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技术领域

本发明涉及模具加工技术领域，更具体地说，涉及一种汽车一轴锻造模具的加工方法。

背景技术

汽车一轴是位于变速箱里的一根轴，与离合器相连，其功能是将汽车发动机的动力通过 离合器的控制输入到变速箱里。为了使一轴具有良好的力学性能，通常是通过锻造配合机加 工方式加工一轴。

目前加工汽车一轴所示用模具钢多为H13钢，执行标准GB/T1299—2000，牌号为 4Cr5MoSiV1；H13的化学成分为(质量分数％)：C：0.32～0.45、Si：0.80～1.20、Mn： 0.20～0.50、Cr：4.75～5.50、Mo：1.10～1.75、V：0.80～1.20、P≤0.030、S≤0.030，余 量为Fe。利用标准这种模具钢，采用普通加工工艺所加工出的一轴锻造模具可制造锻件3000 件左右，热作模具在工作中承受着很大的压力和冲击载荷作用，而且冲击频率很高，模腔和 高温金属接触，还要经受反复的加热和冷却，在时冷时热状态下，容易使模具的工作表面产 生热疲劳裂纹，另外炽热金属被强制变形时，与模具型腔表面摩擦，模具极易磨损并且硬度 极低，因此，如何提高模具的使用寿命是本行业内的一大难题。

中国专利申请号：201210139562.5，申请日：2012年5月8日，发明创造名称为：汽车 锻件模具钢H13的热处理工艺，该申请案公开了一种汽车锻件模具钢H13的热处理工艺， 包括以下工艺步骤：(1)将模具钢装入温度＜300℃的加热炉，升温至760～780℃，通入保 护气氛；(2)先将加热炉升温至820～850℃进行第一阶段热处理；再将加热炉升温至 1020～1050℃进行第二阶段热处理；(3)将模具钢在160～180℃的淬火硝盐炉中进行冷却，冷 却时间为1.5～2.5小时；然后自然冷却至120～160℃，冷却时间为1.5～2.5小时；(4)将淬火 冷却后的模具钢在530～600℃进行回火处理，保温时间为5～9小时，再自然冷却至室温；(5) 重复步骤(4)2～3次，即完成模具钢的热处理过程。

中国专利申请号：201310255720.8，申请日：2013年10月16日，该申请案公开了一种 H13钢水冷热处理工艺，淬火冷却时采用空-水-空-水的间隙冷却方式，通过控制好最初 在空气中的预冷时间和初始水温，达到降低工件入水温度及减缓淬火冷却烈度的目的，再通 过将工件提出水面在空气中冷却100～200S，使工件内外温度均匀，淬火结束后及时入回 火炉回火，通过高温加热和保持，使组织转化完全。

上述热处理方式虽然经过多次回火处理，但在使用过程中发现锻造莫寿命并没有得到明 显提高，其加工过程有待进一步改进。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中锻造模具使用寿命短的不足，提供了一种汽车一轴锻 造模具的加工方法，本发明的技术方案，通过对材料成分及热处理工艺的改进，使得锻造模 具的机械性能得到改善，组织晶粒得到细化，提高了锻造模具的使用寿命。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种汽车一轴锻造模具的加工方法，其加工步骤为：

步骤1、原料准备，使用圆棒毛坯准备锻打；

步骤2、对材料进行三墩三拔的锻打处理，圆棒毛坯与锻打后毛坯的锻造比为3.8～4。

步骤3、对锻造毛坯在580～600℃进行退火处理，炉冷24h；然后进行机加工，预留1mm 余量；

步骤4、对机加工后的工件进行热处理，该热处理包括一次淬火和三次回火；

步骤5、对热处理后的工件进行精加工和磨削而处理，然后进行第四次回火。

作为本发明更进一步的改进，步骤1中所述圆棒毛坯的组分按重量百分比计为：C： 0.40～0.43％，Si：1.00～1.14％，Mn：0.38～0.45％，S：≤0.010％，P：≤0.030％， Cr：5.00～5.30％，Ni：0.070～0.120％，Cu：0.010～0.035％，Mo：1.10～1.35％，其 余量为Fe。

