高 ，试验 用 钢 的 硬 度 逐 渐 升 高 , 940 ℃时 硬 度 值 最 高 , 高 于 整组织 ，提高支承辊的综合力学性能 ，为最终热处理做好组织 940 ℃时硬度值逐渐降低 。所以较合适的淬火温度为 930 ～ 950 ℃。从淬火温度下经 500 ℃回火后硬度曲 线 看 , 900 ℃以 上温度淬火硬度变化不大 ，而在高于 960 ℃时硬度降低较多 , 回火后硬度平均降低 15 HS 。故选择 930～950 ℃为最佳奥氏 体化温度 。 试样经 940 ℃奥氏体化 ，淬火后进行不同的温度回火 ，由 图 3 可以看出 ，当回火温度低于 560 ℃时硬度变化不大 ，而当 回火温度 高 于 560 ℃时 硬 度 显 著 下 降 , 这 说 明 4Cr 2Ni 2Mo 2V 钢的抗回火性较高 。
由图 4 可以看出 , 随着回火 温 度 的 升 高 , 强 度 值 显 著 降 低 ，而冲击韧度明显升高 。在 600 ℃回火时抗拉强度值可达 到 1090M P a ，而冲击韧度值近 30J / cm 2 。由于支承辊调 质 处 理时均采用高温回火 ，故选用高于 600 ℃的回火温度检验材 料的力学性能 ，为调质处理提供了有利依据 。由此可见 ，试验 用钢热处理回火温度的合适范围是 550～650 ℃。
3 试验工艺探索
3 . 1 冶炼和锻造
冶炼采用平炉和电炉粗炼钢水 ，然后兑入精炼炉中精炼 , 真空除气 ，真空浇注 。钢水经二次真空处理
后氢 、氧 、氮等气 体含量很低 ，且磷 、硫含量均很低 ，这为锻后缩短热处理周期 打下了良好的基础 。支承辊锻件直径和质量均比较大 ，选用 的钢锭吨位也较大 ，需对钢锭进行一次镦粗 ，以增加拔长压实 火次 (锻造过程中回炉重新加热次数) 锻比 。为充分压实钢锭 内部缺陷 ，采用 KD 锻造法 ，使胚料芯部整体长度上无空锤 , 闭合区覆盖整个轴心线长度 ，以获得质量良好的锻件 。
3 . 2 热处理 (1) 锻后热处理 锻后热处理采用高温正火 、二次过冷 、雷击测试
准备 。据资料 2 报道 ，日本等国家预备热处理一般采用正回 火的工艺形式 ，而一重公司采用油冷工艺 ，其优点是组织为颗 粒状索氏体 ，冲击值较高 ，屈强比大 ，以利于喷淬时可以承受 较激烈的冷却 ，从而提高辊面硬度及淬硬层深度 。
(3) 最终热处理 最终热处理采用国内较先进的开合式 差温热处理炉加热及卧式喷雾淬火 。差温炉的特点是加热速 度快 ,2 h 左右既可将炉温由 500 ℃升到 1000 ℃以上 ; 加热均 匀 ，工件在炉内每间隔一定时间旋转 90°；加热层深 ，支承辊在 炉内保温 4 h 左右加热层深可达 200mm 左右 。采用差温加热 喷雾淬火 ，当表面达到一定温度 ，此时芯部仍处于奥氏体化温 度以下 。经激烈的喷淬后 ，可以保证芯部具有较小的拉应力 , 从而提高支承辊的抗事故能力 。回火在中低温回火电炉中进 行 ，以保证辊身硬度的均匀性 。
4 结论
(1) 4Cr 2Ni 2Mo 2V 钢 支 承 辊 材 料 在 成 分 选 择 上 是 合 理
的 ，材料特性和工艺性能 、使用性能等方面均达到试验目的 , 是替代 MC3 材料的理想材料 。
(2) 采用调质的预备热处理工艺可获得较高综合力学性
能 ，最终热处理采用差温炉加热喷雾淬火的工艺形式 ，可保证 辊面硬度 、获得良好的组织 ，且表面压应力较小 ，使用性良好 。
参考文献
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潘振鹏
罗天友 李 芬 莫东强 广东工业大学机械系 (广州五山 510643) 广东怀集汽车配件厂
【摘要】 本文介绍了提高气门热精锻模具工作寿命的新材料和新技术 ，并以系统工程的原理初步探讨了模具材料 、热处理 、表面
技术 、结构设计 、制造加工 、冷却 、润滑和毛坯前处理等与气门锻模的工作寿命 、经济性 、经营管理和可持续发展等方面的关系 。 关键词 ：气门 压力机锻 模具 系统工程 N e w Material s and T echnol ogies f o r V alve Press 2f o rging Die and I ts System E ngineering
