气门锻模钢和硬度要求，化学成分及热处理工艺曲线

1.工作条件和技术要求

气门用热锻模指将热镦后呈蒜头状的气门毛坯，锻打成要求形状气门的专用模具，气门温度高达1100～1200℃，气门的始锻温度在1000℃左右，高温毛坯在终锻模腔成形时，一部分热量由锻模型腔快速传递给锻模，使模具温度升高到400℃以上，尤其是模具的型腔温度升高较快，最高可达800℃。随后立即采用水基石墨润滑剂喷洒在凸模与凹模的工作表面进行冷却，通过水分蒸发带走部分热量，冷却留在凸、凹模的细小石墨颗粒，起到减小金属流动摩擦阻力的作用，冷却可保持模具的硬度或减少模具硬度的降低，具有抵抗磨损的能力。但其也存在不足，模具型腔反复受热→冷却→热胀→冷缩，出现周期性循环，因此在模具表面因疲劳而形成微小的龟裂，开始是极为细小的，随着生产时间的延长，裂纹加深变大，形成最后的失效。

锻模型腔表面与炽热的金属反复接触，在成形过程中要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受弯曲、拉伸、压缩、挤压等周期性冲击作用，表面的应力大，工作条件恶劣，对性能的要求十分严格。在锻打过程中，模具被软化到30HRC以下，发生塑性变形，气门的形状和尺寸变化而报废，其失效从表面开始。因此模具应具有足够的强度和高的硬度，有良好的导热性和尺寸稳定性，具有高的断裂抗力，高的抗压强度、抗拉强度和屈服强度，良好的冲击韧度及断裂韧度，耐回火性和高温强度高，室温和高温硬度高，另外锻模要有小的热膨胀系数以及高的相变点，抗氧化性好等。采用表面强化技术可提高锻模的使用寿命，一般进行化学热处理如氮碳共渗、碳氮共渗、渗碳、硫碳氮共渗、硫氧氮共渗、渗硼、硼氮共渗、硼铝共渗和硼碳氮共渗等，气门锻模通常采用氮碳共渗。气门锻模经氮碳共渗处理后，表面获得较高的硬度（850HV以上)、良好的耐磨性、冲击韧度高、化合物层致密，因此锻模在抗擦伤、抗咬合、抗粘着和耐蚀性方面有明显的提高。气门锻模（下模)的直径为100～120mm，高度为70～90mm，其结构形式如图8-2所示。

图8-2 气门锻模结构示意图

1—上模 2—下模 3—下模套 4—下模座

2.气门锻模材料的选用

从图8-2的结构可知，该模具由四部分组成，其中下模常用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1等钢制造，本身含有铬、钨和钒等合金碳化物形成元素，故具有高的硬度、冲击韧度和耐热疲劳性，同时导热性好，因此适用于制作气门的下模。气门锻模（或热挤压模)用钢和硬度的具体要求见表8-12。

表8-12气门锻模（或热挤压模)用钢和硬度的具体要求

3.气门锻模的机械加工工艺流程

气门锻模是采用棒料加工的，通常比较成熟的流程为:棒料下料→锻造→退火→车加工→微机车床加工（钻孔、车内孔)→热处理→砂磨型腔→磨加工→无损检测→磨外圆→氮碳共渗→尺寸检验→成品包装入库。需要说明的是，凸模的加工工序比凹模少，这里不再赘述。

（1)锻造 这里以3Cr2W8V为例进行分析，3Cr2W8V钢属于过共析钢，只有反复锻粗和拔长，才能消除碳化物的偏析，减少碳化物分布的不均匀性，始锻温度为1080～1120℃，终锻温度为850～900℃，锻后毛坯在坑中缓冷。

（2)预备热处理 锻造后应进行良好的球化退火处理，目的是改善组织和降低基体的硬度，消除内应力获得珠光体＋球状渗碳体组织，以利于切削加工，为最终热处理做好组织准备，硬度为207～255HBW，退火工艺为830～850℃，保温4～6h，炉冷至500℃以下出炉空冷。气门锻模热处理后的技术要求为基体硬度48～54HRC（包括氮碳共渗后)、型腔变形量小于0.05mm，表面无氧化脱碳、无磕碰伤。