作为本发明更进一步的改进，所述圆棒毛坯的组分按重量百分比计为：C：0.41％，Si： 1.08％，Mn：0.42％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cr：5.2％，Ni：0.08％，Cu：0.010％， Mo：1.25％，余量为Fe。

作为本发明更进一步的改进，步骤2中三墩三拔的加工过程为：将毛坯加热到 1080～1140℃进行第一次墩粗、拔长锻打；然后将毛坯加热到810～910℃，进行第二次墩粗、 拔长锻打；二次锻打后把工件加热到850～900℃，进行第三次锻墩粗、拔长锻打。

作为本发明更进一步的改进，步骤4中淬火处理为：淬火温度为1020～1050℃，保温2h 后进行油冷，检测HRC硬度达57～58。

作为本发明更进一步的改进，所述的三次回火过程为：第一次回火时温度为580～600℃， 保温3小时后空冷，检测HRC硬度达53～54；第二次回火时温度为880～600℃，保温3h后空 冷，检测HRC硬度达47～48；第三次回火时温度为580～590℃，保温3h后空冷，检测HRC 硬度达46～47。

作为本发明更进一步的改进，第四次回火温度为580～～590℃，保温2h后空冷，去除切 削应力，检测HRC硬度达46～47。

作为本发明更进一步的改进，所述Cr与Mo的含量之和为6.2～6.5％。

作为本发明更进一步的改进，所述Cu与Ni的含量之和不大于0.14％。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种汽车一轴锻造模具的加工方法，采用三墩三拔锻打工艺，能够更大程 度上打碎钢中的碳化物和消除其方向性，从而满足锻件的抗冲击性能以及硬度、耐磨性的需 要。圆棒毛坯与锻打的成型毛坯的锻造比为3.8～4，易于使材料内部的组织均匀化；

(2)本发明的一种汽车一轴锻造模具的加工方法，经多次反复回火，残余奥氏体减少， 不仅使工件性能稳定，同时在每次加热过程中将上一次转变成的马氏体又进行了回火，通过 多次回火的配合作用，最终使工件的硬度逐步降低到HRC46～47；第四次回火能够消除精加 工过程中形成的切削应力，而且保温时间仅为两小时，在消除应力的同时，对模具的硬度不 会有影响。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种汽车一轴锻造模具的加工方法，其加工步骤为：

步骤1、原料准备，使用圆棒毛坯准备锻打，圆棒毛坯的组分按重量百分比计为：C： 0.43％，Si：1.10％，Mn：0.42％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cr：5.0％，Ni：0.08％， Cu：0.010％，Mo：1.25％，余量为Fe。

步骤2、对材料进行三墩三拔的锻打处理，圆棒毛坯与锻打成型后毛坯的墩粗锻造比为 3.8；

其具体锻打过程为：将毛坯加热到1090℃进行第一次墩粗、拔长锻打，锻造比为1.7， 该锻造比为经过一次墩粗、拔长加工后的高度比；然后将毛坯加热到860℃，进行第二次墩 粗、拔长锻打，锻造比为1.6；二次锻打后把工件加热到860℃，进行第三次锻墩粗、拔长锻 打，锻造比为1.4。

步骤3、对锻造毛坯在580℃进行退火处理，炉冷24h；然后进行机加工，预留1mm余 量；

步骤4、对机加工后的工件进行热处理，该热处理包括一次淬火和三次回火；

淬火：淬火温度为1040℃，保温2h后进行油冷，检测HRC硬度达57～58。

三次回火：

第一次回火时温度为596℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达53～54；

第二次回火时温度为596℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达47～48；

第三次回火时温度为590℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达46～47。

步骤5、对热处理后的工件进行精加工和磨削而处理，然后进行第四次回火。

第四次回火温度为585℃，保温2h后空冷，去除切削应力，检测HRC硬度达46～47，精 加工后的工件外部存在一定的切削应力，通过第四次回火可以去除应力，提高力学性能。

