文/熊國(guó)鋒·重慶迪陽(yáng)機(jī)械制造有限公司，貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司周剛·重慶迪陽(yáng)機(jī)械制造有限公司

鄭勁松·貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司

齒輪凸爪類鍛件模具的選材
——談3Cr3Mo3VNb鋼在齒爪件模具上的應(yīng)用

文/熊國(guó)鋒·重慶迪陽(yáng)機(jī)械制造有限公司，貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司周剛·重慶迪陽(yáng)機(jī)械制造有限公司

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我們知道，從某種方面或意義上來(lái)講，模鍛技術(shù)可以說(shuō)就是模具的技術(shù)。從模具的設(shè)計(jì)、選材、熱處理和應(yīng)用方面，都起著決定模具壽命和鍛件產(chǎn)品質(zhì)量的作用，同時(shí)也影響著鍛件生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率。所以，追求鍛造模具壽命的不斷提高，是每一個(gè)企業(yè)和鍛造工作者永恒的主題。

齒輪凸爪件模具工作狀態(tài)與正常失效

齒輪凸爪精鍛件特點(diǎn)

齒爪類鍛件產(chǎn)品與其他普通模鍛件產(chǎn)品相比較，有著獨(dú)特的形態(tài)特點(diǎn)和要求。它們是人們追求少無(wú)切削的精鍛產(chǎn)品，其尺寸比通常鍛件要求更精準(zhǔn)，表面粗糙度要求更高，鍛件上的每一個(gè)齒或爪頂端都要求100％的充滿成形到位，容不得一點(diǎn)點(diǎn)缺陷。而其根部形狀尺寸也要與技術(shù)要求一致，凡是因模具部分或個(gè)別塌陷變形而使齒爪件某部位高出，輕者會(huì)加大機(jī)加成本，重者會(huì)造成報(bào)廢。同樣如果齒爪模具型腔表面粗糙度降低，模具也需及時(shí)返修。

齒輪凸爪精鍛件模具工作狀態(tài)與失效

鍛件在熱模鍛生產(chǎn)過(guò)程中，高溫金屬在模具型腔內(nèi)受強(qiáng)大壓力而塑性變形，固態(tài)金屬發(fā)生劇烈變形流動(dòng)時(shí)對(duì)模具型腔打壓、沖擊和摩擦，使模具不僅遭受到巨大的正面沖擊力，同時(shí)還伴有剪切力或擴(kuò)張力。此時(shí)，鍛件本身的高溫?zé)崃亢鸵蜃冃萎a(chǎn)生的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成的熱量使型腔表面快速升溫，特別是模具型腔突出部位首當(dāng)其沖，當(dāng)尖齒、尖角（或小R圓角）部位深入到紅熱鍛件內(nèi)部之中，由于它們本身體積質(zhì)量很小，所以在被紅熱鍛件夾裹之時(shí)，溫度上升得更快更高。當(dāng)上升到超過(guò)該模具材料的回火溫度時(shí)，其硬度也隨之降低，最后導(dǎo)致模具型腔中突出部位首先軟化變形或塌陷，最終模具本次壽命終止而需要進(jìn)行返修。

另一方面，模具在鍛壓生產(chǎn)過(guò)程中，在被升溫之后又被冷卻液或脫模劑迅速冷卻，在高頻率的反復(fù)加熱和冷卻工作狀態(tài)下，當(dāng)鍛件生產(chǎn)到一定的數(shù)量時(shí)，模具型腔會(huì)因冷熱疲勞出現(xiàn)不同程度的裂紋，甚至是開(kāi)裂，這類情況的出現(xiàn)也宣告模具壽命即將終結(jié)或已經(jīng)終結(jié)。

齒輪凸爪精鍛件模具鋼選材要點(diǎn)

鍛壓模具特別是齒輪凸爪類模具，其模具材質(zhì)既要有好的紅硬性，同時(shí)又要具有良好的抗冷熱疲勞性能。也就是說(shuō)，要求模具在高溫工作狀態(tài)下，型腔突出部位，不容易軟化塌陷變形，即模具材料要求抗回火能力強(qiáng)，模具在長(zhǎng)時(shí)間高溫工作狀態(tài)下能保持足夠的紅硬性，以滿足齒輪凸爪件變形到位的技術(shù)要求。并且模具的尖角尖齒部位不崩裂、不掉塊，整個(gè)型面抗冷熱疲勞耐龜裂能持久，模具有盡可能長(zhǎng)的使用壽命。

