B2模具材料在螺伞齿轮锻模的研究与应用

文／贾雨，葛希佩，崔军峰·山东温岭精锻科技有限公司

B2模具材料在螺伞齿轮锻模的研究与应用

文／贾雨，葛希佩，崔军峰·山东温岭精锻科技有限公司

模具材料是影响模具质量、性能和使用寿命的关键因素，目前国内使用的热锻模材料有5CrMnMo、5CrNiMo和H13等，因硬度偏低，模具使用寿命一般为1200～1500件，为适应锻造行业发展应不断提高模具寿命，因此必须对模具材料进行合理选择。

随着市场竞争的日益加剧，企业逐渐认识到产品质量、成本和新产品开发能力的重要性，对锻造企业来说，模具的制造成本及使用寿命是衡量企业产品市场竞争力的核心，在很大程度上决定了企业的生存空间。

模具材料的对比

目前国内使用的热锻模材料一般为5CrMnMo、5CrNiMo和H13等。我公司根据现有产品结构选用5CrNiMo材料来制作模具，该材料在正常工作温度下能保持较高的强度及良好的抗冲击韧性、抗热烧蚀性和抗氧化性，以及较好的淬透性和良好的导热性，在制作螺伞齿轮从动模具上具有较好的使用效果。但是在主动模具使用上效果一般，主要表现在各种失效状态上。

螺伞齿轮由J53-1000摩擦压力机生产，主动模具采用的是闭式模具，生产工艺采用先制坯后压力锻造成形的方式，失效状态主要有型腔棱边磨损、型腔塌陷和冷热疲劳裂纹。失效的原因主要是模具表面硬度较低，一般在40HRC。剖开后测量心部硬度发现，距表面5mm以内的硬度为38～39HRC，距表面10mm以外硬度为35～36HRC，距表面20mm以外硬度为33HRC。由此可见，模具的硬度没有达到技术要求规定的数值42～44HRC，存在淬硬层薄、淬透性偏低的现象。分析模具材料的淬火组织发现，模具表面为回火马氏体，心部为回火马氏体+上贝氏体，在距离表面20mm外出现贝氏体组织，证实模具在淬火时，仅表面一层获得了马氏体组织，其他部分在淬火时仅部分奥氏体转变成马氏体，没有转变的奥氏体在回火时转变成上贝氏体。模具硬度偏低、淬硬层薄是导致模具型腔塌陷变形、冷热疲劳裂纹的主要原因，也使得模具寿命一般局限在1200～1500件。

根据以上分析，要想提高模具寿命，模具必须从以下两个方面进行提升：⑴提高表面硬度（特别是红硬性），从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，从而提高模具型腔抗塌陷能力和冷热疲劳裂纹。据此，开发应用了B2（4Cr2MoVNi）热锻模具材料，该材料具有以下优点：⑴良好淬透性，即使模具截面积大，也可获得表面、心部均匀的硬度分布；⑵机械性能基本各向同性；⑶高的热强性能、耐热疲劳性能和热韧性；⑷抗高温软化性能好，易于进行修补翻新。B2模具材料化学成分见表1。

B2模具材料采用油冷淬火工艺，将模具放置热处理炉中于650℃预热4h，然后升温至920℃保温6h，出炉稍置后淬入油中，在油池中均匀晃动使模具充分冷却，待表面温度降至200℃时取出（心部温度约400℃）。此时若装入温度较低的回火炉中，其心部继续进行马氏体转化容易造成淬火裂纹，若装入温度较高的回火炉中，模具心部硬度和韧性性能变差。所以第一次回火时温度控制在280℃并保温4h，然后560℃回火两次，该工艺下模具表面硬度45～48HRC，心部硬度45～47HRC，淬硬层均匀，模具的强韧性，热疲劳性，耐磨性更好，大大提高模具使用寿命，模具淬火曲线图如图1所示。

统计表明，该工艺下B2材料模具的寿命为3500～5000件，较原5CrNiMo模具的使用寿命提高了3倍。B2模具的抗耐磨性，型腔变形和冷热疲劳裂纹明显提高，并且经过两次修复后的B2模具在使用中仍然保持较好的红硬性和耐磨性，型腔抗变形能力大大提高。采用5CrNiMo材料生产的模具与B2材料生产的模具对比情况如图2所示。

表1 B2模具材料化学成分 （单位：%）

图1 模具淬火曲线图

图2 模具材料对比

结束语

B2新型热作模具钢之所以具备高的热强性能、耐热疲劳性能和热韧性能，是由于B2钢在高温回火时析出细小的碳化物（Cr7C3、MoC和V4C3）而产生的沉淀强化，依靠基本的晶细结构（如错位）的稳定性，提高基本的回复与再结晶抗力。与传统模具材料相比，B2新型热作模具钢锤锻模寿命一般提高30%～50%，机锻模寿命一般提高50%～100%。