实施例2

本实施例的一种汽车一轴锻造模具的加工方法，其加工步骤为：

步骤1、原料准备，使用圆棒毛坯准备锻打，圆棒毛坯的组分按重量百分比计为：C： 0.41％，Si：1.08％，Mn：0.42％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cr：5.2％，Ni：0.08％， Cu：0.010％，Mo：1.25％，余量为Fe。

步骤2、对材料进行三墩三拔的锻打处理，圆棒毛坯与锻打后毛坯的锻造比为4；

其具体锻打过程为：将毛坯加热到1100℃进行第一次墩粗、拔长锻打，锻造比为1.8； 然后将毛坯加热到900℃，进行第二次墩粗、拔长锻打，锻造比为1.6；二次锻打后把工件加 热到860℃，进行第三次锻墩粗、拔长锻打，锻造比为1.4。

步骤3、对锻造毛坯在588℃进行退火处理，炉冷24h；然后进行机加工，预留1mm余 量；

步骤4、对机加工后的工件进行热处理，该热处理包括一次淬火和三次回火；

淬火：淬火温度为1040℃，保温2h后进行油冷，检测HRC硬度达57～58。

三次回火：

第一次回火时温度为594℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达53～54；

第二次回火时温度为596℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达47～48；

第三次回火时温度为585℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达46～47。

步骤5、对热处理后的工件进行精加工和磨削而处理，然后进行第四次回火。

第四次回火温度为590℃，保温2h后空冷，去除切削应力，检测HRC硬度达46～47，精 加工后的工件外部存在一定的切削应力，通过第四次回火可以去除应力，提高力学性能。

实施例3

本实施例的一种汽车一轴锻造模具的加工方法，其加工步骤为：

步骤1、原料准备，使用圆棒毛坯准备锻打，圆棒毛坯的组分按重量百分比计为：C： 0.42％，Si：1.08％，Mn：0.41％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cr：5.0％，Ni：0.10％， Cu：0.009％，Mo：1.25％，余量为Fe。

步骤2、对材料进行三墩三拔的锻打处理，圆棒毛坯与锻打后毛坯的锻造比为4；

其具体锻打过程为：将毛坯加热到1100℃进行第一次墩粗、拔长锻打，锻造比为1.8； 然后将毛坯加热到880℃，进行第二次墩粗、拔长锻打，锻造比为1.6；二次锻打后把工件加 热到880℃，进行第三次锻墩粗、拔长锻打，锻造比为1.4。

步骤3、对锻造毛坯在590℃进行退火处理，炉冷24h；然后进行机加工，预留1mm余 量；

步骤4、对机加工后的工件进行热处理，该热处理包括一次淬火和三次回火；

淬火：淬火温度为1050℃，保温2h后进行油冷，检测HRC硬度达57～58。

三次回火：

第一次回火时温度为600℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达53～54；

第二次回火时温度为600℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达47～48；

第三次回火时温度为585℃，保温3h后空冷，检测HRC硬度达46～47。

步骤5、对热处理后的工件进行精加工和磨削而处理，然后进行第四次回火。

第四次回火温度为590℃，保温2h后空冷，去除切削应力，检测HRC硬度达46～47，精 加工后的工件外部存在一定的切削应力，通过第四次回火可以去除应力，提高力学性能。

常规热锻模采用H13材料制造，它们的热处理淬火、回火后使用硬度在HRC＝44～48。 当模具硬度HRC＞48时，模具的硬度、耐磨性得到提高，但是抗冲击性能明显下降，模 具的整体强度下降。所以在锻造生产中造成模具容易开裂，模具直接报废。当模具硬度 HRC＝43～45时，模具的整体强度、抗冲击性能明显上升，但是模具的硬度、耐磨性又下降， 特别是在模具的型腔部分。所以在锻造生产中造成模具型腔尺寸、形状发生变化，直接影响 到锻件的质量。模具的一次性寿命就大幅度的降低，经过型腔二次、三次的翻新加工，模具 的寿命不会有改变。模具制造的成本大幅度增加，锻件的质量不稳定。