鍛造專業(yè)人士都清楚，H13的沖擊韌性雖好，但高溫強(qiáng)度差，紅硬性差，型腔突出部分易軟化塌陷變形。而3Cr2W 8V紅硬性很好，但耐冷熱疲勞性能差，模具容易產(chǎn)生冷熱疲勞裂紋和龜裂而過(guò)早失效。因此，H13和3Cr2W 8V都不是齒輪凸爪件最理想的熱模具鋼材料。所以鍛壓專業(yè)人士都在尋求一種同時(shí)具有高的紅硬性，又具有冷熱疲勞性能好的熱模具鋼種，以滿足少無(wú)切削精鍛齒輪凸爪鍛件生產(chǎn)的要求。

熱作模具鋼3Cr3Mo3VNb

獲原航空工業(yè)部科技成果一等獎(jiǎng)并且被納入航標(biāo)的熱作模具鋼3Cr3Mo3VNb，被我國(guó)模具材料專家列為高耐熱、高耐磨鋼種。3Cr3Mo3VNb鋼首先在航空發(fā)動(dòng)機(jī)模鍛件鍛造過(guò)程中顯示了其優(yōu)勢(shì)，在鍛打飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的鈦合金、鎳基合金和高溫合金模鍛件這一類高溫抗變形力大的材料時(shí)，其模具使用壽命是5CrNiMo的5～10倍，是4Cr5W 2VSi（相當(dāng)于H13）的2倍，在沖壓軸承環(huán)時(shí)其壽命曾達(dá)3Cr2W 8V的6倍以上。3Cr3Mo3VNb鋼在以后的民品鍛件生產(chǎn)推廣使用中，在全國(guó)許許多多不同鍛造領(lǐng)域里和鍛造廠家中都取得了好的應(yīng)用效果。

我們可以在下面的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)中和眾多的生產(chǎn)應(yīng)用廠家的生產(chǎn)實(shí)踐中得出結(jié)論，3Cr3Mo3VNb鋼無(wú)疑是齒爪類模具制作的理想材料。

3Cr3Mo3VNb與H13等三種鋼高溫力學(xué)性能對(duì)比

表1對(duì)幾種熱作模具鋼高溫力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比，從中可以看出，在熱作模具型腔工作溫度下，3Cr3Mo3VNb的高溫力學(xué)性能最好。在600℃時(shí)，H13的強(qiáng)度就已經(jīng)明顯不如3Cr3Mo3VNb；到了700℃時(shí)，3Cr3Mo3VNb鋼的σb和σs分別是H13的2.5倍和2.8倍，如此巨大的差距，足以說(shuō)明3Cr3Mo3VNb鋼的使用壽命能夠遠(yuǎn)高于H13的一個(gè)內(nèi)在原因。同樣在650℃和700℃時(shí)，3Cr2W 8V的高溫力學(xué)性能也明顯不如3Cr3Mo3VNb鋼。

表2是3Cr3Mo3VNb與H13鋼的熱穩(wěn)定性的比較，從中可以看出在620℃狀態(tài)下，以44HRC為標(biāo)準(zhǔn)，H13鋼保持不了2h，而3Cr3Mo3VNb鋼可以保持4h；當(dāng)溫度在640℃時(shí)，以40HRC為標(biāo)準(zhǔn)，H13也只能堅(jiān)持2h，而3Cr3Mo3VNb鋼仍可堅(jiān)持2倍于H13鋼的時(shí)間，即4h。所以，3Cr3Mo3VNb鋼制模具在高溫工作狀態(tài)下不易軟化脹大和變形，較H13更經(jīng)久耐用。

表1幾種熱作模具鋼高溫力學(xué)性能

表2H13與3Cr3Mo3VNb鋼熱穩(wěn)定性

3Cr3Mo3VNb鋼與5CrNiMo、4Cr5W2VSi沖擊韌性的對(duì)比

對(duì)于鍛模來(lái)說(shuō)，沖擊韌性是一個(gè)很重要的指標(biāo)。到目前為止，我們還沒(méi)有找到H13和3Cr3Mo3VNb鋼沖擊韌性的直接對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。但北京航空材料研究院曾對(duì)4Cr5W 2VSi、5CrNiMo和3Cr3Mo3VNb鋼的沖擊韌性作過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3（三種試驗(yàn)材料的硬度均接近50HRC）。由于4Cr5W 2VSi與4Cr5MoSiV1除W、Mo不同外,其余所含元素的品種及數(shù)量均完全一致，而W與Mo在熱作模具鋼中的作用又相同，所以這兩種鋼在其余各種性能與實(shí)際應(yīng)用效果上也無(wú)大的差異。