Pan Zhenpeng ( G uangd o n g U n iver sit y of Technology , G uang zho u 510643) L u o Tianyo u ,Li Fen ,Mo Do n gqiang ( Huaiji Auto 2accesso ries Manu f act u rer )
【Abstract 】 This p ap er int r o duces so m e new mat erials and technolog ies fo r valve p r ess 2fo rg ing d ie. Based o n t h e p r inciple of t h e syst em
eng ineering ,t h e p a p er d iscusses relatio n ship amo n g t h e mat erial , heat t r eat m ent , surf ace t echnology , c o n st r uctio n design , machining , cooling ,lubricatio n ,p r e 2t r eat m ent and die lif e ,eco n o m y ,management ,sust ainning develop m ent . K ey w ords :valve ,p r ess 2fo rg ing ,d ie ,syst em eng ineering
潘振鹏 ：男 ,54 岁 ，材料学硕士 ，副教授 ，教研室主任 。从事模具新材料新技术和计算机专家系统研究等 。 : ( 020) 85211762 收稿日期 : 1999 年 3 月 27 日 。
36 《金属热处理》1999 年第 9 期
(5Cr4Mo3 S iMn VAl) 和HD2 (4Cr3Mo2NiVNb B) 钢比传统应用
信息包
的3Cr2 W8V 钢具有更高的强韧性，因而用其制成的气门锻1 模具工作条件与失效形式
<10mm 杆径气门的热锻模如图1 所示。上模结构简单,
下模由模芯和可重复使用的模套和模座组成。模芯由
3Cr2 W8V 钢制成，模套和模座用45 钢制成。生产时，气门棒
料一端经热电镦镦粗成蒜头状, 如图2a 所示。始锻温度
1100～1200 ℃。坯料加热到温后立即放入锻模的下模芯中,
上模随摩擦压力机滑块缓慢压下，其蒜头部分被热锻成形而
得到气门精坯, 如图2b 所示。工作时模具受力基本为静压
力，模芯很少发生断裂。
1 2
模的使用寿命比3Cr2 W8V 钢分别提高118 倍和2 倍多。
机械工业技术发展基金委员会科技成果“热作模具钢的
3
选择与应用” , 提出了“失效抗力指标体系”的现代选材思
路。如对工作温度为600 ℃而以热磨损压塌为主要失效形式
的中、小压力机锻模，提出其主要失效抗力指标体系及取值为
850 ℃×2500 次的热磨损量ΔW≤4mg ,600 ℃高温屈服强度
σ012 ≥700M P a ,620 ℃回火4 h后硬度值表征的热稳定性T Q
(620 ℃×4 h) ≥35 H RC 并按此指标对多种国产材料排序而有
10 种钢材, 列前 3 位的为5Cr4 W5Mo2V ( RM2 ) ,
4Cr3Mo2NiVNb B ( HD2) 和4Cr3Mo2MnVNbB ( Y4) 钢。
内网审计2 .2 热处理整体强化工艺优化
将气门热锻模具的淬火回火工艺优化，同样可以提高材
料的失效抗力，而仍有足够的韧塑性，从而提高模具的工作寿
命。例如将3Cr2 W8V 钢的淬火温度由原来的1150 ℃提高至
1250 ℃，回火温度由原600～620 ℃降至560～580 ℃，随后用
液体氮碳共渗替代传统的第二次回火，从而使气门模具使用
寿命提高约30 %4 。前面提及的012Al 钢在试用时已将推
荐的工艺进行优化, 将淬火温度提高约50 ℃, 达1140 ～
1160 ℃，降低回火温度约30 ℃，为550～570 ℃1 。对HD2 钢
也有类似的工艺优化考虑2 。
2 .
