热作模具钢4Cr3Mo2V 4Cr3Mo2V钢的实验研究

一、    前言
AMP50-XL高速热模锻机是目前世界上生产效率高的热模锻设备之一。它主要适用于大量生产齿轮轴承环锻坯。这种设备的主要优点是生产率高，锻坯加工余量小，精度高，节省材料和能源。它是金属塑性加工的发展方向之一。在高速热模锻生产线稳定生产的条件下，模具寿命是高效高质量生产的关键。国外这种类型设备用模具材料一般是AISI H11、H12、H13和X32CrMoCoV333钢等。国内汽车和轴承行业引进的高速热模锻设备除用 进口的X3 2CrMoCoV333钢模具外，也使用 H11 、H13钢等制作模具，但其使用寿命 明显低于进口模具使用寿命。用国产的4Cr3Mo2V钢( 仿QR080钢 )制作的热锻模，在AMP50 XL高速热模锻设备上试验应用，结果表明，在相同工作条件下4Cr3Mo2v钢模具的使用寿命略优于X32CrMoCoV333钢模具的使用寿命，明显优于H11钢模具的使用寿命。
二、4Cr3Mo2V钢简介
4Cr3Mo2钢是我国早使用进口钢材的基础上研制开发的，比3Cr2W8V钢更适合于制作铜合金挤压模。
4Cr3Mo2V钢的化学元素组成及含量如下表所示：



三、试验研究
1 ．高速热模锻工作条件

( 1 )始锻温度：中频感应加热到1200～1250C；
( 2 )模锻生产率：每分钟模60～70件锻坯； 
( 3 )锻坯与模腔接触时间：每模锻一次，每工位需时间0.1 s； 
( 4 )模具冷却：锻坯出模时立，即自动喷水冷却摸具。 
2 ．模具材料
根据高速热模锻时的工作条件，选用了X32CrMoCoV333钢、ES R  H13钢和4Cr3MO2 V钢，在实验室条件下，进行了抗回火，抗长时间高温软化和耐热疲劳性能的比 较 这些热作模具钢成分见表2：
 (1 ) 回火性能4Cr3Mo2V钢、ES RH13钢和X32CrMoCoV33钢的奥氏体温度均定为1050~±l10℃，油淬。在同一炉内经不同温度回火，每次回火两小时，回火冷却后在同一硬度计上测定试样硬度，结果见表3。从表3可知，在600℃以上回火，4Cr3Mo2V、钢的抗回火能力与X32CrM oCoV333钢的相近，均优于ES RH13钢。
( 2 )在600℃保温100小时硬度值的变化将上述三种热作模具钢试样放入温度为600℃的同一炉内每隔一定时间将试样取出冷却后测定其硬度，在600℃总的保温时间为100小时，其硬度值的变化结果见表 4。
 

( 3 ) 缺口端部的耐热疲劳性能将试样线切割成30度V形缺口 缺口顶点处半径为0.075mm，将试样表面抛光后，由室温放入750℃±10℃的盐浴中保温一分钟，然后取出水冷到室温，再加热和水冷，如此反复10次，其结果见表 5。由表5可以看出，在试样有缺口的条件下。4Cr3Mo2V钢缺口部位的耐热疲劳性能和X32CrMoCoV333钢的相近，比ES RH13 钢的要好。这说明4CrMo2V钢模具更适应于模锻过程中不断水冷的工作条件。  
四、模具试验结果及分析
一般热锻模的失效形式是模腔在高温和力的作用下，模腔轮廓几何形状变化或局部坍塌因模腔表面，特别是模腔过渡外圆角部位受镪坯金属剧烈流动而造成严重磨损以及模腔在模锻时温度急剧变化而形 成热疲劳裂纹等等。对用上述三种材料制作的工位凹模的使用情况进行了对比，其对比情况列于表6。


4 Cr3Mo2V钢制凹模经模锻35000件锻坯后，经对模具检查，模腔轮廓清楚，几何形状没有变化，模腔表面质量基本良好，模腔外圆角虽有磨损，但锻坯质量仍符合技术要求。实践初步表明，4Cr3 Mo2V钢四模使用寿命明显优于H11钢凹模使用寿命，也略优于进口的    X32Cr MoCo V333钢四模。根据试验结果和AMP50一XL设备的工作条件，对模具只要求在模腔坍塌和严重热磨损以前不发生严重热疲劳裂纹。当然，凹模要有足够的韧性，以防止四模整体开裂。这样，对模具材料的选择，热处理工艺的制定。主要是保证模具要有足够的韧性，良好的高温强度和耐热磨损性能。国产4Cr3Mo2V钢则能满足上述要求，适合于制作用于AMP50一XL高速热模锻机的模具，可以替代用X3CrMoCoV333钢制作的进口模具。
 五、初步结论
目前国外普遍采用的热作模具钢所含主要合金元素，是Cr、Mo、W和V等，有的适当调整了Mn和Si含量，也有的加入微量元素B等。上述钢均为马氏体热作模具钢 。从摩擦学观点看，在马氏体基体上分布着硬的合金碳化物对耐粘着磨损磨粒磨损都是有益的。试验早已表明 V、Mo、W的碳化物比Cr的碳化物具有更高的硬度，更好的耐磨损和耐高温性 能。4Cr3Mo2V钢成分设计的出发点就是降低Cr含量，比H11钢和H13钢的含Cr量少2％左右,其Mo和V含量比H11钢和H13钢的有所增 加，使钢中的C和V、Mo更多地形成VC和Mo2C，而又保证钢对含Cr量的基本需要。此外，4Cr3 Mo2V钢中的Mn，比H11钢和H13钢略有增加。实践表明，这种设计出发点是正确的，并取得了良好的应用结果。在Al 和Cu合金挤压模应用上也早已取得成功。在有些工具钢中含有一定百分比的Co，提高了工具的红硬性从而具有很好的耐热磨损性能，但是X32CrMoCoV333钢中含2 .8～2 .9％Co，在实验室 研究和在 AMP 5 0 一ZL热模锻机应用时，和4Cr3Mo2V钢制模具相比，则显示不出含2 .8 ～2.9％Co的优越性，而Co是非常昂贵的合金元素。
根据实验室工作和在AMP50一xL高速模锻机生产应用可以得出以下初步结论：
( 1 )4Cr3Mo2V钢模具寿命明显地高于H11钢的模具寿命。同时，4Cr3Mo2V钢的价格和 H11钢相近或略高一点。从总体上看，采用4Cr3Mo2V在技术上是先进的，经济上是合算的。
( 2 )4Cr3Mo2V钢模具寿命略优于x32CrMoCoV333钢模具寿命可以认为采用4Cr3Mo2V钢制作模具取代含昂贵合金元素Co的进口X32CrMoCoV333钢模具是必要的 。 
参考文献
[1 ]冶金部“合金钢手册第三册冶金工业出版1983年
[2] UDDEHOLM  QR0S0M  Microdiged  Alloy  Digest  Dec e mbe r  1987 
[3]中国科学院金属研究所王葱< < 4 Cr3Mo2V热作模具铜的研究>> 
[4]中国科学院金属研究所姜晓霞 张桂苓 《4Cr3Mo2V热作模具钢组织结构分析)》 
[5]玉门石油管理局机械厂唐谐 姚敏 《4Cr3Mo2V热作模具钢的使用报告》
[6]技术鉴定证书石油工业部( 8 6)油科鉴字46号
[7]转自聂秀广
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