超細(xì)晶強(qiáng)化技術(shù)在熱鍛模增壽中的應(yīng)用

石 鑫，徐勝利

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

超細(xì)晶強(qiáng)化技術(shù)在熱鍛模增壽中的應(yīng)用

石 鑫，徐勝利

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

本文通過(guò)對(duì)熱鍛模失效形式分析和超細(xì)晶強(qiáng)化技術(shù)的探討，提出了采用超細(xì)晶強(qiáng)化方法提高熱鍛模壽命的途徑，并通過(guò)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證說(shuō)明。

鍛模；強(qiáng)化；壽命；晶粒度

鍛模的使用壽命直接關(guān)系到鍛件的產(chǎn)量、質(zhì)量和成本。眾所周知，鍛模工作條件較為惡劣，直接承受高溫、大的沖擊載荷和復(fù)雜多變的熱應(yīng)力作用。目前有許多提高鍛模壽命的方法，其中超細(xì)晶強(qiáng)化技術(shù)以其獨(dú)特的作用成為一種提高鍛模壽命的有效途徑。

1 熱鍛模失效形式及影響壽命的因素

1.1 失效形式

熱鍛模工作中受到巨大的沖擊載荷，承受很大的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用。在此受力條件下，往往造成鍛模的機(jī)械疲勞裂紋；同時(shí)，它又受到高溫鍛件的直接作用，使鍛模型腔表面溫度高達(dá)1100℃度以上，且鍛件與型腔表面產(chǎn)生劇烈摩擦，這樣的工作條件，使型腔表面形成溝槽而成為應(yīng)力破壞之源，并造成模具型腔表面的直接磨損和氧化；因模具高溫強(qiáng)度不足而被壓塌導(dǎo)致塑性變形。另一方面，由于鍛模在高溫下承受較大的沖擊載荷及復(fù)雜的熱交變應(yīng)力產(chǎn)生熱疲勞裂紋，且在其周圍存在腐蝕性介質(zhì)，造成應(yīng)力腐蝕破壞。由此可見(jiàn)，鍛模工作條件十分復(fù)雜，影響鍛模壽命的因素也是多方面的。

1.2 影響鍛模壽命的因素

影響鍛模壽命的因素很多，但主要表現(xiàn)在如下幾方面：①鍛件材料的特性和加熱條件；②鍛件形狀；③鍛模結(jié)構(gòu)和型腔表面質(zhì)量；④鍛造負(fù)荷和鍛造速度；⑤模具的冷卻方式和預(yù)熱溫度；⑥模具的潤(rùn)滑；⑦模具材料的選擇和組織結(jié)構(gòu)。

2 鍛模壽命探討

前述影響鍛模壽命的諸多因素中，有些是從屬于鍛件本身的（如鍛件材料、形狀），但大多數(shù)不利因素是可控制和改善的，本文針對(duì)模具材料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)其壽命的影響進(jìn)行探討。

2.1 鍛模材料的組織結(jié)構(gòu)對(duì)其壽命的影響

根據(jù)鍛模的工作條件，適應(yīng)于熱鍛模的材料必須具備較高的高溫強(qiáng)度和沖擊韌性，高的耐磨性與硬度，優(yōu)良的耐熱疲勞性和高的淬透性，良好的導(dǎo)熱性。為了獲得這些良好的性能，研制了許多適用于熱鍛模的優(yōu)質(zhì)模具鋼，但對(duì)于鍛模材料組織結(jié)構(gòu)對(duì)其壽命的影響尚需進(jìn)一步研究。

2.1.1 晶粒超細(xì)化對(duì)鍛模的強(qiáng)化效果

研究發(fā)現(xiàn)，晶粒超細(xì)化可大幅度提高鋼的屈服強(qiáng)度和沖擊韌性，晶粒的平均直徑與屈服應(yīng)力之間有如下關(guān)系：

式中：σo——常數(shù)，表示晶內(nèi)對(duì)變形的抗力（阻力）；

k——常數(shù)，表示晶界對(duì)變形的影響。

從公式中可看出屈服應(yīng)力與晶粒平均直徑成反比。即晶粒越細(xì)小，σs值越高。鋼的晶粒度與強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖1所示。晶粒度對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度、韌性的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

2.1.2 超細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)理

眾所周知，從多晶體的塑性變形角度看，多晶體的變形抗力主要通過(guò)晶粒內(nèi)部的滑移、孿生和晶界的切變相互協(xié)調(diào)作用體現(xiàn)。從宏觀方面看，在常溫和低溫狀態(tài)，晶界的強(qiáng)度高于晶內(nèi)強(qiáng)度，如圖4所示，而晶粒的微細(xì)化大大增加了晶界面積，從而增加了材料的低溫強(qiáng)度。

