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B3（3Cr2WMoVNi）热作模具钢的应用

2009-2-25 10:20:31
来源：第三届中国冷温热精锻会议论文集
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作者：沈阳工具模具钢厂石祯祥谷守明中国第一汽车集团公司周士昌大连交通大学王庆森
关键词：B3模具钢、寿命、,锤锻模、机锻模
文献摘要：本文主要阐述：B3模具钢的化学成分、各种性能的特点和主要参数、热处理工艺及各工厂使用情况等。充分说明B3模具钢在国内是一种比较好的热作模具钢。

1.B₃钢化学成份，见表1

表1 B₃钢化学成分（%）

元

素

钢

种

C

Mn

Si

Ni

Cr

Mo

V

W

S．P

3Cr₂WMoVNi(B₃)

0.26-0.35

≤0.45

1.0-1.6

2.2-2.6

1.2-1.6

0.4-0.65

0.6-0.8

≤0.03

2. B₃钢机械性能

2.1力学性能见表2

※ 表2 B₃钢主要参数

钢种	温度℃	σ_s/Mpa	σ_b/Mpa	Ψ/%	Ak/J_/Cm²	HR_c/HB_s	热稳定性能℃	热疲劳性能
5CrNiMo	室温	1320	1390	38	37	42．7∥	589	20
	300				46
	600	320	425	93		∥157.3
	650	160	250	97	364	∥96.4
	700	85	145	98		∥62.5
4Cr5MoV1Si （H₁₃）	室温	1570	1670	48	50	48.7∥
	300				72
	600	860	1030	65		∥343.6
	650	425	520	83	99	∥268.7
	700	250	335	91		∥196.0
3Cr₂MoWVNi （B₃）	室温	1550	1580	59	82	48.7∥	676	11
	300				104
	600	845	995	60		∥315.0
	650	710	825	65	106	∥277.0
	700	405	505	77		∥248.3
4Cr₂MoVNi -O#/7# （B₂）	室温	1350/1450	1440/1480	59/59	110∥80	45/46∥	652	12
	200				96/89
	300				103/96
	600	680/730	775/820	82/75		∥252.3/248.3
	650	495/550	535/600	89/78	235/228	∥183.1/199.8
	700	220/300	250/335	97/91		∥113.2/113.6

※该表主要是一汽试验数据。※该表最后两项指标为机电所试验数据

※热稳定性能的物理意义——在模具钢试样保温2h后，其硬度降至HRC35时，其加热温度。

※热疲劳性能，其评及共分20级，评级数大者，其疲劳性能为最差。

2.2 B₃钢与H₁₃钢各种性能比较

从表2显而易见：B₃钢热韧性能，热疲劳性能、热稳定性能、红硬性能等，是最好的。这性能均高于H₁₃钢。因此B₃钢用于机锻模和精锻模，其寿命好于H₁₃钢。

3.B₃钢特性
3.1 良好淬透性、即使模具截面积大，也可获得表面，心部均匀的硬度分布。
3.2 机械性能基本各向同性。
3.3 高的热强性能，高的耐热疲劳性能，高的热韧性。
3.4 抗高温软化性能好、见图1。



图1抗回火软化曲线（室温硬度HRC42）

3.5 易于进行补焊翻新。

B₃钢之所以具备：高的热强性能、高的耐热疲劳性能、高的热韧性能和高的热稳定性能等，是由于B₃钢高温回火时，析出细小的碳化物（Cr7C3、MoC、V4C3）而产生的沉淀强化。同时，还要依靠基体的晶细结构（如位错）的稳定性，提高基

体的回复与再结晶抗力。

4　B₃钢的热处理

由图2B₃钢（3Cr2WMoVNi）TTT曲线，该曲线采用金相法测定。TTT曲线，显示珠光体、贝氏体和马氏体转变区。其临界点：

A₁＝816℃　　　

A₃=833℃

Ms=268℃

并按该曲线为基础指导与确定，B₃钢（3Cr2WMoVNi）球化退火工艺与最佳淬火工艺。

图2 B₃钢TTT曲线

4.1 球化退火

B₃钢球化退火工艺见图3。

退火后的硬度为：HB=207~255

4.2 最佳淬火工艺，B₃钢热处理工艺见图4。

4.2.1采用图4回火温度，其硬度为HRc40~50

4.2.2要求较高抗回火稳定性的模具，可采用上限淬火温度。

要求良好韧性的模具采用下限淬火温度。

4.3 B₃钢与H₁₃钢在1020℃淬火，不同回火温度，其硬度值对比曲线，如图5。

该曲线说明在低于560℃时，其H₁₃模具硬度偏高，但高于560℃回火时，则B₃钢模具硬度偏高。因此不难理解为何B₃钢模具热强性优于H₁₃钢模具。况且从表2中，获悉B₃钢热韧性、热疲劳性能、热稳定性又最好。

