B2模具材料在螺傘齒輪鍛模的研究與應用

文／賈雨，葛希佩，崔軍峰·山東溫嶺精鍛科技有限公司

B2模具材料在螺傘齒輪鍛模的研究與應用

文／賈雨，葛希佩，崔軍峰·山東溫嶺精鍛科技有限公司

模具材料是影響模具質量、性能和使用壽命的關鍵因素，目前國內使用的熱鍛模材料有5CrMnMo、5CrNiMo和H13等，因硬度偏低，模具使用壽命一般為1200～1500件，為適應鍛造行業發展應不斷提高模具壽命，因此必須對模具材料進行合理選擇。

隨著市場競爭的日益加劇，企業逐漸認識到產品質量、成本和新產品開發能力的重要性，對鍛造企業來說，模具的制造成本及使用壽命是衡量企業產品市場競爭力的核心，在很大程度上決定了企業的生存空間。

模具材料的對比

目前國內使用的熱鍛模材料一般為5CrMnMo、5CrNiMo和H13等。我公司根據現有產品結構選用5CrNiMo材料來制作模具，該材料在正常工作溫度下能保持較高的強度及良好的抗沖擊韌性、抗熱燒蝕性和抗氧化性，以及較好的淬透性和良好的導熱性，在制作螺傘齒輪從動模具上具有較好的使用效果。但是在主動模具使用上效果一般，主要表現在各種失效狀態上。

螺傘齒輪由J53-1000摩擦壓力機生產，主動模具采用的是閉式模具，生產工藝采用先制坯后壓力鍛造成形的方式，失效狀態主要有型腔棱邊磨損、型腔塌陷和冷熱疲勞裂紋。失效的原因主要是模具表面硬度較低，一般在40HRC。剖開后測量心部硬度發現，距表面5mm以內的硬度為38～39HRC，距表面10mm以外硬度為35～36HRC，距表面20mm以外硬度為33HRC。由此可見，模具的硬度沒有達到技術要求規定的數值42～44HRC，存在淬硬層薄、淬透性偏低的現象。分析模具材料的淬火組織發現，模具表面為回火馬氏體，心部為回火馬氏體+上貝氏體，在距離表面20mm外出現貝氏體組織，證實模具在淬火時，僅表面一層獲得了馬氏體組織，其他部分在淬火時僅部分奧氏體轉變成馬氏體，沒有轉變的奧氏體在回火時轉變成上貝氏體。模具硬度偏低、淬硬層薄是導致模具型腔塌陷變形、冷熱疲勞裂紋的主要原因，也使得模具壽命一般局限在1200～1500件。

根據以上分析，要想提高模具壽命，模具必須從以下兩個方面進行提升：⑴提高表面硬度（特別是紅硬性），從而提高模具型腔的耐磨性；⑵提高模具淬透性，增加模具表面和心部硬度，從而提高模具型腔抗塌陷能力和冷熱疲勞裂紋。據此，開發應用了B2（4Cr2MoVNi）熱鍛模具材料，該材料具有以下優點：⑴良好淬透性，即使模具截面積大，也可獲得表面、心部均勻的硬度分布；⑵機械性能基本各向同性；⑶高的熱強性能、耐熱疲勞性能和熱韌性；⑷抗高溫軟化性能好，易于進行修補翻新。B2模具材料化學成分見表1。

B2模具材料采用油冷淬火工藝，將模具放置熱處理爐中于650℃預熱4h，然后升溫至920℃保溫6h，出爐稍置后淬入油中，在油池中均勻晃動使模具充分冷卻，待表面溫度降至200℃時取出（心部溫度約400℃）。此時若裝入溫度較低的回火爐中，其心部繼續進行馬氏體轉化容易造成淬火裂紋，若裝入溫度較高的回火爐中，模具心部硬度和韌性性能變差。所以第一次回火時溫度控制在280℃并保溫4h，然后560℃回火兩次，該工藝下模具表面硬度45～48HRC，心部硬度45～47HRC，淬硬層均勻，模具的強韌性，熱疲勞性，耐磨性更好，大大提高模具使用壽命，模具淬火曲線圖如圖1所示。

統計表明，該工藝下B2材料模具的壽命為3500～5000件，較原5CrNiMo模具的使用壽命提高了3倍。B2模具的抗耐磨性，型腔變形和冷熱疲勞裂紋明顯提高，并且經過兩次修復后的B2模具在使用中仍然保持較好的紅硬性和耐磨性，型腔抗變形能力大大提高。采用5CrNiMo材料生產的模具與B2材料生產的模具對比情況如圖2所示。

表1 B2模具材料化學成分 （單位：%）

圖1 模具淬火曲線圖

圖2 模具材料對比

結束語

B2新型熱作模具鋼之所以具備高的熱強性能、耐熱疲勞性能和熱韌性能，是由于B2鋼在高溫回火時析出細小的碳化物（Cr7C3、MoC和V4C3）而產生的沉淀強化，依靠基本的晶細結構（如錯位）的穩定性，提高基本的回復與再結晶抗力。與傳統模具材料相比，B2新型熱作模具鋼錘鍛模壽命一般提高30%～50%，機鍛模壽命一般提高50%～100%。