热挤压模具热处理产生裂纹的原因及预防措施

    铝合金热挤压模具的材质多为4Cr5MoSiV1和3Cr2W8V等热挤压模具钢，它们必须在热处理后才能在450~550℃时承受700~1100MPa的压应力。我厂生产的热挤压模具在热处理时，有时在型孔及尖角处产生裂纹现象，使模具成为废品。为此，我们对产生裂纹的模具进行了大量的分析，找到了产生热处理裂纹的原因及解决办法。目前，用4Cr5MoSiV1钢制造的铝型材热挤压模具，瞢遗存在使用寿命低、挤压出的型材表面光洁度差等缺点。尤其是璧薄、悬臂长的模具更易以脆裂、拉伤、磨损和变形等形式而损坏。因此要求此类模具应具有高强度、高硬度、韧性好、抗划伤性优良的性能，才能提高其使用寿命。随着国产新型热作模具钢的面市，无锡瀚超推荐HD(4Cr3Mo2NiVNb)、GR(4Cr3Mo3W4VNb)、Y4(4Cr3Mo2MnVNbB)、Y10、HM3、HM1等高品质热作模具钢应用于热挤压模具，其中，Y10(4Cr5Mo2MnVSi)是针对铝合金压铸模具的服役条件而研制的新型热作模具钢。

热挤压模具产生裂纹的原因：
    ⒈钢材纯洁度的影响：钢材的纯净度低，杂质含量高，夹杂物往往聚集在晶界处，降低了模具钢的韧性和塑性，特别是钢中非金属夹杂物的聚集，夹杂物高脆性及金属基体的不连续性，使金属的抗拉强度降低。当夹杂物存在于型孔处时，危害性最大。模具钢进行淬火时，就会在非金属夹杂物处产生裂纹，造成模具开裂报废。

    ⒉钢材组织均匀性的影响：模具毛坯组织的均匀性，特别是碳化物大小、形状及分布均匀性，对模具热处理有很大的影响。碳化物分布不均会造成模具热处理后软硬不均，如果碳化物出现集聚或形成网状碳化物，其高的硬度和脆性，使模具在淬火时，裂纹出现的机率大大增加。

    ⒊热处理淬火制度的影响。由于热挤压模具淬火温度很高。3Cr2W8V淬火温度一般在1050~1100℃之间，4Cr5MoSiV1淬火温度在1020~1050℃之间，热挤压模的型孔有时又很复杂，而模具钢的导热性较差，在淬火时如果淬火加热速度过快，也可能出现由于组织应力和热应力联合作用产生的裂纹。

    ⒋淬火冷却速度的影响。热模具钢一般选用油类做为淬火介质，冷却速度虽然不高，但是，如果机加时刀痕较深，在螺纹孔处易产生应力集中，若保护不当，可能在此处因冷速过快而产生裂纹。

    ⒌热处理回火制度的影响。热挤压模具淬火后，大约有10%左右的残余奥氏体，在回火时将部分转变为马氏体组织，转变时产生组织应力，此应力对模具尖角部位危害很大，如采用一次回火方式回火，回火后对型孔进行加工，又会产生一定的加工应力，这些应力叠加在一起，集中于模具尖角处，超过钢材的强度极限时将产生由于回火不当和机加应力联合作用产生的裂纹。

防止裂纹产生应采取的措施：
    ⒈选用高质量的钢材。热挤压模具所选用的3Cr2W8V和4Cr5MoSiV1钢应具有良好的纯洁度，特别是对非金属夹杂物应严加控制。建议采用纯净度高的真空精炼钢，特别应对钢材韧性危害性大的硫、磷等有害元素严加控制。

    ⒉制定合理的锻造工艺。模具钢中粗大的碳化物必须通过锻造和热处理工艺予以消除，所以模具钢在锻造时要采用锻比大的锻造工艺，从而达到破碎粗大碳化物，均匀组织的目的，锻后采用完全退火方式进一步均匀、细化组织。

    ⒊合理的淬火工艺。由于型材模具形状、尺寸不一，因而在淬火时应分别制定工艺，由于合金钢的导热性差，对于小型型材模具(有效厚度小于180mm)，在淬火加热时，应在820℃，按加热系数1~1.2min/mm进行保温，然后再加热到淬火温度；对于尺寸较大(有效厚度大于180mm)的模具，应在400℃左右再增加一次预热，加热系数取0.8~1min/mm。只有这样才能减小淬火加热时模具外部和心部的温差，从而避免由于热应力和组织应力产生的开裂现象。

    ⒋增加回火次数。热挤压模具淬火后，固火宜进行2~3次。小型模具采用两次，大型模具采用3次，这样能大大减小产生裂纹的倾向。如进行两次回火，第一次为模具要求硬度的回火温度，而第二次比第一次回火温度低20~30℃。如采用3次回火方式回火，第一次回火应在比获得工作硬度所需的温度低20~30℃的回火温度进行，第二次回火在所需硬度的回火温度下进行，第三次回火为了提高韧性，回火温度应比第二次回火温度低30~50℃。   

    ⒌在淬火前粗加工时，减小刀痕深度。淬火加热前对螺纹孔用石棉等塞堵加以保护，从而避免由于螺纹孔处冷速过快且应力集中而产生开裂现象。

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资料来源：无锡市瀚超特殊钢有限公司合金模具钢营业部
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