齿轮凸爪类锻件模具的选材——谈3Cr3Mo3VNb钢在齿爪件模具上的应用

文/熊国锋·重庆迪阳机械制造有限公司，贵州安大航空锻造有限责任公司周刚·重庆迪阳机械制造有限公司

郑劲松·贵州安大航空锻造有限责任公司

齿轮凸爪类锻件模具的选材
——谈3Cr3Mo3VNb钢在齿爪件模具上的应用

文/熊国锋·重庆迪阳机械制造有限公司，贵州安大航空锻造有限责任公司周刚·重庆迪阳机械制造有限公司

郑劲松·贵州安大航空锻造有限责任公司

我们知道，从某种方面或意义上来讲，模锻技术可以说就是模具的技术。从模具的设计、选材、热处理和应用方面，都起着决定模具寿命和锻件产品质量的作用，同时也影响着锻件生产成本和生产效率。所以，追求锻造模具寿命的不断提高，是每一个企业和锻造工作者永恒的主题。

齿轮凸爪件模具工作状态与正常失效

齿轮凸爪精锻件特点

齿爪类锻件产品与其他普通模锻件产品相比较，有着独特的形态特点和要求。它们是人们追求少无切削的精锻产品，其尺寸比通常锻件要求更精准，表面粗糙度要求更高，锻件上的每一个齿或爪顶端都要求100％的充满成形到位，容不得一点点缺陷。而其根部形状尺寸也要与技术要求一致，凡是因模具部分或个别塌陷变形而使齿爪件某部位高出，轻者会加大机加成本，重者会造成报废。同样如果齿爪模具型腔表面粗糙度降低，模具也需及时返修。

齿轮凸爪精锻件模具工作状态与失效

锻件在热模锻生产过程中，高温金属在模具型腔内受强大压力而塑性变形，固态金属发生剧烈变形流动时对模具型腔打压、冲击和摩擦，使模具不仅遭受到巨大的正面冲击力，同时还伴有剪切力或扩张力。此时，锻件本身的高温热量和因变形产生的内能转化成的热量使型腔表面快速升温，特别是模具型腔突出部位首当其冲，当尖齿、尖角（或小R圆角）部位深入到红热锻件内部之中，由于它们本身体积质量很小，所以在被红热锻件夹裹之时，温度上升得更快更高。当上升到超过该模具材料的回火温度时，其硬度也随之降低，最后导致模具型腔中突出部位首先软化变形或塌陷，最终模具本次寿命终止而需要进行返修。

另一方面，模具在锻压生产过程中，在被升温之后又被冷却液或脱模剂迅速冷却，在高频率的反复加热和冷却工作状态下，当锻件生产到一定的数量时，模具型腔会因冷热疲劳出现不同程度的裂纹，甚至是开裂，这类情况的出现也宣告模具寿命即将终结或已经终结。

齿轮凸爪精锻件模具钢选材要点

锻压模具特别是齿轮凸爪类模具，其模具材质既要有好的红硬性，同时又要具有良好的抗冷热疲劳性能。也就是说，要求模具在高温工作状态下，型腔突出部位，不容易软化塌陷变形，即模具材料要求抗回火能力强，模具在长时间高温工作状态下能保持足够的红硬性，以满足齿轮凸爪件变形到位的技术要求。并且模具的尖角尖齿部位不崩裂、不掉块，整个型面抗冷热疲劳耐龟裂能持久，模具有尽可能长的使用寿命。

锻造专业人士都清楚，H13的冲击韧性虽好，但高温强度差，红硬性差，型腔突出部分易软化塌陷变形。而3Cr2W 8V红硬性很好，但耐冷热疲劳性能差，模具容易产生冷热疲劳裂纹和龟裂而过早失效。因此，H13和3Cr2W 8V都不是齿轮凸爪件最理想的热模具钢材料。所以锻压专业人士都在寻求一种同时具有高的红硬性，又具有冷热疲劳性能好的热模具钢种，以满足少无切削精锻齿轮凸爪锻件生产的要求。

热作模具钢3Cr3Mo3VNb

获原航空工业部科技成果一等奖并且被纳入航标的热作模具钢3Cr3Mo3VNb，被我国模具材料专家列为高耐热、高耐磨钢种。3Cr3Mo3VNb钢首先在航空发动机模锻件锻造过程中显示了其优势，在锻打飞机发动机中的钛合金、镍基合金和高温合金模锻件这一类高温抗变形力大的材料时，其模具使用寿命是5CrNiMo的5～10倍，是4Cr5W 2VSi（相当于H13）的2倍，在冲压轴承环时其寿命曾达3Cr2W 8V的6倍以上。3Cr3Mo3VNb钢在以后的民品锻件生产推广使用中，在全国许许多多不同锻造领域里和锻造厂家中都取得了好的应用效果。