因此往往在热精锻时，用B₃钢替代H₁₃。

4.4 应当探讨的两个问题

4.4.1 关于模块尺寸效应问题

H₁₃

H₁₁与H₁₃可以具有较高的抗回火稳定性，这是由于钢中含有5%的铬，使得钢中增加了碳化物的数量，尤其是大截面模块心部，碳化物分布是不均匀的（偏析较为严重），使钢各向异性加大，对模块尺寸效应非常敏感，即随着模块厚度的增加，冲击韧性与塑性变坏，易使模具脆断。其表3说明这个问题。

H₁₃不同冷速及尺寸对冲击值影响表3

淬火温度（℃）			回火温度（℃）		ak Kg·M/cM²
温度	试样（mm）	冷却	温度	硬度HRC	ak Kg·M/cM²
1020	10×10×55	油冷	560	47~49	5.5
	φ200 心部	油冷		49~50	1.5
	φ120　心部	空冷		50~51	1.2

许多资料证明，当模块厚度小于60mm~80mm时，其冲击值不低于5CrNiMo(HRc38~42，其冲击值为3~4kg·M/cM²)，但厚度增大时，性能显著变坏。因此在选用H₁₃时制造锻模时，模块厚度尺寸，最好不要超过100~120。

4.4.2 不同冷却速度对B₃钢冲击韧性的影响

不同冷却速度对B₃钢冲击韧性的影响见图6。

V 冷却

模块回火后一般都采用空气冷却，模块尺寸越大冷却也就越慢。为验证B₃钢是否存在第二类回火脆性，将冲击试样经1000℃淬火，600℃回火，分别在油中、空气中、砂中，及随炉冷却到室温，结果如图6显示的那样，此种材料没有第二类回火脆性。

5 B₃钢（3Cr2WMoVNi）的应用

5.1 一汽机锻模寿命比较见表4

表4 一汽机锻模寿命统计表

序号	模块尺寸/mm	锻件名称	老钢号			新钢号
序号	模块尺寸/mm	锻件名称	材料	HRC	寿命(件)	材料	HRC	寿命(件)	提高寿命%
1	290×310×200	万向节叉	5CrNiMo	38-42	4500	H₁₃	43	5515	23
2	290×310×200	万向节叉	5CrNiMo	38-42	4500	B₃	36-38	6500	44
3	290×310×200	万向节叉	5CrNiMo	38-42	4500	B₃	38-42	11380	153
4	290×310×200	万向节叉	5CrNiMo	38-42	4500	B₃	46-48	13140	192
5	260×290×171	万向节叉	5CrNiMo	38-42	4500	B₃	37-39	15247	239
6	φ300×135	突缘	5CrNiMo	42-44	9000	B₃	42-44	16957	88
7	φ320×300	羊角	5CrNiMo	38-42	2500	B₃	34-36	3955	58
8	360×270×170	滑动叉	5CrNiMo	42-47	8000	B₃	42-47	10990	37

从一汽统计表中得知，万向节叉用H₁₃钢模具生产同5CrNiMo寿命比可提高23%，但用B₃钢模具生产该锻件寿命，可提高从44%到192%。其突缘、羊角、滑动叉分别提高88%、58%、37%。

5.2 400t、630t模锻水压机生产炮弹头的新旧钢模具寿命对比见表5

厂名	炮弹头冲孔新旧模具寿命对比B₃/ H₁₃	弹头拔伸冲子寿命对比B₃/ H₁₃
123		1200/800
672	150/80

5.3 山海关桥梁厂3000t油压机生产60At轨B₃_、H₁₃模具寿命对比见表6

山海关桥梁厂	旧模具H₁₃	新模具B₃
生产At轨数量（根）	300	400

5.4 宝鸡桥梁厂5000t油压机生产60At轨新旧模具寿命对比见表7

名称　寿命　　（根）材质	整形模	予锻模	轨头模	端头挡块	主要失效形式
5CrMnMo	250	364	356	198	龟裂、压塌、磨损
B₃	545	764	780	436	龟裂、压塌、磨损

从表上看寿命均提高一倍以上。

6 结论

6.1 B₃纲有良好的室温与高温力学性能，尤其热韧性、热疲劳性能、热稳定性能均高于H₁₃。

6.2 B₃钢之所以热强性高、热韧性高、热稳定性高、热疲劳性能高，主要是由于有稳定的结构组织和基体有高的回复与再结晶抗力。

6.3 B₃钢热处理时淬透性好，模具翻新不用退火。

6.4 B₃钢机锻模寿命可提高：一般是50%~100%个别可提高到100%以上。

参考资料

（1）机车车辆工艺，1998.2“热作模具钢材料的发展”。

（2）汽车工艺与材料1996.9“三种模具钢室温及高温力学性能”。

（3）钢铁1999.10“热锻模材料在一汽的应用”。

（4）“锻造模具用钢的选择与应用”。机电所李平安

（5）第一汽车制造厂“机锻模新材料3Cr2WMoVNi的研究”。

（6）“B₃钢在钢轨压型模具上的应用”。

（7）应用“寿命数据分别来自各工厂的试验”。

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