3Cr3Mo3VNb熱鍛凸模制造工藝研究

李光磊

濟南大學機械工程學院（山東濟南 250022）

1 引言

熱鍛模是一種在高溫工作狀態下，通過沖擊加壓，迫使熱狀態金屬產生塑性變形從而形成零件的工具。其工作性質要求熱鍛模具須具有極高的強度和優良的韌性，以及優良的耐磨性、耐熱疲勞性和熱穩定性。在熱鍛自動化生產中，對模具壽命提出了更高的要求。

2 熱鍛凸模失效分析

某公司熱鍛的某產品材料選用了超高強度合金鋼30CrMnSiNi2A，并要求零件的最終機械強度高（抗拉強度≥1,360MPa），硬度高，同時要求內部金相組織具備很好的一致性和穩定性。現鍛造生產所用的3Cr2W8V制造的熱鍛凸模，要求熱處理硬度為48～52HRC，凸模平均使用壽命在100件左右。由于頻繁更換凸模，不能滿足鍛造自動化生產的需要。該熱鍛凸模，如圖1所示。凸模主要失效形式為塑性變形和龜裂，如圖2所示。

圖1 凸模

圖2 失效凸模圖

3 3Cr3Mo3VNb（HM3）材料的特點

3Cr3Mo3VNb（HM3）材料成分為：C 0.22～0.32，Cr 2.6～3.2，Mo 2.70～3.2，V 0.6～0.8，Nb 0.08～0.15，Si≤0.6，Mn≤0.35，P≤0.03，S≤0.03。材料采用電渣重溶冶煉，該方法可以有效地提高冶煉質量，減少雜質。3Cr3Mo3VNb（HM3）在高溫工作狀態下，其高溫韌性、強度、耐冷熱疲勞及熱穩定性等綜合性能，以及實際應用效果均好于目前國內常用的熱作模具鋼。為提高凸模使用壽命，選用3Cr3Mo3VNb（HM3）作為凸模的材料，進行工藝試驗。

3Cr3Mo3VNb（HM3）與3Cr2W8V模具高溫力學性能，如表1所示。

表1 兩種熱鍛模具高溫力學性能

從表1可以看出，在600℃下，3Cr3Mo3VNb（HM3）與3Cr2W8V的抗拉強度、屈服強度、伸長率相近，而斷面收縮率3Cr3Mo3VNb（HM3）明顯優于3Cr2W8V。隨著溫度的升高，3Cr3Mo3VNb（HM3）與3Cr2W8V的抗拉強度和屈服強度都有所下降，但是3Cr3Mo3VNb（HM3）的抗拉強度、屈服強度明顯優于3Cr2W8V，說明3Cr3Mo3VNb（HM3）的熱穩定性相比3Cr2W8V更好。

4 凸模制造工藝

為提高凸模的使用壽命，主要從鍛造工藝和熱處理工藝兩個環節進行研究。

4.1 鍛造工藝

材料鍛造之前應先進行探傷，確保無隱蔽的裂紋、砂眼、雜質等，探傷合格后，才能進行鍛造。模具采用兩次鍛造，首先將材料鍛造成方棒料，并經過探傷合格后，進行退火處理。退火溫度為860℃±10℃，保溫2h，隨爐冷卻到500℃，出爐空冷。

退火后，按照規定的重量精確下料，然后進行第二次鍛造。毛坯采用鐓粗、拔長交替進行的方式，交替次數不少于3次，始鍛溫度1,150℃，控制終鍛溫度850℃，終鍛溫度過高易導致鍛造后晶粒粗大，總鍛造比不小于3，鍛造之后緩慢冷卻，防止產生白點及馬氏體組織。

鍛造后，采用860℃±10℃進行退火處理，保溫2h，然后降溫到710℃±10℃，保溫不少于6h，然后隨爐冷卻到500℃，出爐空冷。鍛造后需要立即進行退火處理，退火處理后，進行探傷。退火工藝曲線如圖3所示。

圖3 退火工藝曲線

4.2 熱處理工藝

在該模具熱處理工藝中，選擇了真空熱處理，真空熱處理具有無脫碳，無氧化的，表面質量好，熱處理性能優異，模具使用壽命長的優點，在模具熱處理中廣泛應用。

此次淬火熱處理采用兩次預熱的方式進行，首先將爐溫升至500℃，保溫一定時間后，升溫到850℃，保溫一定時間后，然后加熱到最終溫度1,080℃，保溫后預冷至800℃采用快速光亮淬火油冷卻，出油溫度控制在100℃～200℃。

各階段保溫時間按照如下公式確定：

T1=30+（1.5～2）D

T2=30+（1.0～1.5）D

T3=20+（0.25～0.5）D

式中 T1——第一次預熱時間，min

T2——第二次預熱時間，min

T3——最終保溫時間，min

D——工件有效厚度，mm

該熱處理工藝中，經過試驗驗證，第一段預熱溫度保溫時間采用90min，第二段預熱溫度保溫時間采用70min，最終溫度保溫時間采用35min。

淬火后立即進行回火熱處理，進行3次回火。3次回火的溫度及保溫時間是：第一次回火溫度540℃，保溫時間2h，空冷；第二次回火溫度570℃，保溫時間2h，空冷；第三次回火溫度570℃，保溫時間2h，空冷。熱處理工藝曲線如圖4、圖5所示。

圖4 淬火工藝曲線

圖5 回火工藝曲線

5 工藝試驗

用3Cr3Mo3VNb（HM3）材料制造的熱鍛凸模，在高溫1,100℃，壓力500T冷熱交替環境下，進行某產品的熱鍛生產，使用壽命為450件，凸模頭部外部龜裂，影響毛坯質量。同樣環境下，3Cr2W8V制造的熱鍛凸模使用壽命為101件，101件后凸模出現了上述同樣的失效形式，對比表如表2所示。

表2 兩種材料的凸模使用壽命對比

6 結論

用3Cr3Mo3VNb（HM3）制造的凸模比3Cr2W8V制造的凸模使用壽命提高了3.4倍，降低了鍛件的生產成本。