圖1 晶粒大小對(duì)強(qiáng)度影響示意圖

圖2 低碳鋼的晶粒大小與屈服強(qiáng)度的關(guān)系

圖3 晶粒度d與斷裂強(qiáng)度σc和屈服強(qiáng)度σs的關(guān)系

圖4 多晶體的晶粒晶界強(qiáng)度隨溫度的變化

從微觀分析可知，在多晶體中，屈服強(qiáng)度是與滑移從一個(gè)晶粒轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶粒緊密相關(guān)的，而這些轉(zhuǎn)移能否發(fā)生，主要取決于一個(gè)晶粒晶界附近的位錯(cuò)塞積群所產(chǎn)生的應(yīng)力能否激發(fā)另一個(gè)晶粒中位錯(cuò)源也開(kāi)動(dòng)起來(lái)而進(jìn)行協(xié)調(diào)性的次滑移。位錯(cuò)塞積群應(yīng)力的大小與塞積的位錯(cuò)數(shù)n有關(guān)，n越大，應(yīng)力集中也越大。而n的大小，當(dāng)外加應(yīng)力和其他條件一定時(shí)，是和晶界附近的位錯(cuò)塞積群到晶內(nèi)位錯(cuò)源的距離相關(guān)的，晶粒越大，則這個(gè)距離越大，位錯(cuò)源開(kāi)動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，n也就越大。因此，在同樣外加應(yīng)力作用下，大晶粒的變形由一個(gè)晶粒轉(zhuǎn)移到另一個(gè)晶粒的機(jī)會(huì)就越多，小晶粒則正好相反。這就是為什么晶粒越細(xì)小，屈服強(qiáng)度越高的原因所在。另一方面，當(dāng)晶粒尺寸大時(shí)，變形受晶界的影響區(qū)域也相對(duì)地縮小了，晶粒內(nèi)部和晶界附近的變形量相差就比較大，而細(xì)晶粒又正好相反。因晶體變形最突出的特點(diǎn)是其不均勻性，它是金屬斷裂的基本原因之一，而晶粒越細(xì)，變形的不均勻性越小，相對(duì)來(lái)說(shuō)，引起的應(yīng)力集中也越小，開(kāi)裂機(jī)會(huì)也隨之相應(yīng)減少了，因此，在斷裂前可承受較大的變形量即延伸率增大。因而，在強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加的條件下，韌性也就跟著提高了。

另外，從圖3可以看出，隨著晶粒的細(xì)化，屈服強(qiáng)度σs連續(xù)增大，但斷裂強(qiáng)度σc的變化卻有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對(duì)應(yīng)于這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的晶粒直徑尺寸(dc)，相當(dāng)于脆性轉(zhuǎn)化尺寸，晶粒直徑小于它時(shí)（右側(cè)）為韌性斷裂區(qū)，晶粒直徑大于它時(shí)（左側(cè)）為脆性斷裂區(qū)。在脆性斷裂區(qū)σc與σs相近，一但發(fā)生塑性變形，就會(huì)很快引起斷裂。這表明塑性變形促進(jìn)了斷裂，裂紋的形成對(duì)斷裂起了主要作用，而晶粒的細(xì)化作用，僅在提高塑性變形抗力。在韌性斷裂區(qū)，隨著晶粒的細(xì)化，σc與σs之間的差值越來(lái)越大，在σc與σs之間允許裂紋存在，這說(shuō)明裂紋產(chǎn)生已不是斷裂的主要問(wèn)題，關(guān)鍵在于裂紋能否擴(kuò)展以及擴(kuò)展的阻力大小。這里晶粒的細(xì)化作用主要是增大了裂紋擴(kuò)展的阻力。而阻力之所以增大，是由于提高了塑性，增大了塑性變形對(duì)斷裂產(chǎn)生的效應(yīng)。從斷裂力學(xué)可知：

式中：σc——裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力；

E——材料彈性模量；

γp——塑性變形對(duì)斷裂產(chǎn)生的效應(yīng)；

γs——裂紋表面能；

c——裂紋尺寸。

由上式可以看出，由于塑性增加而引起γp增大，導(dǎo)致了裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力σc增大，也就是說(shuō)，增大了裂紋擴(kuò)展的阻力；另一方面，晶粒細(xì)化意味著晶界總面積增加，晶界本身對(duì)裂紋的限制作用增加，從而使晶體中已形成的微小裂紋不至于擴(kuò)展，即晶粒越細(xì)小，斷裂強(qiáng)度越高。

