第一章绪论
1.1选题目的与意义
近些年来汽车行业得到高速发展，各汽车整机的生产厂商都不断加大产品的开发投入。为了适应不断提高的排放标准和动力性能，作为整机的核心—素有汽车心脏之称的内燃机也成了研制开发的重中之重。气门是内燃的关键件之一，在机车运转情况下，气门承受着高温腐蚀和多种高温交变应力，其质量直接关系内燃机的正常工作和安全。随着整机厂对内燃机的品质要求越来越高，相应主机配套产品的内燃机气门的要求也就越来越高。目前为了提高气门的寿命和品质，在世界汽车制造行业范围内奥氏体高温合金材料逐步被广泛推广应用，同时内燃机汽门外观要求亦越来越高，而为了提高效率和节约成本，现在的气门要求部分锻造面成形后不再加工，直接达到外观要求，因而对锻造质量要求大幅提高，非加工面必须精密成型。气门基本都采用精密锻造成型，锻造过程中，奥氏体高温合金的气门锻件毛坯通常加热至1200℃以上，入模锻造，然后顶出脱模，工作节拍为8-10秒，脱模后模具表面以雾状喷洒冷却介质，因此在模具表面形成了200-800℃的急冷急热的热循环。模具使用过程中，模具局部将被加热到500-600℃，从这里可以看出该模具工况十分恶劣，对模具材料的热稳定性能和耐热疲劳性能以及高温强度都要求很高。
目前，国内主要采用H13和3CrZWSV来制作气门精锻模，但在使用过程中，往往因为热磨损和塌陷失效，同时还伴有热疲劳和开裂失效;3CrZWSV往往因为开裂、热疲劳失效，同时还伴有热磨损和塌陷，模具寿命低下，严重影响气门生产效率和锻件精度。近年来，为了提高气门精锻模的寿命，先后试用了进口材料如ASSABvIDAR、ASSAB8407，以及国内开发较为成熟的HMI、HM3、等模具钢。其中，模具使用寿命最高的是HMI。但是HMI最终失效形式也是磨损(塌陷)、热疲劳和开裂，因此，本论文根据气门精锻模的失效形式，在HMI的基础上，拟通过调整C、Mo含量，添加高温性能更好的合金元素W和Nb等来优化合金成分;同时，本论文在合金成份优化的基础上，还通过优化热处理工艺，提高气门精锻模具的综合性能。
某汽车配件生产气门毛坯所使用热锻模结构如图1-2所示，其上模结构简一单，下模由模芯、模套、模座和垫板组成。气门锻件的成型工艺流程如下:下料—粗墩制坯—毛坯加工—加热毛坯大头(感应加热方式局部加热)—入模精锻成型—出模切边。生产时气门棒料一端经电热墩被墩成蒜头状，如图1-1(b)所示，其温度高达1150-1250’C，随后它被放入锻模的下模芯中，上模随摩擦压力机滑块缓慢压下，棒料的蒜头部分被锻成形而得到。精锻时，模具下模芯会在圆弧部位及其周围区域发生表面磨损和压塌，表面磨损是由于模具与工件相应部位在锻造中相互摩擦造成的。而压塌则是模具与炽热工件接触，加上成形时摩擦生热，使模具圆弧部位及周围区域表面温度达到，而回火软化，硬度强度不断下降，而导致模具材料在服役时沿垂直表面的方向向内蠕动及沿圆弧方一向由上而下蠕动，多次锻造效果累积便发生磨损和压塌。另外，为了减轻回火软化和摩擦在每支气门锻造前用水剂石墨等来冷却润滑模具，由于急冷急热在圆弧部位可能出现冷热疲劳裂纹，模具圆弧部位磨损、冷热疲劳裂纹或压塌达到一定程度将使气门精锻毛坯位附近加工余量不足而报废。有些高级气要求部位保留锻造热加工流线而不允许机加工切削又要求有高的外观质量，模具圆弧部位的磨损、冷热疲劳裂纹或压塌对外观都有较大的影响。因此，热锻模，实际指下模芯通常失效形式为磨损、压塌和热疲劳。
第二章实验方法
2.1实验用钢的制备
本项目实验用钢在成分优化实验过程中采用skg中频感应电炉，氧化法熔炼工艺熔炼实验用钢，当钢液温度达到1600℃时，插入铝进行脱氧后出钢，采用冲入法对钢液进行孕育、变质与净化处理，然后在砂型中浇注楔形试样。在成分确定后进入现场试验过程中采用2T中频感应电炉，钢包底部吹氢，出钢后浇铸成电极棒，接电渣重熔方法精炼，经改锻加工成实验所需产品。本项目所选用的新型模具材料成分如表2-2所示。
