3Cr3Mo3VNb热锻凸模制造工艺研究

李光磊

济南大学机械工程学院（山东济南 250022）

1 引言

热锻模是一种在高温工作状态下，通过冲击加压，迫使热状态金属产生塑性变形从而形成零件的工具。其工作性质要求热锻模具须具有极高的强度和优良的韧性，以及优良的耐磨性、耐热疲劳性和热稳定性。在热锻自动化生产中，对模具寿命提出了更高的要求。

2 热锻凸模失效分析

某公司热锻的某产品材料选用了超高强度合金钢30CrMnSiNi2A，并要求零件的最终机械强度高（抗拉强度≥1,360MPa），硬度高，同时要求内部金相组织具备很好的一致性和稳定性。现锻造生产所用的3Cr2W8V制造的热锻凸模，要求热处理硬度为48～52HRC，凸模平均使用寿命在100件左右。由于频繁更换凸模，不能满足锻造自动化生产的需要。该热锻凸模，如图1所示。凸模主要失效形式为塑性变形和龟裂，如图2所示。

图1 凸模

图2 失效凸模图

3 3Cr3Mo3VNb（HM3）材料的特点

3Cr3Mo3VNb（HM3）材料成分为：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。材料采用电渣重溶冶炼，该方法可以有效地提高冶炼质量，减少杂质。3Cr3Mo3VNb（HM3）在高温工作状态下，其高温韧性、强度、耐冷热疲劳及热稳定性等综合性能，以及实际应用效果均好于目前国内常用的热作模具钢。为提高凸模使用寿命，选用3Cr3Mo3VNb（HM3）作为凸模的材料，进行工艺试验。

3Cr3Mo3VNb（HM3）与3Cr2W8V模具高温力学性能，如表1所示。

表1 两种热锻模具高温力学性能

从表1可以看出，在600℃下，3Cr3Mo3VNb（HM3）与3Cr2W8V的抗拉强度、屈服强度、伸长率相近，而断面收缩率3Cr3Mo3VNb（HM3）明显优于3Cr2W8V。随着温度的升高，3Cr3Mo3VNb（HM3）与3Cr2W8V的抗拉强度和屈服强度都有所下降，但是3Cr3Mo3VNb（HM3）的抗拉强度、屈服强度明显优于3Cr2W8V，说明3Cr3Mo3VNb（HM3）的热稳定性相比3Cr2W8V更好。

4 凸模制造工艺

为提高凸模的使用寿命，主要从锻造工艺和热处理工艺两个环节进行研究。

4.1 锻造工艺

材料锻造之前应先进行探伤，确保无隐蔽的裂纹、砂眼、杂质等，探伤合格后，才能进行锻造。模具采用两次锻造，首先将材料锻造成方棒料，并经过探伤合格后，进行退火处理。退火温度为860℃±10℃，保温2h，随炉冷却到500℃，出炉空冷。

退火后，按照规定的重量精确下料，然后进行第二次锻造。毛坯采用镦粗、拔长交替进行的方式，交替次数不少于3次，始锻温度1,150℃，控制终锻温度850℃，终锻温度过高易导致锻造后晶粒粗大，总锻造比不小于3，锻造之后缓慢冷却，防止产生白点及马氏体组织。

锻造后，采用860℃±10℃进行退火处理，保温2h，然后降温到710℃±10℃，保温不少于6h，然后随炉冷却到500℃，出炉空冷。锻造后需要立即进行退火处理，退火处理后，进行探伤。退火工艺曲线如图3所示。

图3 退火工艺曲线

4.2 热处理工艺

在该模具热处理工艺中，选择了真空热处理，真空热处理具有无脱碳，无氧化的，表面质量好，热处理性能优异，模具使用寿命长的优点，在模具热处理中广泛应用。

此次淬火热处理采用两次预热的方式进行，首先将炉温升至500℃，保温一定时间后，升温到850℃，保温一定时间后，然后加热到最终温度1,080℃，保温后预冷至800℃采用快速光亮淬火油冷却，出油温度控制在100℃～200℃。

各阶段保温时间按照如下公式确定：

T1=30+（1.5～2）D

T2=30+（1.0～1.5）D

T3=20+（0.25～0.5）D

式中 T1——第一次预热时间，min

T2——第二次预热时间，min

T3——最终保温时间，min

D——工件有效厚度，mm

该热处理工艺中，经过试验验证，第一段预热温度保温时间采用90min，第二段预热温度保温时间采用70min，最终温度保温时间采用35min。

淬火后立即进行回火热处理，进行3次回火。3次回火的温度及保温时间是：第一次回火温度540℃，保温时间2h，空冷；第二次回火温度570℃，保温时间2h，空冷；第三次回火温度570℃，保温时间2h，空冷。热处理工艺曲线如图4、图5所示。

图4 淬火工艺曲线

图5 回火工艺曲线

5 工艺试验

用3Cr3Mo3VNb（HM3）材料制造的热锻凸模，在高温1,100℃，压力500T冷热交替环境下，进行某产品的热锻生产，使用寿命为450件，凸模头部外部龟裂，影响毛坯质量。同样环境下，3Cr2W8V制造的热锻凸模使用寿命为101件，101件后凸模出现了上述同样的失效形式，对比表如表2所示。

表2 两种材料的凸模使用寿命对比

6 结论

用3Cr3Mo3VNb（HM3）制造的凸模比3Cr2W8V制造的凸模使用寿命提高了3.4倍，降低了锻件的生产成本。