2.2 超細(xì)晶強(qiáng)化的途徑

根據(jù)以上分析可知，晶粒超細(xì)強(qiáng)化是提高鍛模壽命強(qiáng)有力的措施，晶粒超細(xì)化處理工藝，應(yīng)根據(jù)模具材料確定。但一般情況下可通過(guò)：①在接近Ac3線的溫度強(qiáng)烈變形，恒溫或緩慢冷卻，使變形奧氏體再結(jié)晶，再快速冷卻阻止再結(jié)晶的晶粒長(zhǎng)大的機(jī)械熱處理方法。②采用快速反復(fù)奧氏體化和淬火。③高溫形變熱處理加低溫形變和再結(jié)晶退火。這些途徑均可獲得超細(xì)晶粒。

3 鍛模超細(xì)晶強(qiáng)化實(shí)例

3.1 5CrMnMo鋼制鍛模超細(xì)晶強(qiáng)化

生產(chǎn)支柱螺管鍛件中，在2t模鍛錘上鍛制，采用5CrMnMo鋼制鍛模。工作條件為：鍛模預(yù)熱120℃～150℃、鍛造溫度900℃～1250℃、鍛打速度60次/min。鍛模原材料為5CrMnMo圓鋼。制造工藝流程為：棒料改鍛-機(jī)械加工-熱處理-鉗修-入庫(kù)。

原采用880℃淬火+500℃回火工藝，獲得的晶粒度較粗大（7級(jí)），鍛模平均壽命只有3000件左右。經(jīng)分析，改進(jìn)熱處理工藝方法，采用910℃正火預(yù)處理+780℃淬火+500℃回火工藝，獲得細(xì)小的晶粒度組織（10級(jí)），鍛模平均壽命提高到10000件左右。

兩種熱處理方法獲得的組織性能如表1所示。

3.2 3Cr2W8V鋼制鍛模超細(xì)晶強(qiáng)化

在300t摩擦壓力機(jī)上使用的3Cr2W8V鋼制曲柄零件熱鍛模，工作條件為：模腔采用油冷卻，鍛打速度8～12件/min，模具承受很大的沖擊載荷、摩擦和熱疲勞作用，斷裂失效嚴(yán)重。由于曲柄熱鍛模外形尺寸不大（280×100×95）原采用 500℃、850℃兩次預(yù)熱處理+1080℃油淬+580℃～610℃兩次回火處理工藝時(shí)，獲得的組織較粗大，強(qiáng)度σb為1500 MPa、硬度45～48 HRC、沖擊韌性αk=28J/cm2。鍛模平均壽命4500件左右。我們?cè)谠に嚨幕A(chǔ)上提高淬火溫度，改進(jìn)后的熱處理工藝為：500℃、850℃兩次預(yù)熱處理+1140℃油淬+640℃兩次回火處理工藝后，獲得組織細(xì)小，強(qiáng)度提高到1650 MPa、硬度仍為45～48 HRC，沖擊韌性αk=35.5J/cm2，壽命提高到8000件左右。鍛模壽命提高的原因是高強(qiáng)度馬氏體上分布適量下貝氏體組織，使馬氏體的晶粒細(xì)化，組織致密，提高了材料強(qiáng)韌性、抗斷裂韌性、熱疲勞抗力和裂紋擴(kuò)展阻力。

表1 5CrMnMo鋼不同熱處理工藝的組織性能

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)影響鍛模壽命的因素分析，探討了采用超細(xì)晶粒強(qiáng)化方法提高熱鍛模壽命的途徑；通過(guò)兩種鍛模強(qiáng)化實(shí)例，說(shuō)明提高鍛模壽命的工藝方法。對(duì)更多的超細(xì)晶強(qiáng)化工藝方法有待進(jìn)一步實(shí)踐。

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Application of ultra-fine grain strengthening technology in life elongation for hot forging die

SHI Xin,XU Shengli
（Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China）

By analysis of failure form of the hot forging die and discussion of the ultra-fine grain strengthening technology,it is put forward that the ultra-fine grain strengthening method has been adopted to improve the hot forging die life,which has been verified by the practical example.

Forging die;Strengthen;Life;Grain size

TG315.2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.030

1672-0121（2017）04-0101-03

2017-03-05；

2017-05-08

石 鑫（1981-），男，碩士，講師，從事飛行器制造技術(shù)研究。E-mail：26522469@qq.com