3 表面强化技术应用
由于气门模具R 位过渡处和较小的孔径等特殊外形因
素，其表面强化层的均匀性，镀涂层与基体的结合力均受到影
响。再加之离子注入、多弧离子镀等新工艺成本远高于模具
总成本，因此目前气门模具的表面强化仍以渗氮为主。近年
来采用德国先进的液体氮碳共渗技术及用盐, 经570 ℃×
015 h处理，使模具抗磨损能力明显提高。
2 .4 模具结构的合理设计
气门锻模的上模形状简单不易损坏, 故做成整体式的。
而下模形状较复杂且易失效则要认真对待。我厂早期采用整
体式的下模，即将图1 中的下模芯与模套做成整体，其外型尺
寸为<100mm ×85mm , 现我厂取用二层组合结构如图1 所
示。用45 钢制成且可重复使用的模套外径<110mm 而高
85mm ，模芯和整体式下模一样采用热作模具钢3Cr2 W8V 、
HD2 、012Al 等制成并经淬火回火、渗氮等工艺强化。模芯外
径减小为<70mm ，而高减为70mm 且与模套过渡配合，工作
时模芯被工件加热膨胀而受到模套的压应力，有利于阻碍模
芯微裂纹产生，因此生产时很少发生断裂。
工作时模芯上方的喇叭口及R 位处受到经被锻金属传
递的摩擦压力机的挤压力作用，此力可分解成轴向、径向和周
向(或切向) 分力。其中，周向分力为拉应力会造成断裂危险。
文献5表明，冷挤压凹模采用预应力套构成二层组合式凹模
的模具强度是整体式凹模的113 倍，气门锻模的组合凹模类
似于此情况。而三层组合式凹模的强度则是整体式凹模的
汽车空调电磁离合器118 倍。由于摩擦压力机的作用力大体是静载荷、冲击不大,
所以气门的组合凹模采用二层式已足够。
图1 气门热锻模结构
11 上模21 下模芯31 下模套41 下模座
图2 气门形状
(a) 热电镦后气门毛坯上端呈蒜头状( b) 热锻后气门毛坯
热锻时，模具下模芯会在圆弧R 部位及其周围发生压塌
和表面磨损。模具与炽热的工件接触，加上成形时摩擦生热,
表面温度可达到600 ℃，受热回火，硬度、强度将不断下降，从
而导致模具沿垂直表面向内蠕动及沿圆弧方向上下蠕动，多
次锻造效果的累积便发生压塌。被锻气门在杆部上方圆弧处
成波浪状，而局部凹处加工余量不足而报废，需更换或加工修
整模芯。模具圆弧部位磨损主要是热磨损。工件成形时，其
金属沿模具圆弧方向自上而下流动。其中的氧化皮、碳化物
等会使模具圆弧部位表面局部磨损。而工件圆弧部位也会有
相应凹凸流线而增大表面粗糙度。高级气门要求其圆弧部位
不机加工而保留锻造的热加工流线且具有高的外观质量，因
而模芯圆弧部位发生较大磨损时也需加工修整或更换。
2 提高气门热精锻模具寿命的技术措
施
从模具材料、热处理与表面强化、结构设计、制造加工3
方面的5 种技术措施的改善以提高模具的内在使用性能，加
上冷却、润滑、毛坯前处理3 种技术措施以改善模具的外部应
用环境。采取4 方面共8 个技术要素的优化措施来提高模具
的工作寿命。
2 .1 模具用钢优化
气门锻模的失效形式为压塌和热磨损, 因为012Al 钢
37
《金属热处理》1999 年第9 期
2 .5 模具制造方法与修复工艺的改进
模具喇叭口和R 位处的光洁度和精度低将妨碍被锻气门的金属流动，增大工件与模芯摩擦而加快模芯磨损和压塌。用数控车床替代普通车床机加工模芯型腔，显著提高了工效、模芯光洁度和精度。近几年在数控车床粗加工后用电解加工作最后精加工，获得很高的光洁度、精度与工效。磨损模芯经修整可再使用直至高度由70mm 降至55mm 。上述3 种方法修复时的模高降低量分别约为5 、3175 、215mm ，即模芯重复使用次数分别为4 、5 、7 次。若模具结构设计时将模芯高度由原70mm 适当提高至80mm 甚至85mm ，则其重复使用的次数会更高，对修复模具要重新渗氮并适时淬火回火强化。高频窄脉冲电流电解加工是近10 年来国际新兴并不断
发展的金属零件电解加工新方法 6 ，将已粗加工的气门模芯
