摘要：对模具钢X45NiCrMo4试样进行淬火、回火处理，检测不同工艺热处理后各试样的表面硬度、金相组织及综合机械性能。分析试验数据，探索该材料较为合理的热处理工艺方案并应用于模具生产。
模具是机械制造、电子电器等工业部门制造零件的主要加工工具，它的质量直接影响着压力加工工艺质量、产品精度、产量及生产成本。模具的质量和使用寿命不仅依靠科学的结构设计和精准的加工精度，更离不开优良的模具材料和合理的热处理工艺。X45NiCrMo4是国外模具行业常见的模具用钢，本文通过对该材质试样以不同工艺热处理，检测材料组织、性能，选择模具生产中经济可行的热处理工艺。
1 试验材料及方法
试验用X45NiCrMo4主要化学成分(质量分数，%)为：0.50 C，0.17 Si，0.31 Mn，1.41 Cr，0.22 Mo，4.03 Ni，0.017 P，0.012 S。先从经退火处理后的锻件上截取小规格试块以不同温度淬火、回火，检测其表面硬度及金相组织;再根据小试块淬火、回火试验结果，截取圆棒形锻件选择合适工艺进行调质处理并加工成机械性能试验标样，检测表面硬度、抗拉强度、冲击韧性;最后将经调质+最终淬火的带螺纹圆棒形拉伸试样及带U型缺口的冲击试样进行检测，获取其表面硬度、金相组织、抗拉强度及冲击韧性数据。
2 试验结果与分析
2.1 加热温度对X45NiCrMo4钢硬度、组织的影响
不同温度淬火、回火后硬度变化的检测结果如图1所示，随着淬火加热温度在780~890℃间逐渐升高，试块表面硬度也随之逐渐增大，在(860±10)℃淬火时获得硬度较高值HRC60。X45NiCrMo4钢试块经过相同温度淬火并逐级升温回火发现该材料具有较强的回火稳定性，当回火加热温度从室温升到450℃时硬度度降为HRC44~46，当回火温度升高到680℃时硬度降至HRC28~32。其中，X45NiCrMo4钢经(860±10)℃淬火，200℃回火后硬度为HRC53，680℃回火后硬度为HRC32。
图1 不同热处理工艺对X45NiCrMo4钢硬度的影响
由图2可见X45NiCrMo4钢在780~890℃间加热淬火组织均是马氏体为主的多相结构，其淬火组织晶粒随着加热温度的上升而增大。(780±10)℃加热时，组织为淬火细针马氏体+残余奥氏体，晶粒较细、晶界不明显而无法评级;(860±10)℃加热时，组织为淬火针状马氏体+残余奥氏体，晶粒较细也难以评级;(890±10)℃加热时，组织为淬火针状马氏体+粗针马氏体+残余奥氏体，晶粒粗细不均，测定金属平均晶粒度级别为6-7.5级[1]。分析认为X45NiCrMo4钢780~860℃淬火，组织晶粒长大趋势对温度变化的敏感度较弱;(890±10)℃淬火温度较高，组织晶粒长大迅速，且受原始晶粒影响长大趋势不一，获得不均匀组织晶粒。因此可见热处理工艺淬火加热温度的选择直接影响模具材料的微观组织结构，进而制约模具的使用性能。
图2 淬火温度对X45NiCrMo4钢组织晶粒的影响 ×400
(a)(780±10)℃ (b)(860±10)℃ (c)(890±10)℃
2.2 X45NiCrMo4钢调质、淬火处理后的机械性能
依据前面数据，取X45NiCrMo4钢试样经调质处理后，检测硬度为HRC31，抗拉强度σb为1077MPa，冲击吸收功AkU为28.0J，金相组织为回火索氏体;经调质+淬火处理后，检测硬度为HRC53，抗拉强度σb为2037MPa，冲击吸收功AkU为36.5J，金相组织为回火马氏体+残余奥氏体，如图3所示。由此可见，X45NiCrMo4钢中由于Cr23C6、Cr7C3、Mo2C等稳定碳化物的存在而具有较优的综合机械性能[2]。
试验热处理工艺采用真空炉整体加热淬火、烘箱充分回火，这有利于降低脱碳现象对试验硬度数据的影响，其结果更贴近模具的热处理工艺状况。模具形状及加工工艺复杂，使用过程中易产生应力集中，摩擦面积大，极易受磨损，一般难以修磨重复使用，因此选择X45NiCrMo4钢为模具用料，再配合适当热处理工艺可以获得理想硬度、机械性能和组织结构，充分发挥该材质高硬度、高抗拉强度、高冲击韧性、中耐磨性的优点，适用于制作冷冲、冷镦、切边的凹模及模套等。
图3 X45NiCrMo4调质+淬火后的金相组织 ×500
3 产品的生产
有效利用以上试验结果，选择适中的淬火、回火加热温度，充足的保温时间，常规产品规格为130mm×120mm×60mm的凹模热处理完工后，检测模具工作部位硬度值为HRC52~54，金相组织为回火马氏体+残余奥氏体，晶粒大小均匀。模具经国内某机械公司试用，早期崩豁现象明显改善，工作寿命较其他常用材料模具大大增长，有助于企业实现降本增效。
4 结论
(1) X45NiCrMo4钢经过780~890℃加热淬火后硬度可达HRC56~60，淬火硬度随加热温度升高而增大，(860±10)℃淬火时出现硬度较高值HRC60。
(2) 试验所得数据在生产130mm×120mm×60mm凹模中进行实践，产品生产满足用户要求,为企业赢得较好的经济效益。
(3) 由于X45NiCrMo4钢经热处理后具有优良的综合性能，解决了模具钢在复杂工矿下所出现的冲击韧性不够、耐磨性欠缺、使用寿命不足等问题，因此上述热处理工艺可在制作同类产品时加以借鉴。
参考文献
[1] GB/T 6394-2002. 金属平均晶粒度测定方法[S]. 北京: 中国标准出版社,2003.
[2] 章守华，吴承建. 钢铁材料学[M]. 北京: 冶金工业出版社,1992: 18-31.