另外锻模也可通过调质处理获得均匀分布的圆形的细小碳化物，而中碳高合金钢在锻造时会出现沿晶的链状碳化物，必须通过正火加以消除。常见气门锻模（或热挤压模)材料的退火工艺规范见表8-13。

表8-13常见气门锻模（或热挤压模)材料的退火工艺规范

（续)

4.气门锻模最终热处理工艺

根据锻模的工作条件，其热处理的基本原则为对要求断裂强度、热疲劳性和抗热磨损性能高以及淬火后需进行加工的模具采用上限和较高的加热温度，对变形小、晶粒度细小、冲击韧度高的模具采用低限加热。

通常气门锻模的技术要求为:基体硬度46～52HRC；表面无脱碳、无磕碰伤等。该模分上模和下模，在工作时上、下模与加热工件接触，下模型腔挤压温度达1100～1200℃的工件，上模快速冲击，其受热温度往往比锤锻模要高，尤其是加工钢铁材料和难熔金属时。模具承受较大的应力，挤压比大的模具和细长的芯轴，其承受的应力更高。因此气门锻模必须有高的热稳定性、高的高温强度、良好的耐热疲劳性及较高的耐蚀性等，一般使用钨系热模具钢，含钨量越高则热稳定性越好，代表性的钢种为3Cr2W8V。该钢中铬增加钢的淬透性，使模具有较好的抗氧化性和耐蚀性，钒细化晶粒，V₄ C₃颗粒阻止晶粒长大，其化学成分见表8-14。

表8-14气门锻模用3Cr2W8V钢的化学成分

该钢的共析点Ac₁＝825℃，Ar₁＝790℃，A_cm＝1100℃，马氏体点Ms＝380℃。

（1)工艺路线 捆绑→一次预热→二次预热→淬火加热（盐浴)→冷却→热水煮沸→时效处理→热水清洗→两次高温回火→硬度与变形检验。

（2)热处理工艺曲线3Cr2W8V钢制气门锻模盐浴炉热处理工艺规范如图8-3所示。

图8-33 Cr2W8V钢制气门锻模盐浴炉热处理工艺规范

上模（或称为凸模)淬火处理工艺为:（850±10)℃盐浴炉预热20min，（1080±10)℃盐浴炉加热15min，预冷后油冷，封箱后（570±10)℃加热保温两次回火，每次保温6h，硬度为46～52HRC。

下模（或称为凹模)热处理工艺为:（850±10)℃盐浴炉预热20min，（1140±10)℃盐浴炉加热15min，空冷后油冷，封箱后（610±10)℃加热两次回火，每次时间为6h，硬度为46～52HRC。考虑到锻模本身受到强烈的冲击，对下模的热稳定性要求较高，因此要求有高的硬度和良好的耐磨性，将加热温度提高到1140℃左右可使碳化物充分溶解，实践证明，经过处理的锻模的使用寿命比低温处理的寿命提高3～10倍，目前该工艺在气门制造厂生产中得到普遍应用。

随着新型材料的研制和工艺水平的提高，目前国内已经批量生产耐热性好、强度高和耐腐性好的高性能合金钢，有代表性的钢种为4Cr3Mo3W4VNb（简称GR钢)，它用于制作与工件接触时间长、温度较高和易于引起变形塌陷或热磨损失效的热锻模、热挤压模等，与普通的热作模具钢（如3Cr2W8V)制作的气门热锻模相比，使用寿命得到了明显提高。

4Cr3Mo3W4VNb（GR)钢制气门锻模的盐浴热处理工艺为:淬火工艺为一次预热550～580℃，保温系数90～120s/mm，二次预热840～860℃，保温系数50～60s/mm；加热温度1180～1200℃，保温系数25～30s/mm；在静止的热油中冷却，油温控制在50～80℃范围，锻模表面冷却到200℃左右（从油中提出表面冒青烟而不起火)提出放进250～300℃的硝盐炉和空气炉中时效，可有效减少变形和开裂倾向。