淬火回火后作为阳极，外形如待锻造气门盘部喇叭口及R 位的钢或不锈钢制造的特殊上模作为阴极, 以NaC l 或NaNO3水溶液为电解液，在高频窄脉冲电流作用下对模芯进行冷态电化学阳极溶解电解加工。由于被加工表面不会产生机加工造成的冷作硬化或电火花加工因局部高温而产生的热再铸层，因而残余应力和显微裂纹甚少。另外，除非操作不当造成短路烧伤，理论上工具阴极不损耗而能长时间保持其极高的光洁度和精度，因此被加工模芯具有很高的精度、光洁度和甚少的表面微观缺陷，并因模芯表面光滑使工件出模时间缩短从而降低了回火软化的危害。以上诸因素使得模芯寿命大大提高。相对于传统的直流电解加工，新技术改善了电解液的流场特性，电极间的电场特性和电化学阳极溶解特性以及电解产物排除过程7 ，从而获得更高的加工精度。新电解加工法的工具阴极送进速度为013 ～1mm/ min ，新造或翻修模芯的总加工量约215mm ，故总加工时间为215～8min ，要比车削加工快得多，目前我们正筹划制造更适合模具型腔加工的新电源及电解加工机床。
2 .6 工作模具的冷却与润滑
模芯被工件加热, 会发生回火软化, 因此要及时冷却模具。成形时工件金属沿R 位处流动造成摩擦也可能损坏渗氮层和基体表层，因而需要润滑来减少这一有害的摩擦。用黄油润滑效果很好，然而它可能着火燃烧，使模具表面回火软化。用水剂石墨可以同时润滑和冷却模具而且效果良好，加上气动式的自动喷雾冷却润滑装臵而降低了劳动强度。
内水冷却系统对防止模具受热回火软化有着很显著的作用，而且它是连续式的冷却，不象用水剂石墨那样间断式地进行而使模具表面急冷急热可能产生热疲劳裂纹，影响工件R 位外观质量和模具的寿命。然而由于模芯中间有<10mm 的孔而外形为<70mm 的圆柱且尺寸小，难以采用图3a 所示的简单而常用的冷却水内通道，而只能采用形式如图3b 所示的复杂结构。由于加工内冷却通道要耗费工时且外接管道要穿过机床，模座下底面水管出处难以保证滴水不漏，加之模具多次修复而最后一次使用时模具高仅55mm ，而离模具最初使用时模腔距离较远，影响冷却效果，而且会造成模具安装麻烦和增加工时，因而很少使用。
2 .7 毛坯前处理的改进
(1) 气门棒料在开料后要校直并两端倒角去毛刺。
图3 内水冷却系统
(2) 要严格控制电热镦成型毛坯的蒜头部分形状及其对杆部的垂直度。蒜头部分温度要达到1100～1200 ℃，并及时将毛坯转到热精锻模中加工，避免热锻温度过高或过低对模芯的恶性损坏。
2 .8 技术措施的相互促进与制约
(1) 技术措施的相互促进或制约采用组合凹模减少了3Cr2 W8V 钢的用量及加工费，还使其模芯经常
受到模套的压应力。下模尺寸的减小也使3Cr2 W8V 钢的淬火回火后力学性能及其均匀性得到提高，从而使模具总体强韧性及工作寿命提高并且为热处理工艺优化以适当降低模具的韧塑性，增加其强度、硬度以提高模具寿命作好了“物质”准备。然而模芯尺寸减少将为内水冷却系统的采用增加了难度。
(2) 技术措施的综合效果大大高于单个效果的和氮碳共渗层使模具抗磨损性大大提高，然而它是以基体的“坚固及稳定性”为基础的。工件受压成形时，模具与工件接触的部分
同样受到与模具表面垂直的压应力，若模具基体强度硬度不足便会发生微观的“下陷”，因模具金属中的化合物等硬质点高于基体组织硬度，模具基体“下陷”在各处便会深浅不一而造成表面渗氮层发生微观开裂。再者，工件成形时其金属沿模具圆弧部位从上而下流动，也将导致强度、硬度不足的模具基体金属连带表面渗氮层沿圆弧部位从上而下蠕动而发生微观的“波折”或“折迭”。模具渗氮层在R 位附近的微观“开裂”和微观“折迭”均会影响被精锻气门R 位的外观质量。因此除了氮碳共渗层有优良的质量外，也同时需要基体有高的工作起始强度、硬度和热稳定性。如前所述可以采用新型的热作模具钢HD2 、012Al 钢取代3Cr2 W8V 钢或优化它们的热处理工艺来达到。相反地，只有基体金属的高强度高硬度高热稳定性，而没有诸如渗氮层这样的表面强化层，也不可能获得高耐磨性，只有高耐磨表面与坚实稳定的基体相结合才有高的耐磨性使模具有长寿命。两者综合作用效果远远高于单个技术措施的效果的和。
