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熱作模具鋼4Cr3Mo2V 4Cr3Mo2V鋼的實驗研究

鋼材牌號及型號規格：熱作模具鋼材

熱作模具鋼材性能用途、密度硬度和化學成分： 試驗研究了用AMP50-XL高速熱模鍛機的4Cr3Mo2V、鋼熱作模具。生產試驗表明，新開發4Cr3Mo2鋼熱鍛模的使用壽命明顯高于H11鋼熱鍛模，也略高于X32CrMoCoV333鋼熱鍛模的使用壽命。

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一、前言
AMP50-XL高速熱模鍛機是目前世界上生產效率高的熱模鍛設備之一。它主要適用于大量生產齒輪軸承環鍛坯。這種設備的主要優點是生產率高，鍛坯加工余量小，精度高，節省材料和能源。它是金屬塑性加工的發展方向之一。在高速熱模鍛生產線穩定生產的條件下，模具壽命是高效高質量生產的關鍵。國外這種類型設備用模具材料一般是AISI H11、H12、H13和X32CrMoCoV333鋼等。國內汽車和軸承行業引進的高速熱模鍛設備除用進口的X3 2CrMoCoV333鋼模具外，也使用 H11 、H13鋼等制作模具，但其使用壽命明顯低于進口模具使用壽命。用國產的4Cr3Mo2V鋼( 仿QR080鋼 )制作的熱鍛模，在AMP50 XL高速熱模鍛設備上試驗應用，結果表明，在相同工作條件下4Cr3Mo2v鋼模具的使用壽命略優于X32CrMoCoV333鋼模具的使用壽命，明顯優于H11鋼模具的使用壽命。
二、4Cr3Mo2V鋼簡介
4Cr3Mo2鋼是我國早使用進口鋼材的基礎上研制開發的，比3Cr2W8V鋼更適合于制作銅合金擠壓模。
4Cr3Mo2V鋼的化學元素組成及含量如下表所示：

三、試驗研究
1 ．高速熱模鍛工作條件

( 1 )始鍛溫度：中頻感應加熱到1200～1250C；
( 2 )模鍛生產率：每分鐘模60～70件鍛坯；
( 3 )鍛坯與模腔接觸時間：每模鍛一次，每工位需時間0.1 s；
( 4 )模具冷卻：鍛坯出模時立，即自動噴水冷卻摸具。
2 ．模具材料
根據高速熱模鍛時的工作條件，選用了X32CrMoCoV333鋼、ES R H13鋼和4Cr3MO2 V鋼，在實驗室條件下，進行了抗回火，抗長時間高溫軟化和耐熱疲勞性能的比較這些熱作模具鋼成分見表2：
(1 ) 回火性能4Cr3Mo2V鋼、ES RH13鋼和X32CrMoCoV33鋼的奧氏體溫度均定為1050~±l10℃，油淬。在同一爐內經不同溫度回火，每次回火兩小時，回火冷卻后在同一硬度計上測定試樣硬度，結果見表3。從表3可知，在600℃以上回火，4Cr3Mo2V、鋼的抗回火能力與X32CrM oCoV333鋼的相近，均優于ES RH13鋼。
( 2 )在600℃保溫100小時硬度值的變化將上述三種熱作模具鋼試樣放入溫度為600℃的同一爐內每隔一定時間將試樣取出冷卻后測定其硬度，在600℃總的保溫時間為100小時，其硬度值的變化結果見表 4。

( 3 ) 缺口端部的耐熱疲勞性能將試樣線切割成30度V形缺口缺口頂點處半徑為0.075mm，將試樣表面拋光后，由室溫放入750℃±10℃的鹽浴中保溫一分鐘，然后取出水冷到室溫，再加熱和水冷，如此反復10次，其結果見表 5。由表5可以看出，在試樣有缺口的條件下。4Cr3Mo2V鋼缺口部位的耐熱疲勞性能和X32CrMoCoV333鋼的相近，比ES RH13 鋼的要好。這說明4CrMo2V鋼模具更適應于模鍛過程中不斷水冷的工作條件。
四、模具試驗結果及分析
一般熱鍛模的失效形式是模腔在高溫和力的作用下，模腔輪廓幾何形狀變化或局部坍塌因模腔表面，特別是模腔過渡外圓角部位受鏹坯金屬劇烈流動而造成嚴重磨損以及模腔在模鍛時溫度急劇變化而形成熱疲勞裂紋等等。對用上述三種材料制作的工位凹模的使用情況進行了對比，其對比情況列于表6。

