新型热作模具钢35Cr3Mo3SiVAIRE研究

摘 要：试验研制了一种新型热作模具钢(35Cr3Mo3SiVAIRE)，该钢具有高的高温强度、优异的回火稳定性和抗冷热疲劳性能。此外，由于添加AI和RE元素，使该钢具有良好的抗氧化性能和渗氮性能。该钢在金属热挤压模和精锻模的应用结果表明：在相同的工艺条件下，使用寿命明显高于3Cr2W8V钢和H13钢制造的同类模具。
关键词：模具钢；热作模具；性能

1 引 言

       随着现代制造技术的迅速发展，越来越多的零件采用热挤压、精锻等工艺成形，这类成形模具承受高温拉、压、冲击等力的作用，还要受到高温磨损、氧化以及急冷急热周期性温度变化等，服役条件十分恶劣，因而对模具的综合性能要求很高，既要求高的高温强韧性、抗冷热疲劳性能、抗氧化性能，又要求高的耐磨性。目前，国内外常用3Cr2W8V钢、4Cr5MoSiVI(H13)钢制造热挤压、精锻模具。3Cr2W8V钢虽有较好的红硬性和高温强度，但其韧性欠佳，尤其是抗冷热疲劳性能较差，在生产应用中该钢制模具常发生开裂、龟裂等早期失效现象。H13钢具有较好的强韧性，但对于形状复杂、局部受热严重的模具，该钢仍不能满足使用要求，为此研制了35Cr3Mo3SiVAIRE新型模具钢。

2 试验方法

2．1 化学成分设计
     设计的指导思想是要具有一定的强度、红硬性、良好的韧性和表面可强化性能。钢的强韧性主要取决于碳和合金元素的含量。由于本方案主要强调强韧性，耐磨性是依靠表面强化处理来提高，所以对钢基体的耐磨性不作高要求，故选择碳含量在0．3％～0．4％，以保证钢具有良好的韧性和抗冷热疲劳性能。适量的钼、铬、钒等合金元素在对钢的韧性影响不大的情况下可显著提高钢的回火稳定性，并提高钢的淬透性。对于热作模具，实践证明渗氮是一种较为理想的表面强化处理手段，为了得到稳定、高硬度的氮化层，钢中添加铝元素。同时铝可明显改善钢的抗高温氧化性能。稀土(RE)具有脱氧、脱硫、净化钢液、细化晶粒、改善夹杂物形貌等作用，模具钢中添加适量的稀土可提高钢的热塑性、硬度、韧性、耐磨性和抗高温氧化性能，因此在钢中添加微量稀土元素。新钢种的化学成分（质量分数%）为：0.3-0.4C,0.8-1.2Si,0.2-0.4Mn,2.7-3.3Cr,2.5-2.9Mo,0.15-0.30V,0.3-0.5Al,≤0.03P,≤0.03S,微量RE。

2.2 钢的冶炼工艺

    用中频感应炉大气冶炼，浇注自耗电极。在浇注过程中加入镧系钇(Yb)稀土硅铁合金，然后将自耗电极进行电渣重熔，得到电渣钢锭，钢锭经锻造得到试样毛坯和模块。

2.3 钢的性能检测方法

    钢的力学性能试验分别在ZD10/90电子拉力试验机和294/147J冲击试验机上进行，冷热疲劳试验在BP-12型板材冷热疲劳试验机上进行。钢的抗氧化性能试验按YB48-64标准，用增重法测试。

2.4 试样和模具的热处理与渗氮工艺

    热处理工艺为1030℃油淬+620℃*2h*2次回火；气体氮碳共渗工艺为570℃*3h，油冷，采用CO₂+NH₃热分解气源。

2.5 模具现场试验

    35Cr2Mo3SiVAlR3钢分别制造轴承套圈毛坯热挤压模具、连杆热锻模具和齿轮精锻模具，模具经真空热处理和气体氮碳共渗处理后，在工厂相同工况下与3Cr2W8V钢或H13钢制造的同类模具进行使用寿命对比试验。

3  试验结果与分析

3.1 力学性能

    35Cr3Mo3SiVAlRE钢具有高的强韧性，当试验温度达到630℃时，其抗拉强度仍大于840MPa，因而同时具有高的热强性。

3.2 冷热疲劳性能

    试样尺寸4.6mm*70mm*50mm，均开60°，R=0.5mm的V型缺口。650C―20℃1000次冷热疲劳试验结果见表1，可见35Cr3Mo3SiVAIRE钢的抗冷热疲劳性能明显优于3Cr2W8V钢。

3.3 抗高温氧化性能

    抗高温氧化试验结果见表2，试样尺寸为φ10mm*20mm，在1000℃管式空气炉中分别保温1、2、3h，实测单位面积增重。

3.4 模具使用试验

    用35Cr3Mo3SiVAlRE钢制造轴承套圈热挤压冲头、气门嘴热挤压摸、连杆热锻模和伞齿轮精铸模，经真空热处理和气体氮碳共渗处理后在相同工况下与3Cr2W8V或H13同类模具对比，结果表明，其使用寿命普遍比后两者提高30%-200%或80%（表3）。

4 结论

    （1）35Cr3Mo3SiVAlRE钢具有良好的强韧性、稳定性、渗氮性能、抗冷热疲劳性能和抗高温氧化性能。

    （2）35Cr3Mo3SiVAlRE钢制模具经碳氮共渗后具有心部强韧性高、表面耐磨性和抗冷热疲劳性能好等特点，适合于制造热挤压、精锻等热作模具。

表1  冷热疲劳试验结果

Table1 The results of cold-hot cycling fatigue experiment

   
表2  抗氧化试验结果(g/cm)

Table2 The results of oxidation resistance experiment

表3  模具使用寿命对比结果

Table3 The comparison of the service life of dies