(3) 技术措施的适度应用水剂石墨对模具的冷却可以减慢模具回火软化的进程，然而它同时会造成模具表面的急
冷急热导致热疲劳裂纹的产生，因此要控制好喷雾装臵使水剂石墨用量适当以缓解模具回火软化和热疲劳的矛盾。
38 《金属热处理》1999 年第9 期
相当 ，这种 情 况 要 具 体 问 题 具 体 分 析 。例 如 优 化 3Cr2 W 8V 钢热处理工艺可使模具寿命提高约 30 % ，然而它需要将淬火 温度提高 50～100 ℃达 1200～1250 ℃，显然 ，盐浴炉和热电偶 的损坏加快 、用盐和电力消耗加大 ，加之盐浴挥发和高温辐射 的加剧造成工作环境恶化 。因此 ，要慎重考虑 。
4 经营管理和可持续发展的考虑
关于可持续发展 ，资源节约与再用及环境保护是其重要 方面 。在气门模具制造与应用这个问题上还不太突出 ，如上 论及的 3Cr2 W 8V 钢高温盐浴淬火处理造成的利 弊 , 然 而 若 采用氰化进行表面强化则又要十分慎重 。HD2 、012Al 钢可大 大提高模具寿命而模具成本仅稍为增加 , 然 而 3Cr2 W 8V 钢 市场很容易买到 ，而 HD2 钢需要专门渠道才能购得 ，而且所 购得的棒料的直径不一定适合气门模具而增加改锻的费用和 废品率 ，工厂从经营管理方便和材料及时供应 ，减少流动资金 积压考虑 ，仍然主要地采用 3Cr2 W8V 钢来制造气门模具 ，因 而限制了 HD2 、012Al 新钢种的推广应用 。
参考文献
3 模具经济性评价浅议
高温高载荷的恶劣工作条件使气门热精锻 模 的 寿 命 很 短 ，一般加工一千多支气门便要机加工修整 。
对于生产批量 很少的气门模具 ，用 3Cr2 W 8V 钢及常规的热处理 工 艺 便 可 以实现 ，甚至还可以用档次更低的模具钢 。然而 ，纵然对于极 大批量生产制品的模具也不能说模具寿命越长越好 ，还要考
虑模具的整体经济性 。此时系统优化的目标不再是长寿命而 是生产单支气门的模具成本低 。例如离子镀氮化钛膜可能使 模具耐磨性上升几倍 ，但加工费用昂贵 ，一般不应用在气门热 锻模具中 。模具总成本除以总热锻加工气门的支数 ，得到该 种模具的单支气门成本 ，作为系统优化的评价准则 。 一般情况下 ，是否采用新材料新技术 ，从经济角度考虑大 体分成 4 种 : ①模具寿命提高而成本下降 ，这种情况是最理想 的 。例如 ，下模由总体模改为模芯加模套的二层组合模结构 , 模具寿命提高了 ，而模芯所用的热作模具钢减少至原来整体 模具重量的 40 % ，而且其热锻 、热处理 、机加工等的费用也随 之下降 。又如 ，用自动车床代替普通车床进行模腔成形加工 , 降低了粗糙度 ，提高了气门 R 位圆滑过渡质量 ，因而提高了 模具抗磨损压塌能力 。而机加工工效大大提高了 ，也降低了 模具成本 。 ②模具寿命提高的经济效益明显大于成本 的 提 高 ，这种 情 况 也 应 积 极 采 用 。例 如 , 采 用 新 的 模 具 材 料 如
HD2 、012Al 钢 , 模 具 寿 命 可 提 高 2 倍 , 其 钢 材 成 本 比 3Cr2 W 8V 钢高 约 50 % 。然 而 材 料 成 本 仅 占 模 具 总 成 本 的 10 %～20 %左右 , 特 别 是 气 门 精 锻 模 具 可 返 修 使 用 达 4 ～ 7
次 ，材料费用在总成本中所占比例更低 。 ③模具寿命提高的 经济效益明显地低于成本的提高 。例如采用离子镀 、离子注 入 、爆炸喷涂等表面处理技术的加工费用昂贵 ，不适用于气门 模具这种普通模具 。 ④模具寿命提高的经济效益与成本提高 1 李 芬 ，潘振鹏 ，王桂棠等. 012Al 钢在气门热精锻模具的应用. 锻 压技术 ,1997 . ( 3) :60～63 潘振鹏 ，黄惠平 , 谢光荣等. 气门热锻模失效分析及 H D2 钢的应 用. 模具工业 ,1998 ( 7) :44～46 陈蕴博主编. 热作模具钢的选择与应用. 北京 : 国防工业出版社.