表3幾種熱模鋼沖擊韌性      （單位：J·cm-2）

由表3可見(jiàn)，三種材料的室溫沖擊韌性都很低，但在實(shí)際工作溫度下（烤模預(yù)熱溫度200～300℃），3Cr3Mo3VNb鋼的沖擊韌性顯著提高，比4Cr5W 2VSi高出1倍，比5CrNiMo鋼高約2倍。所以預(yù)熱到位的3Cr3Mo3VNb鋼制模具在使用時(shí)很少出現(xiàn)早期開(kāi)裂現(xiàn)象。

3Cr3Mo3VNb鋼與4Cr5W2VSi鋼、5CrNiMo鋼冷熱疲勞性能的比較

用厚度2mm、開(kāi)有60°槽口的板狀試樣，加熱到650℃后，取出，再投入到20℃水中，就這樣反復(fù)加熱冷卻，經(jīng)1000次循環(huán)后測(cè)定槽口尖端產(chǎn)生裂紋的長(zhǎng)度進(jìn)行比較。本試驗(yàn)是北京航空材料研究院所做，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4三種材料的冷熱疲勞

結(jié)果表明，3Cr3Mo3VNb鋼的冷熱疲勞性能最好。以縱向試樣為例，在相同條件下，4Cr5W 2VSi鋼裂紋長(zhǎng)度是3Cr3Mo3VNb鋼的1.5倍，5CrNiMo鋼的裂紋長(zhǎng)度則是3Cr3Mo3VNb鋼的11倍。從裂紋的形式觀察，3Cr3Mo3VNb鋼和4Cr5W 2VSi鋼多為一條直裂紋，而5CrNiMo鋼卻為多條裂紋。從上

述一系列比較結(jié)果可以得出：3Cr3Mo3VNb鋼有較高的熱強(qiáng)性，在工作溫度下，其硬度、強(qiáng)度保持得很好，并且同時(shí)具有良好的耐冷熱疲勞性能。也正因?yàn)槿绱?，在眾多的鍛壓廠家用其取代H13和3Cr2W8V鋼制作熱鍛壓模具，取得良好的性價(jià)比，為企業(yè)降低模具成本費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了作用。3C

r3Mo3VNb鋼制作齒輪凸爪件模具應(yīng)用實(shí)例重慶

秋田齒輪公司，擁有二十多條生產(chǎn)線，每天凸爪齒坯件產(chǎn)量在20萬(wàn)件左右，每月消耗模具2000～3000件，模塊尺寸規(guī)格二十多種，不同形狀齒輪凸爪件幾十個(gè)品種，出口件品種也不少。自用上3Cr3Mo3VNb鋼以后，模具壽命普遍是原H13的2倍左右，年節(jié)約模具成本200萬(wàn)元左右。浙江臺(tái)州瑞格廠十年如一日，長(zhǎng)期使用3Cr3Mo3VNb鋼制作環(huán)形齒輪模具，該環(huán)形齒輪鍛件共有六十多個(gè)齒，屬出口產(chǎn)品，對(duì)齒坯精鍛件要求非常精準(zhǔn)，3Cr3Mo3VNb鋼制模具應(yīng)用效果讓用戶非常滿意，成為用戶指定的模具材料。另外，洛陽(yáng)齒輪廠、瀘州齒輪廠、揚(yáng)州齒輪廠以及原唐山齒輪廠和南昌齒輪廠采用3Cr3Mo3VNb鋼制齒輪模具都取得好的應(yīng)用效果。

結(jié)束語(yǔ)

采用3Cr3Mo3VNb鋼取代H13、3Cr2W 8V鋼制作的熱鍛模具，特別是齒爪類模具，其壽命可大幅度提高，不僅可以降低模具費(fèi)用成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升鍛件市場(chǎng)竟?fàn)幜?，還可以提高生產(chǎn)效率。3Cr3Mo3VNb熱作模具鋼最終將在我國(guó)熱模材料中占據(jù)重要地位，給更多的企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)越來(lái)越多的效益。

熊國(guó)鋒，高級(jí)工程師，在模具材料領(lǐng)域研究方面，兩次榮獲原航空工業(yè)部科技成果一等獎(jiǎng)。現(xiàn)主要從事模具材料生產(chǎn)應(yīng)用和提高熱鍛模壽命研究，退休前一直在航空工業(yè)部貴州安大航空鍛造廠工作。