我们可以在下面的试验对比数据中和众多的生产应用厂家的生产实践中得出结论，3Cr3Mo3VNb钢无疑是齿爪类模具制作的理想材料。

3Cr3Mo3VNb与H13等三种钢高温力学性能对比

表1对几种热作模具钢高温力学性能进行了对比，从中可以看出，在热作模具型腔工作温度下，3Cr3Mo3VNb的高温力学性能最好。在600℃时，H13的强度就已经明显不如3Cr3Mo3VNb；到了700℃时，3Cr3Mo3VNb钢的σb和σs分别是H13的2.5倍和2.8倍，如此巨大的差距，足以说明3Cr3Mo3VNb钢的使用寿命能够远高于H13的一个内在原因。同样在650℃和700℃时，3Cr2W 8V的高温力学性能也明显不如3Cr3Mo3VNb钢。

表2是3Cr3Mo3VNb与H13钢的热稳定性的比较，从中可以看出在620℃状态下，以44HRC为标准，H13钢保持不了2h，而3Cr3Mo3VNb钢可以保持4h；当温度在640℃时，以40HRC为标准，H13也只能坚持2h，而3Cr3Mo3VNb钢仍可坚持2倍于H13钢的时间，即4h。所以，3Cr3Mo3VNb钢制模具在高温工作状态下不易软化胀大和变形，较H13更经久耐用。

表1几种热作模具钢高温力学性能

表2H13与3Cr3Mo3VNb钢热稳定性

3Cr3Mo3VNb钢与5CrNiMo、4Cr5W2VSi冲击韧性的对比

对于锻模来说，冲击韧性是一个很重要的指标。到目前为止，我们还没有找到H13和3Cr3Mo3VNb钢冲击韧性的直接对比试验结果。但北京航空材料研究院曾对4Cr5W 2VSi、5CrNiMo和3Cr3Mo3VNb钢的冲击韧性作过对比试验，数据见表3（三种试验材料的硬度均接近50HRC）。由于4Cr5W 2VSi与4Cr5MoSiV1除W、Mo不同外,其余所含元素的品种及数量均完全一致，而W与Mo在热作模具钢中的作用又相同，所以这两种钢在其余各种性能与实际应用效果上也无大的差异。

表3几种热模钢冲击韧性      （单位：J·cm-2）

由表3可见，三种材料的室温冲击韧性都很低，但在实际工作温度下（烤模预热温度200～300℃），3Cr3Mo3VNb钢的冲击韧性显著提高，比4Cr5W 2VSi高出1倍，比5CrNiMo钢高约2倍。所以预热到位的3Cr3Mo3VNb钢制模具在使用时很少出现早期开裂现象。

3Cr3Mo3VNb钢与4Cr5W2VSi钢、5CrNiMo钢冷热疲劳性能的比较

用厚度2mm、开有60°槽口的板状试样，加热到650℃后，取出，再投入到20℃水中，就这样反复加热冷却，经1000次循环后测定槽口尖端产生裂纹的长度进行比较。本试验是北京航空材料研究院所做，数据见表4。

表4三种材料的冷热疲劳

结果表明，3Cr3Mo3VNb钢的冷热疲劳性能最好。以纵向试样为例，在相同条件下，4Cr5W 2VSi钢裂纹长度是3Cr3Mo3VNb钢的1.5倍，5CrNiMo钢的裂纹长度则是3Cr3Mo3VNb钢的11倍。从裂纹的形式观察，3Cr3Mo3VNb钢和4Cr5W 2VSi钢多为一条直裂纹，而5CrNiMo钢却为多条裂纹。从上

述一系列比较结果可以得出：3Cr3Mo3VNb钢有较高的热强性，在工作温度下，其硬度、强度保持得很好，并且同时具有良好的耐冷热疲劳性能。也正因为如此，在众多的锻压厂家用其取代H13和3Cr2W8V钢制作热锻压模具，取得良好的性价比，为企业降低模具成本费用，提高生产效率和产品质量发挥了作用。3C

r3Mo3VNb钢制作齿轮凸爪件模具应用实例重庆

秋田齿轮公司，拥有二十多条生产线，每天凸爪齿坯件产量在20万件左右，每月消耗模具2000～3000件，模块尺寸规格二十多种，不同形状齿轮凸爪件几十个品种，出口件品种也不少。自用上3Cr3Mo3VNb钢以后，模具寿命普遍是原H13的2倍左右，年节约模具成本200万元左右。浙江台州瑞格厂十年如一日，长期使用3Cr3Mo3VNb钢制作环形齿轮模具，该环形齿轮锻件共有六十多个齿，属出口产品，对齿坯精锻件要求非常精准，3Cr3Mo3VNb钢制模具应用效果让用户非常满意，成为用户指定的模具材料。另外，洛阳齿轮厂、泸州齿轮厂、扬州齿轮厂以及原唐山齿轮厂和南昌齿轮厂采用3Cr3Mo3VNb钢制齿轮模具都取得好的应用效果。

结束语

采用3Cr3Mo3VNb钢取代H13、3Cr2W 8V钢制作的热锻模具，特别是齿爪类模具，其寿命可大幅度提高，不仅可以降低模具费用成本，提高产品质量，提升锻件市场竟争力，还可以提高生产效率。3Cr3Mo3VNb热作模具钢最终将在我国热模材料中占据重要地位，给更多的企业和社会带来越来越多的效益。

熊国锋，高级工程师，在模具材料领域研究方面，两次荣获原航空工业部科技成果一等奖。现主要从事模具材料生产应用和提高热锻模寿命研究，退休前一直在航空工业部贵州安大航空锻造厂工作。