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2 3 4 5 6 高寿命铝管冲头的研制与开发
上海交通大学国家教委高温材料及高温测试开放实验室 (上海 20030)
徐 洲 徐明纲 李 宇 潘健生
【摘要】 为了提高铝管冲头的使用寿命 ，用扫描电镜等手段对其失效原因进行深入分析 。结果表明冲头在高速冲击过程中温 度升高导致回火软化 ，造成粗大碳化物剥落 ，剥落的碳化物夹在冲头与铝管之间形成的磨粒磨损进一步加速了冲头的失效进 程 。用新型冷作模具钢 7Cr7Mo2V2 Si 代替原 Cr12Mo V 钢 ，并采用优化的淬火 、回火工艺处理使冲头寿命提高至原来的 4 倍 , 再经铁素体氮碳共渗表面强化处理 ，冲头寿命进一步提高至原来的 8 倍 。 关键词 ：铝管冲头 使用寿命
平板电视支架
Study an d Devel o pment of H igh L i f e span Punc h Pin f or A l Tube
Xu Zho u , X u Mingang ,Li Y u , P an J iansheng ( S hanghai J i ao to n g U n iversit y ,Shanghai 20030)
【Abstract 】 In o rder to imp rove t he lif es p an of p unch pin fo r Al t ube ,t he f ailure reaso n was caref u lly analyzed by SEM . It was showed
t h at high sp eed w o r k ing of p u nch pin made it s t emp erat u re raise to ab o ut 500 ℃, t h en t emp er s of t ening and p eeling off of large size car b ides were occured ,and t he large size car bides t hat enclo sed bet ween p unch pin and Al t ube accelerat ed t he f ailure p rocess of p u nch pin by “abradant wear ”. A new kind of cold w o r king d ie st eel was ad op t ed to replace Cr12Mo V t hat was used fo r merly. By op timized p rocess of quenching and t emp ering , t he lif es p an of p unch pin was en hanced t hree times. Furt her mo re , f errit e nit rocabrurizin g was ad op t ed fo r surf ace st r engt h ening ,t h e lif espan of p u nch pin was imp r o ved seven times. K ey w ords :p u nch pin ,lif esp an
徐 洲 ：男 ，工学博士 ，教授 ，主要从事金属材料高温变形与再结晶 、形变热处理 、工模具材料及热处理 、表面热处理等方面研究 ，发表论文 40 余 篇 。收稿日期 :1998 年 12 月 28 日
39
《金属热处理》1999 年第 9 期
测试与分析
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