5CrNiMo、5CrMnMo曲轴锻模硬度要求与保护加热

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：5CrNiMo、5CrMnMo曲轴锻模热处理硬度要求见表8-27。由于曲轴锻模的体积大，通常在空气电阻炉内加热，考虑到模面不允许出现氧化和脱碳，因此需对锻模进行保护加热。5Cr2NiMoVSi钢制作的曲轴锻模的使用寿命比5CrNiMo钢锻模提高3.6倍。

1.工作条件与技术要求

曲轴锻模是制造发动机曲轴十分重要的成形模具，曲轴常用中碳钢、中碳合金钢、非调质钢等模锻而成，也可采用球墨铸铁铸造。加热的曲轴坯料在锻模内完成塑性变形，在高温、高压下，坯料与模具型腔表面发生相对运动产生摩擦与磨损，锻模瞬间所受冲击力易使能量或应力集中到某些局部引起应力集中，造成塑性变形和断裂，模具表面的急冷急热会产生循环的热应力，使模具出现疲劳磨损与疲劳裂纹，因此，锻模的工作环境十分恶劣。曲轴锻模的失效形式有磨损、塑性变形和断裂，其中磨损与塑性变形约占70％，断裂（裂纹)约30％。一般而言，由于下模与高温坯料接触时间长，温度高，且氧化皮易落入下模型腔中，故下模较上模易失效。

2.材料的选用

根据曲轴锻模的工作特点，制作模具的材料在工作温度下应具备:高的高温硬度及高温强度，高的淬透性，高的热疲劳抗力，较高的耐回火性，好的工艺性能及抗氧化性。

考虑到上述技术要求，下列牌号的热作模具钢适于制作曲轴锻模:5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV、4Cr3Mo3W4VNb、H13（与4Cr5MoSiV1基本相当)、5Cr2NiMoVSi等。

3.机械加工工艺流程

这里以5CrNiMo钢为例介绍一般的机械加工路线:下料→锻造→退火→机械粗加工→超声波检测→成形加工→热处理→抛丸或喷丸→钳工修形和抛光→检验→入库。

4.曲轴锻模的热处理工艺

（1)热处理技术要求四拐曲轴的模具尺寸为1300mm×680mm×450mm，技术要求为型腔硬度35～40HRC，燕尾硬度28～33HRC。型腔与燕尾不得有氧化、脱碳和腐蚀，锻模整体不得有任何形式的裂纹等。

（2)热处理工艺 5CrNiMo钢热处理的各项工艺性，特别是淬透性、淬硬性、脱碳敏感性、过热敏感性和回火脆性等均很好，适于制造曲轴锻模。

5CrNiMo、5CrMnMo曲轴锻模热处理硬度要求见表8-27。

表8-275CrNiMo、5CrMnMo曲轴锻模热处理硬度要求

曲轴锻模的淬火、回火是决定使用寿命的关键，由于热处理不当而导致模具过早失效占有相当大的比例，模具钢淬火与回火都有一定的温度范围，对于使用中以磨损为主要失效形式的模具，应提高钢的热硬性及耐回火性，对于在使用中以脆断为主要失效形式的模具，应通过热处理提高其强韧性。

由于曲轴锻模的体积大，通常在空气电阻炉内加热，考虑到模面不允许出现氧化和脱碳，因此需对锻模进行保护加热。同时应着重对尖角等部位缠绕石棉绳，避免加热和冷却过程中因空气和热处理应力的作用，造成模面的氧化和开裂等。采用的材料为5CrNiMo、5CrMnMo。5CrNiMo钢四拐曲轴锻模淬火、回火工艺曲线（箱式炉加热)如图8-22所示。

图8-22 5CrNiMo钢四拐曲轴锻模淬火、回火工艺曲线（箱式炉加热）

文献介绍，5Cr2NiMoVSi钢为一种力学性能较好的模具钢，其具有良好的淬透性（比5CrNiMo钢心部硬度高出10HRC)，热稳定性高出150℃，同时具有良好的高温强度，在相同硬度下，高温强度高出60％以上，热疲劳性与热磨损性优于5CrNiMo。5Cr2NiMoVSi钢制作的曲轴锻模的使用寿命比5CrNiMo钢锻模提高3.6倍。

5.热处理工艺分析与操作要点

1)曲轴锻模体积较大，在加热时，两锻模及锻模与炉壁之间应留有150～250mm的距离，分阶段预热可有效预防锻模因加热不透应力过大而出现开裂。为避免燕尾部分淬火时开裂，应在圆角处缠上石棉绳，以减小该处淬火时的冷却速度。

2)锻模淬火温度的选择应确保其钢中的晶粒不易长大，以保证有较高的冲击韧度，文献介绍，随着淬火温度的提高，锻模钢组织以板条状马氏体为主，钢中的碳化物更充分地溶解，钢的断裂韧度有所提高，耐回火性与热稳定性提高，推迟热疲劳裂纹的产生。需要进行工艺验证，以确定淬火温度。

3)考虑到锻模体积较大，为防止模具淬火变形及开裂，锻模入油前要进行延迟冷却，为确保油温及冷却均匀，油槽内安装循环冷却装置及采用压缩空气对油进行搅拌，同时注意入油方向及适当摆动，防止形成气泡影响局部的冷却效果，导致模具型腔不完全淬火。

4)锻模在油中冷却的表面温度为150～200℃时，提出装炉回火，判定经验为:当模具提出油面只冒青烟而不着火时，或将水滴（或唾液)滴至模面有轻微的爆裂声时，表面温度即为150～200℃。

5CrNiMo、5CrMnMo曲轴锻模硬度要求与保护加热

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