回火时采用三次回火工艺:620～630℃×3～4h＋590～610℃×3～4h＋590～610℃×3～4h，只有在前一次工件温度冷到室温后才能进行下一次回火，回火后的整体硬度为53～58HRC。

4Cr3Mo3W4VNb（GR)钢制气门锻模技术要求为硬度52～56HRC，锻模表面清洁和无变形。其真空热处理工艺为:在真空炉中600～650℃×50min＋840～860℃×40min＋1180～1200℃×25min，三个阶段的加热系数分别为60～70s/mm、40～50s/mm、40～50s/mm，先充氮气后油冷至150℃出油空冷，对要求以热硬性为主的采用630℃×3h＋600℃×3h，空冷后硬度为56～57HRC。

除3Cr2W8V、4Cr3Mo3W4VNb（GR)等材料外，还有一些材料也可用于制作气门锻模。气门锻模常见材料的热处理工艺规范见表8-15。

表8-15气门锻模常见材料的热处理工艺规范

4Cr5MoSiV1（H13)钢气门锻模的真空热处理工艺路线为:汽油清洗装筐→500～550℃×90min箱式炉一次预热→800～850℃×60min盐浴炉二次预热→1120～1140℃×40min淬火加热与充氮→淬火冷却→热水清洗→590～610℃×240min二次真空高温回火→质量检验。真空炉采用原首都机械厂生产的双室卧式真空油淬炉，型号为ZC2-100。

采用真空淬火与回火后的锻模硬度为49～53HRC，整体呈银灰色，型腔变形量为0.03～0.05mm，满足了尺寸要求，实践证明，经过真空炉高温处理的锻模的使用寿命比低温处理的寿命提高3～10倍，比盐浴处理的提高2～3倍。

（3)气门锻模的氮碳共渗 气门锻模的氮碳共渗工艺为560～575℃×5～7h油冷，渗层深度为0.10～0.15mm，硬度为850～1000HV 0.2。经过处理的气门锻模一次使用寿命可达1000次以上，是未进行氮碳共渗的2～3倍。而采用真空炉淬火与回火后，再进行氮碳共渗的锻模一次使用寿命达到2500次以上。资料介绍，也可对锻模进行S-C-N三元共渗，采用稀土催渗三元共渗试剂的配比为（质量比)HCONH₂∶（NH₂)2 CO∶S∶RE＝82∶15.5∶1.5∶1.0，共渗的温度和时间为580～600℃×2h，结束后油冷，渗层深度为0.065～0.070mm，硬度在840HV 0.2以上。

气门锻模氮碳共渗可使型腔表面抗热疲劳、抗腐蚀，气门与模具不粘连，基体的强度高，延长模具的使用寿命。

液体氮碳共渗处理后的技术要求为:渗层深0.10～0.15mm，表面硬度850～1000HV，型腔表面光洁、无腐蚀、无细小炸纹。

气门锻模液体氮碳共渗工艺曲线如图8-4所示。

图8-4 气门锻模液体氮碳共渗工艺曲线

表8-16列出了气门锻模采用三种氮碳共渗方法处理结果的比较，从表8-16中可以看出液体氮碳共渗的效果最佳，时间短、硬度较高、寿命长，这与氮碳共渗良好的渗层组织有关。

表8-16气门锻模采用三种氮碳共渗方法处理结果的比较

经金相检查，气体氮碳共渗的表面大多数部位没有白亮层，扩散层深度为0.19～0.20mm，有三级脉状渗氮物，马氏体比较粗大；而液体氮碳共渗有明显的白亮层，厚度一般为0.01～0.03mm，与基体结合较好，扩散层深度为0.25mm，有较小的脉状渗氮物。

5.热处理工艺分析和操作要点

1)4Cr5MoSiV1钢气门锻模的一次预热在箱式电阻炉内进行，由于是高合金钢，故其导热性差，为减少热应力的作用，预热温度通常在500～550℃，二次预热使用中温盐浴炉，温度为840～860℃，锻模要吊挂加热。

