B2模具材料在螺傘齒輪鍛模的研究與應(yīng)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(yīng)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(zhì)量、性能和使用壽命的關(guān)鍵因素，目前國內(nèi)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(yīng)鍛造行業(yè)發(fā)展應(yīng)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(yè)逐漸認識到產(chǎn)品質(zhì)量、成本和新產(chǎn)品開發(fā)能力的重要性，對鍛造企業(yè)來說，模具的制造成本及使用壽命是衡量企業(yè)產(chǎn)品市場競爭力的核心，在很大程度上決定了企業(yè)的生存空間。

模具材料的對比

目前國內(nèi)使用的熱鍛模材料一般為5CrMnMo、5CrNiMo和H13等。我公司根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(xiàn)在各種失效狀態(tài)上。

螺傘齒輪由J53-1000摩擦壓力機生產(chǎn)，主動模具采用的是閉式模具，生產(chǎn)工藝采用先制坯后壓力鍛造成形的方式，失效狀態(tài)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(fā)現(xiàn)，距表面5mm以內(nèi)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(shù)要求規(guī)定的數(shù)值42～44HRC，存在淬硬層薄、淬透性偏低的現(xiàn)象。分析模具材料的淬火組織發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(zhuǎn)變成馬氏體，沒有轉(zhuǎn)變的奧氏體在回火時轉(zhuǎn)變成上貝氏體。模具硬度偏低、淬硬層薄是導(dǎo)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(jù)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(jù)此，開發(fā)應(yīng)用了B2（4Cr2MoVNi）熱鍛模具材料，該材料具有以下優(yōu)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(xué)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(yù)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(xù)進行馬氏體轉(zhuǎn)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(tǒng)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(jīng)過兩次修復(fù)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(chǎn)的模具與B2材料生產(chǎn)的模具對比情況如圖2所示。

表1 B2模具材料化學(xué)成分 （單位：%）

圖1 模具淬火曲線圖

圖2 模具材料對比

結(jié)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(chǎn)生的沉淀強化，依靠基本的晶細結(jié)構(gòu)（如錯位）的穩(wěn)定性，提高基本的回復(fù)與再結(jié)晶抗力。與傳統(tǒng)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%。