对于如何提高模具的使用寿命，也是本发明所要解决的关键问题。在本发明中，采用三 墩三拔锻打工艺，能够更大程度上打碎钢中的碳化物和消除其方向性，从而满足锻件的抗冲 击性能以及硬度、耐磨性的需要。圆棒毛坯与锻打的成型毛坯的锻造比为3.8～4，如果锻造比 过大，随着锻造截面比的增大，形成明显的纤维组织，使横向力学性能的塑性指标急剧下降， 导致锻造件的各向异性；若锻造截面比选择过小，锻件达不到性能要求。而本发明采用三墩 三拔技术，每次墩粗后再进行拔长，拔长的长度相对于原长度有一定的压缩，经过三次加工 得到最终的成型锻造比，该过程使钢材内部碳化物被充分打碎，消除了方向性，模具钢性能 得到改善。

本发明中的模具材料，如实施例中的材料各组分按重量百分比的组成：C：0.41％，Si： 1.08％，Mn：0.42％，S：≤0.010％，P：≤0.015％，Cr：5.2％，Ni：0.08％，Cu：0.010％， Mo：1.25％，余量为Fe；在该组成比例中，钼(Mo)能够提高钢的抗回火性和回火稳定性， 使零件可以在较高温度下回火，并能够增加对开裂、磨损的抗力。

铬(Gr)能增加钢的淬透性并有二次硬化作用，可提高钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆； 在多次回火过程中，Cr与Mo的含量之和为6.2～6.5％，铬与钼的共同作用使模具钢的淬火硬 度以较小的值变化。该变化与回火的次数与回火温度相关，如果只是在该温度范围内，次数 不足或者是时间太短，都容易导致回火不充分，一方面是应力没有充分消除，另一方面导致 硬度不合格，过高或过低都不利于提高锻造模的使用寿命。

锰(Mn)是模具钢中重要合金元素，可形成含锰的合金渗碳体，能降低珠光体转变时候 合金渗碳体的形核和长速，提高淬透性；同时，锰又是奥氏体形成元素，降低珠光体的转变 温度，故而增加锰的含量可阻碍珠光体的转变，有利于珠光体层片间距的减小。

镍(Ni)在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺性能的损害较其他合金 元素的影响小，镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。本发明的一轴模具主 要用于汽车一轴的锻打成型制造，加入镍后，模具钢的疲劳抗力增加，可增加其抗击打次数； 钢的缺口敏感性减小，延长了模具的使用寿命。铜(Cu)在多数钢中都是作为杂质而存在， 难以有效去除，但如果能够控制其含量，将大大改善钢的性能。铜(Cu)具有改善合金钢抗 大气腐蚀的性能，特别是和磷配合时，加入铜还能提高钢的强度和屈服比。由于铜与镍的作 用具有一定的相似性，两者的含量之和不超过0.14％，防止含量过高而导致热变形影响。

本发明的锻造模具通过3次回火，能够消除淬火应力，降低残余奥氏体含量，促使淬火 马氏体转变为回火马氏体更充分。在一次回火过程中，马氏体和残留奥氏体析出形成细粒碳 化物，使残留奥氏体中的碳含量降低，导致工件Ms点温度(马氏体转变的开始温度)升高， 这样可以在每一次加热后的冷却过程中，使残留奥氏体更易转变成马氏体，铬与钼的在热处 理时保证回火的稳定性，淬火硬度逐步降低；经多次反复回火时，残余奥氏体减少，不仅使 工件性能稳定，同时在每次加热过程中将上一次转变成的马氏体又进行了回火，通过多次回 火的配合作用，最终使工件的硬度逐步降低到HRC46～47；第四次回火能够消除精加工过程 中形成的切削应力，而且保温时间仅为两小时，在消除应力的同时，对模具的硬度不会有影 响。

本发明的热处理方法与材料间相互配合，通过对材料的改进来改善模具钢的性能，但模 具钢性能的改善还依赖于锻打方法和热处理方法，通过三墩三拔，主要在物理成面改善了性 能；通过四次回火处理，改善了模具钢内部的金相组织，各元素间的各种性能得以释放展现， 使模具钢的硬度、强度、抗击打能力等性能有所提高。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所以，如果本领 域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该 技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。