2)最后在高温盐浴炉中加热，上模温度为1070～1080℃，下模温度为1130～1140℃。由于上模要求有高的冲击韧度，而下模要保持高的硬度和热硬性，故二者的加热温度有较大的差异。

3)在静止的L-AN10全损耗系统用油中冷却，应上下晃动，待冷到200℃左右时出油放进时效炉内，以防止模具的变形和开裂。

4)上模回火温度为560～580℃，下模回火温度为610～630℃。

5)H13钢中的合金元素总量比3Cr2W8V钢少，1050℃的淬火加热温度不能发挥H13钢材料的性能，通过提高淬火温度可提高奥氏体的含碳量及合金化程度，高温回火马氏体的分解、晶粒再结晶长大和碳化物的析出聚集粗化过程将被推迟并减慢，故确保了锻模具有更高的稳定性。

6)考虑到锻模受到强烈的冲击，对锻模的热稳定性要求较高，因此要求有高的硬度和良好的耐磨性，将H13钢的加热温度提高到1140℃左右，使尽可能多的碳化物溶解到奥氏体中，锻模可保持高的硬度、热硬性以及足够的强度。

7)H13钢锻模宜采用热油进行淬火，否则会造成冷却不充分而降低基体的硬度。容易造成热磨损与型腔塌陷，如果基体硬度低于35HRC，则无法保持正常的服役需要。

6.气门热锻模的失效与原因分析

文献指出，气门热锻模的失效形式中表面热疲劳裂纹占64.3％、型腔过渡处拉伤占21％，模体塌陷占13.2％，凹模开裂占1.5％。可见热疲劳裂纹与拉伤占到85％以上，需要重点关注。

1)型腔的圆角处热磨损，产生细小的纵向裂纹，这是热疲劳造成的。

2)型腔塌陷，发生了塑性变形，原因是表面温度高达700℃左右，超过了材料的回火温度，造成锻模基体硬度和强度降低，同时与热处理后硬度偏低、基体强度略差有关。需要注意如采用H13材料，则要注意在油中的冷却时间必须超过15min，否则会增大硬度的不一致性。

3)型腔开裂是由基体硬度高或原材料的碳化物偏析造成的。

4)由于盐浴淬火后没有及时擦干净型腔表面的残盐，在回火过程中发生了表面腐蚀，从而造成盐浴腐蚀麻点（或坑)。

5)模具型腔内部出现缩孔多半与模具毛坯锻造成形时，未按要求进行镦粗与拔长，造成内部共晶碳化物未打碎，热处理过程中膨胀量存在差异有关。

6)表面氧化脱碳是由中高温盐浴未脱氧或脱氧不彻底，淬火时在空气中停留时间长，或者是原有脱碳层未加工等造成的。

7.气门锻模非正常开裂缺陷分析及防止措施

气门热锻模的正常失效形式为磨损、塌陷或冷热疲劳裂纹开裂等，在使用过程中由于模具加工、安装、热处理以及使用不当等原因，容易引起模芯非正常开裂，使用中开裂的锻模如图8-5所示。

将开裂的气门锻模采用线切割取下裂纹部位，如图8-6和图8-7所示，可以看出锻模是沿径向开裂的，经检验裂纹周围无氧化脱碳等，金相组织无异常。

图8-5 气门锻模开裂实物

图8-6 气门锻模开后线切割图片

采用组合式凹模可提高模具的抗开裂性能，凹模模芯、模套间应视为紧配合情况，二者为一整体凹模，故其内壁的切向应力明显下降，从而使模具的抗开裂能力大为提高。对开裂的模芯进行分析，开裂情况之一为模具刚使用即出现模芯开裂，原因在于模芯与模套配合间隙过大，造成松动使模芯开裂，此时模芯与模套圆柱面接触点不多，模套对模芯的预压力很小或接近于零，模芯处的切应力为处于高峰值的拉应力，若该拉应力超过材料的抗拉强度则使模芯发生开裂。

