部分为30～35HRC；型腔和燕尾不得有氧化脱碳和腐蚀迹象，模具整体不得有肉眼可见的任何形式的裂纹。上、下模合模后模面应接触80％以上；燕尾平面挠度不大于0.2mm。

（2）热处理工艺性分析 该模具模块为320mm×420mm×515mm，由原5吨锻模改制而成，经过改锻和退火、加工成形等工序后进行淬火和回火。由于5CrMnMo钢改锻过程易产生白点缺陷，退火时应采取预防措施。此外，5CrMnMo钢的热处理工艺性稍差（如较强的过热敏感性、回火脆性等），且韧性不如5CrNiMo钢。所以，淬火和回火工艺和操作应严加控制。

（3）热处理工艺设计

1）预防白点退火：锻件的终锻温度为820～870℃，锻后立即放入650～670℃的箱式电炉中保温9.5h（按锻件最小边长3h／100mm计算）后，以30～50℃／h的速度冷却到400℃，再以20～40℃／h速度冷却到250～300℃出炉空冷。

2）淬火加热：在75kW箱式电炉中进行加热。装炉温度为900～920℃，经1.5～2h炉温回升到850～860℃，保温约8h（按1.5～1.8min／mm计算，以模体内外透烧为准）。

3）淬火冷却：模具出炉后在空气中预冷到780～800℃（大约4～5min，模具表面呈樱红色），立即整体转入油中冷却，通过模具上下、左右移动使油不断搅动。冷却4.5～5min时提出燕尾（油面在燕尾以下50～100mm处）靠模体热量传导进行自回火（此时，模体不断缓慢转动，使周围的油不致着火燃烧）。模体在油中继续冷却30～32min后约达到200～250℃（模具出油时，表面残油只冒较浓的青烟而不着火为准）提出并及时转入300℃的炉中等温保温3h（实质是复合等温淬火，组织为马氏体＋贝氏体＋残留奥氏体）。

4）回火工艺：模具不出炉，将等温炉炉温升高到预定回火温度480～500℃，保温4h后，在油中冷到150℃左右空冷（利用150℃余热消除回火油冷过程产生的热应力）。

（4）处理结果 硬度和变形度均符合技术要求；使用寿命一般锻打4000件以上，最高达8000件。

4.小型锤锻胎模的淬火和回火工艺设计

（1）所用材料及技术要求 该胎模模块尺寸为258mm×149mm×140mm，所用材料为5CrMnMo钢。要求热处理后硬度为42～47HRC；锤击面挠度小于0.2mm；上、下模合模时错位度小于0.2mm。

（2）热处理工艺性分析 由于该模块较小，加热时可以采用快速加热法，以便提高生产率和节能。另外，由于模块较小，加热时间较短，氧化脱碳较轻。故采用市场供应的保护涂料对型腔和锤击面予以防氧化脱碳。为了提高模具韧性和减小淬火变形和预防裂纹，拟采用复合等温淬火。(www.xing528.com)

（3）热处理工艺设计

1）淬火加热：模具在950～980℃箱式电炉中加热，加热时间为45～50min（按最小厚度20～22s／mm计算，以目测模块实际温度达到860～880℃，即整体模块呈橘黄色为准）后出炉。

2）淬火冷却：模具出炉后在空气中预冷到780～800℃（表面呈樱红色）后立即浸油冷却。在油中冷却约15min（按0.1min／mm计算，以出油时，只冒较浓的青烟，热油往下滚为准），即冷却到200～250℃为止，并立即转入300℃的炉中保温1.5h。

3）回火：模具不出炉，将等温炉炉温升高到预定回火温度460～480℃，保温2h后空冷。

（4）处理结果 硬度为43～44HRC；上、下模经合模试制的蜡件检验，其变形度和位移度均合格。

5.热顶锻模镶块的淬火和回火工艺设计

图5-19 热顶锻模镶块结构图

（1）所用材料及技术要求 该热顶锻模镶块如图5-19所示，材料为Φ105mm的3Cr2W8V圆钢。要求热处理后硬度为45～50HRC；变形度符合图示尺寸公差规定。

（2）热处理工艺性分析 该模具的制作难度是热处理后产生变形，用磨外圆方法难以保证与内孔的同轴度。因此，只好将外圆和内孔一次精车完成，由热处理保证其变形不超差。

根据以往经验，类似的模具变形规律是淬火后内孔收缩，外径胀，即产生体积膨胀。为此，冷热加工工艺协商规定，孔径加工到尺寸公差上限，外径加工到尺寸公差中、下限。为了减少热应力和组织应力，热处理加热和冷却均应采取适当措施。

（3）热处理工艺设计

1）淬火加热：在800～850℃的中温盐浴炉中预热25min后转入1120～1150℃高温盐浴炉中加热，并保温15～17min。

2）淬火冷却：加热后在550～600℃低温盐浴中停留3min，进行第1次分级；然后在280～320℃硝盐浴中停留3min，进行第2次分级冷却，最后空冷到室温。

3）回火：清洗掉附盐后，在650～680℃炉中保温1.5h后空冷，回火两次。

（4）处理结果 硬度为48～50HRC；变形情况如表5-33所示，各部分尺寸合格。

表5-33 热顶锻模热处理后变形情况

6.热滚压模的淬火和回火工艺设计

（1）所用材料及技术要求 该热滚压模见图5-20a所示，其尺寸为380mm×165mm×98mm。所用材料为3Cr2W8V锻坯。要求热处理后硬度为38～42HRC。

（2）热处理工艺性分析 该模具是柴油机连杆热成形滚压工艺装备。工作时承受较高温度，要求一定的热硬性、耐热疲劳性和较高的热强度等综合性能。因此，宜采用较高的淬火加热温度；回火时应预防产生回火脆性。由于毛坯需进行锻造，为防止氢脆应采用预防白点退火。

（3）热处理工艺设计

1）预防白点退火：锻件的终锻温度为850～900℃，锻后立即放入280～320℃的箱式电炉中保温2.5～3h后，将炉温升到580～600℃，保温3h（按锻件最小边长3h／100mm计算）后，以30～50℃／h的速度冷却到400℃，再以20～40℃／h速度冷却到250～300℃出炉空冷。

2）淬火：在箱式电炉中于590～610℃预热90min后，转入1090～1100℃的盐浴炉中加热，保温30min后在油中冷却，约200～300℃时出油空冷。

3）回火：第1次回火温度为640℃，保温4h后于油中冷透；第2次回火温度为620～630℃，保温4h后于油中冷透；第3次回火温度为610～620℃，保温4h后于油中冷透。

图5-20 热滚压模示意图及其热处理工艺曲线

a）热滚压模示意图 b）热处理工艺曲线

4）去应力处理：220℃，保温4h后空冷。

（4）处理结果 硬度为38～40HRC。