4 Cr3Mo2V鋼制凹模經模鍛35000件鍛坯后，經對模具檢查，模腔輪廓清楚，幾何形狀沒有變化，模腔表面質量基本良好，模腔外圓角雖有磨損，但鍛坯質量仍符合技術要求。實踐初步表明，4Cr3 Mo2V鋼四模使用壽命明顯優于H11鋼凹模使用壽命，也略優于進口的 X32Cr MoCo V333鋼四模。根據試驗結果和AMP50一XL設備的工作條件，對模具只要求在模腔坍塌和嚴重熱磨損以前不發生嚴重熱疲勞裂紋。當然，凹模要有足夠的韌性，以防止四模整體開裂。這樣，對模具材料的選擇，熱處理工藝的制定。主要是保證模具要有足夠的韌性，良好的高溫強度和耐熱磨損性能。國產4Cr3Mo2V鋼則能滿足上述要求，適合于制作用于AMP50一XL高速熱模鍛機的模具，可以替代用X3CrMoCoV333鋼制作的進口模具。
五、初步結論
目前國外普遍采用的熱作模具鋼所含主要合金元素，是Cr、Mo、W和V等，有的適當調整了Mn和Si含量，也有的加入微量元素B等。上述鋼均為馬氏體熱作模具鋼。從摩擦學觀點看，在馬氏體基體上分布著硬的合金碳化物對耐粘著磨損磨粒磨損都是有益的。試驗早已表明 V、Mo、W的碳化物比Cr的碳化物具有更高的硬度，更好的耐磨損和耐高溫性能。4Cr3Mo2V鋼成分設計的出發點就是降低Cr含量，比H11鋼和H13鋼的含Cr量少2％左右,其Mo和V含量比H11鋼和H13鋼的有所增加，使鋼中的C和V、Mo更多地形成VC和Mo2C，而又保證鋼對含Cr量的基本需要。此外，4Cr3 Mo2V鋼中的Mn，比H11鋼和H13鋼略有增加。實踐表明，這種設計出發點是正確的，并取得了良好的應用結果。在Al 和Cu合金擠壓模應用上也早已取得成功。在有些工具鋼中含有一定百分比的Co，提高了工具的紅硬性從而具有很好的耐熱磨損性能，但是X32CrMoCoV333鋼中含2 .8～2 .9％Co，在實驗室研究和在 AMP 5 0 一ZL熱模鍛機應用時，和4Cr3Mo2V鋼制模具相比，則顯示不出含2 .8 ～2.9％Co的優越性，而Co是非常昂貴的合金元素。
根據實驗室工作和在AMP50一xL高速模鍛機生產應用可以得出以下初步結論：
( 1 )4Cr3Mo2V鋼模具壽命明顯地高于H11鋼的模具壽命。同時，4Cr3Mo2V鋼的價格和 H11鋼相近或略高一點。從總體上看，采用4Cr3Mo2V在技術上是先進的，經濟上是合算的。
( 2 )4Cr3Mo2V鋼模具壽命略優于x32CrMoCoV333鋼模具壽命可以認為采用4Cr3Mo2V鋼制作模具取代含昂貴合金元素Co的進口X32CrMoCoV333鋼模具是必要的。
參考文獻
[1 ]冶金部“合金鋼手冊第三冊冶金工業出版1983年
[2] UDDEHOLM QR0S0M Microdiged Alloy Digest Dec e mbe r 1987
[3]中國科學院金屬研究所王蔥< < 4 Cr3Mo2V熱作模具銅的研究>>
[4]中國科學院金屬研究所姜曉霞張桂苓《4Cr3Mo2V熱作模具鋼組織結構分析)》
[5]玉門石油管理局機械廠唐諧姚敏《4Cr3Mo2V熱作模具鋼的使用報告》
[6]技術鑒定證書石油工業部( 8 6)油科鑒字46號
[7]轉自聶秀廣
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