热作模具材料及热处理热作模具材料及热处理Word格式文档下载.docx
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所以，应采用合理的锻造及热处理方法和工艺参数.防止碳化物偏析和晶粒粗大，减少淬火应力，提高钢的韧性。
断裂韧度则表征了裂纹纹失稳扩展的抗力，对热作模具还要求具有另外一些特殊的性能。
（4）热稳定性
热稳定性表征钢在受热过程中保持组织和性能稳定的能力。
通常，钢的热稳定性可用回火保温4h,硬度降到45HRC时的最高加热温度表示。
对于原始硬度低的材料，也可用保温2h,使硬度降到35HRC（一般热作模具堆积塌陷失效的硬度）的最高加热温度定为该钢的热稳定性指标。
（5）回火稳定性
回火稳定性是指随回火温度的升高，材料的强度和硬度下降的快慢程度，也称为抗回大软化能力。
通常以钢的“回火温度＆硬度”变化曲线表示。
它与热稳定件共同表征模具在高温下的变形抗力。
（6）热疲劳抗力
热疲劳抗力表征了材料热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展速率:
热疲劳通常以20—750°
C条件下反复加热冷却时所发生裂纹的循环次数或当循环定次数后测定的裂纹长度来确定。
（7）抗热磨损与抗氧化性能
抗热磨损是热作模具的重要使用性能要求，因为绝大多数锤锻模及压力机模具都因磨损而失效。
国内已有单位在自制的热磨损机上进行热作模具钢的高温度损试验，收到较好的效果。
由于热作模具往往在较高的温度下工作，模具工作面与空气、液态金属或其他介质接触，会发生氧化，加剧模具工作过程中的磨损，并在模具表面产生腐蚀沟，成为热疲劳裂纹的起源。
因此要求模具材料具有在工作温度下的抗氧化性能。
二、热作模具材料的工艺性能要求
模具的加工费用约占普通模具成本的一半以上，模具材料的工艺性好坏，直接关系到模具材料的推广和应用。
1
锻造工艺性
钢的高温强度越低，伸长率越大，材料的锻造变形抗力越小，成形工艺性越好。
2
淬火工艺性
淬火工艺性好的模具材料容易保证淬火质量，从而充分发挥材料的性能潜力，达到设计的使用寿命要求。
3
切削工艺性
切削加工费用约占模具加工成本的90%，切削加工的难易程度将直接影响钢种的推广采用。
第二节热作模具材料及热处理
一、低耐热高韧性热作模具钢及热处理
这类钢主要用于各种尺寸的锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻模等，是在高温下通过冲击加压强迫金属成形的工具，锻模型腔与炽热的工件表面会产生剧烈摩擦。
由于在锻造过程中，模具型腔表面与被加热到很高温度的锻坯接触，使模具表面常生温到300—400°
C，有时局部可达500一600°
C。
锻模的截面较大而型腔形状复杂，因此要求钢具有一定的高温强度和良好的冲击韧度、高的硬度与耐磨件、耐热疲劳性好、淬透性大，并具有良好的导热性以利于散热，避免型腔表面温度过高而降低力学性能，此外还应具有良好的工艺性和抗氧化性。
为了满足上述性能，高韧性热作模具钢中不能含有太高的碳及碳化物形成元素，碳的质量分数应控制在0.3%—0.5%，同时加入少量的Cr、Mo、V、Ni、Mn、Si等以提高淬透性及热强性，加入少量的MO、W有助于消除高温回火脆性。
常用的高韧性热作模具钢有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV三种，试用的5Cr2NiMoV及45Cr2NiMoVSi等。
（一）5CrNiMo钢
01力学性能
5CrNiMo钢是20世纪30年代初应用至今的传统热锻模具钢，国内应用广泛。
它具有很高的淬透性，如截面300mmx400mm的锻模，自820°
C油淬和560°
C回火后，截面各处的硬度比表面仅低10-20HBS。
5CrNiMo钢的塑性、韧性良好，尺寸效应不敏感。
由于碳化物形成元素含量不高，二次硬化效应弱.故热稳定性较差，热强性不高，通常在400°