图8-7 气门锻模开裂后裂纹图片

开裂的另外一种情况为气门成形过程中短暂停留后，再次锻造成形时，出现模芯开裂。此时模具已经磨光整合，其预压应力大为减小，而模具在高温下连续工作，模具受热回火软化，表面强度低，模具在高温高压的成形中产生的热应力、组织应力和外载荷应力叠加，使模具的切向拉应力增大，从而提高了模芯开裂的几率。需要高度重视的是，锻造润滑剂在工作中冷热交替，对于模芯造成热疲劳作用，容易产生纵向裂纹，当模具再次重新服役时，模具处于室温状态，其塑性、韧性等较低，故模具再次工作时，模芯部位会突发脆性开裂。

针对发生的非正常气门锻模开裂问题，可采用以下防范措施。

1)合理调整模套与模芯的配合公差，使其满足过盈配合的技术要求。

2)模具使用一定时间后应进行去应力退火处理。模具服役一定时间后，由于模具既要承受机械力又要承受温度的作用，在模具的内部发生了不均匀的塑性变形及组织变化，产生了内应力，为提高其使用寿命，服役期间进行去应力退火是十分必要的，可消除使用中积累的过大内应力。在预计的模具使用寿命的30％时进行第一次去应力退火，第二次则在预计模具寿命的60％时进行，这样可使模具的寿命延长50％以上。

3)对于成形中停留后再次锻造的模具，应采用保温的措施，确保其温度不低于300℃，可有效防止模芯表面产生过高的拉应力造成模具的开裂，或将最后一支气门留在模芯中，起到保温的作用。

4)在模具使用过程中，容易积累较大的热应力和组织应力，故在工作的间歇，仍进行水冷或喷水冷却，要消除这部分应力，可进行适当的保温，避免直接冷却到室温而引起模具的开裂，采用电热丝或煤气加热炉等保温，温度以控制在250～300℃为宜。

对于需要提前换下或维修的模具，不能直接冷却到室温，应缓慢冷却，减小冷冲击。对于为提高模具的总寿命而进行的超前修复模具，主要对出现的不同程度的小塑性变形、微裂纹以及不均匀的磨损等进行消除。

8.提高气门锻模使用寿命的措施与方法

气门锻模服役过程中是需要润滑与冷却的，二硫化钼的晶体结构为六方晶系的层状结构，其具有良好的润滑性是由其结构决定的，分子层间硫原子之间的结合力很弱，使原来相对滑动的两金属表面的摩擦，转化为二硫化钼分子间的相对移动，故降低了摩擦因数，起到润滑的作用，石墨、二硫化钼与聚四氟乙烯在各种挤压温度下的摩擦因数如图8-8、图8-9和图8-10所示，可见它们在400℃以下呈现良好的润滑性能。文献介绍在热挤压和压铸中，二硫化钼是单独使用的，通常将其与其他耐高温的材料混合使用，常见的有二硫化钼＋硅酸钠，使用温度在370℃以下，而二硫化钼与有机硅混合可使用的温度达650℃。

图8-8 石墨在不同温度范围内的摩擦因数

图8-9 二硫化钼在不同温度范围内的摩擦因数

图8-10 石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯的摩擦因数随温度的变化

需要注意的是，润滑剂的选用应根据热挤压和压铸生产对润滑剂的要求来决定，挤压方式、挤压零件的形状、坯料的材质、挤压成形的温度、模具的材料与热处理以及润滑方式等，均有直接的影响，我国普遍以石墨型润滑剂为主。石墨润滑剂的优点为:具有层状结构，内剪切力小，可牢牢地吸附在金属的表面而形成润滑膜；具有较高的承受力，在高的压力下也不会使金属表面产生伤痕；可以和油或水配制成不同种类的润滑剂；容易从模具或挤压件上除去等。其缺点为隔热性能差，用于不锈钢或马氏体、奥氏体耐热钢零件的热挤压时，容易造成渗碳现象。

提高气门锻模使用寿命的有效措施见表8-17。

表8-17提高气门锻模使用寿命的有效措施