U形缺口试样的冲击试验在、IB3OB型冲击试验机上进行。摆锤能量3OJo试样尺寸为:10Inlnx10二x55mln，U形缺口，R级二;U形缺口室温冲击试验按GB21O6-80进行。U形缺口冲击韧性值在生产中长期使用，积累了大量的数据，实践证明能反映材料的缺口敏感性，能较正确地反映材料的表面状态、冶金缺陷和显微组织的变化。有缺口试验主要缺点是冲击能量的吸收受到试样制备的影响，尤其是缺口的精度影响，试验数据离散相当大。无缺口冲击韧性往往被视作材料的延展性，延展性是材料在发生延展断裂前积累塑性变形的能力，产生开裂前所需的塑性12d1212dl2应变越多，材料的延展性越高，这对于热作模具钢是一项非常重要的性能。无缺口冲击试样按照NADACA#207-2003标准加工成xIOmm又55mm，无缺口。高温冲击实验设备采用JCSJ30O-1型数字化多用途冲击实验机，该试验机的主机符合150、ASTM及DIN等国际标准，软件按照最新版150200014566要求编写，试验的摆锤高度为1.558m。
第三章 新型热作模具钢的成分优化.................... 34-47
3.1 合金成分设计依据 ........................................34-35
3.2 合金成分设计方案 ....................35-37
3.2.1 碳元素和铬元素的选择.................... 35-36
3.2.2 钼、钒、钨的选择.................... 36
3.2.3 微合金化元素Nb的选择 ....................36-37
3.3 新型热作模具钢的性能 ....................37-44
3.4 新型热作模具钢的回火显微组织 ....................44-46
3.5 本章小结 ....................46-47
第四章 新型气门精锻模具钢(RJD钢).................... 47-59
4.1 RJD钢的C曲线.................... 47-48
4.2 不同淬火工艺对RJD钢性能的影响 ....................48-50
4.3 不同回火工艺对RJD钢性能的影响.................... 50-52
4.4 不同热处理工艺条件下RJD钢性能.................... 52-58
4.5 本章小结 ....................58-59
第五章 新型气门精锻模具钢(RJD钢)的实际....................59-63
5.1 使用寿命的比较和总结 ....................59-60
5.2 模具失效分析结果.................... 60-61
5.3 本章小结.................... 61-63
结论
本研究开发的新型热作模具钢的推荐化学成分(wt.%)为:C:0.35-0.45，Cr:2.5-3.5，Mo:1.9-2.2，51:0.1-0.3，V:0.8~1.0，W:3.5~4.5，Mn:0.4-0.6，Nb:0.1。并命名为RJD钢，专用于气门热精锻。RJo钢的冲击韧性为9-24)/emZ左右，11ZooC淬火，600-6200C回火硬度(HRC)为53左右，能很好满足气门热精锻成形模具的使用要求。其回火组织主要为板条状马氏体，其次为马贝复相和少量析出碳化物。回火温度选择在600-620，其高温综合性能最佳。本研究得出，在6200C保温50h的抗氧化性实验中，RJD钢比H13钢和ASSAB84O7钢具有更优良的抗氧化能力。
本实验得出，在620℃保温Zlh的热稳定性实验中RJD钢比H13钢和ASSAB84O7钢具有更优良的热稳定性。通过现场生产试验得出RJD钢比3CrZWSV、4Cr5MosiVI具有更突出的高强韧性能，适用于对模具强韧性要求高的场合。气门件高精密热成型实际生产咋，，分别采用3CrZWSV、4Cr5MosiVI及本文RJD钢，RJD钢克服了模具开裂、崩塌等早期失效问题，实际使用寿命最长，模具平均寿命达到8000-10000次，寿命显著提高，基本解决模具早期失效问题。
参考文献
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