C以下工作可保持较高的强度，超过400°
C时强度便急剧下降，模具温升到550°
C时，σb与温室比较下降近一半。
022.工艺性能
5CrNiMo钢的临界点:
Ac1为730°
C;
Ac3为780°
Ms为230°
（1）锻造:
市场上供应的钢材存在着纤维组织，直径越大，偏析就越严重。
对于制造承受高负荷或大型模具的坯料，要经过各向锻造的过程.并进行锻粗和拔长，其交替进行的次数应不少于2—3次。
锻坯的加热温度为1100°
C—1150°
C,始锻温度为1050—1100°
C,终锻温度为800—850°
C,砂冷或坑冷。
（2）退火
退火工艺曲线如图4-1和图4-2所示
图4-1
5CrNiMo钢
锻轧后一般退火工艺
，图4-2
5CrNiMo钢锻轧后等温退火工艺
（3）淬火
经600—650°
C温度预热后加热到830—860°
C，保温后油淬。
5CrNiMo钢的模块如果出油温度低，容易淬裂，常在200°
C左右出油，但心部未转变成马氏体的过冷奥氏体，在回火时会转变成上贝氏体组织，冲击韧度极低，寿命短。
为此可采用等温处理的法，先将模具淬入150°
C的油中，再转入280
—300°
C硝盐浴中停留2-3h,获得“马氏体+下贝氏体+少量残余碳化物”组织，这样模具的寿命会明显提高。
（4）回火
淬火后的模具应立即移入回火炉中进行回火，回火工艺如表4-1所示。
热锻模的燕尾与模体应以不同温度回火，保证燕尾部分的韧性，避免燕尾的开裂失效。
表4-1
5CrNiMo钢的回火工艺
3.应用
很多国家在大型热锻模方面主要使用5CrNiMo钢，通用性强，大、中、小模块、深浅槽的模块均可用5CrNiM0.目前国内主要用于制造形状复杂、冲击载荷较重的大型及特大型锻模（最小边长>
400mm）。
由于5CrMnMo及新钢种的研制成功，5CrNiMo的应用范围在逐渐缩小，此钢的热强性和耐磨性也不如高强度热作模具钢，故不适宜制作受冲击力大的中、小型锻模。
（二）5CrMnMo钢
考虑到我国的资源情况，为节省镍而研制成的5CrMnMo钢。
其强度略高于CrNiMo钢，但用锰代镍降低了其在常温及较高温度下的塑性和韧性，而且5CrMnMo钢的淬透性比5CrNiMo钢的淬透性要低，过热敏感性稍大，在高温下工作时，其热疲劳性能也较差。
02工艺性能
5CrMnMo钢的临界点;
Ac1为710°
Ac3为760°
MS。
为220°
（1）锻造:
5CrMnMo钢锻造工艺参数和5CrNiMo钢相同，注意须防止模具开裂:
（2）退火:
等温退火加热温度为850—870°
C,等温温度为680°
退火后店硬度为197—241HBS.
（3）淬火：
在加热温度为840°
C—860°
C时油淬，冷却至150—180°
C出油并立即回火。
为减少变形及开裂.淬火时最好延时冷却，即先空冷到暗红色大约740—780°
C左右淬火。
（4）回火:
回火工艺如友4—2所示。
表4-2
5CrMnMo钢的回火工艺
03应用
与5CrNiMo钢相比，
由于5CrMnMo钢的淬透性及韧性均较低，只适用于制造一些对强度和耐磨性要求较高，而韧性要求不甚高的各种少、小型锤锻模具及部分压力机模块（最大边长<
也可用于工作温度低于500°
C的其他小型热作模具。
（三）4CrMnSiMoV钢
4CrMnSiMoV钢是原冶金部标准中推荐使用的5CrMnSiMoV钢的改进型。
碳的质量分数降低了0.1%，目的是在保持原有强度的基础上提高钢的韧性。
该钢无镍，但具有较高的强度、耐磨性、冲击韧度及断裂切度，其冲击韧度与5CrNiMo相近或稍低，而高温性能、抗回火稳定性、热疲劳抗力好于5CrNiMo钢，主要用于大型锤锻模和水压机锻造用模。
5CrMnSiMoV钢可以代替5CrNiMo
4CrMnSiMoV钢的临界点:
Ac1为792°
Ac3为855°
MS,为330°
C
（1）锻造
钢坯加热温度为1100-1140°
C，始锻温度为1050-1100°
C，
终锻温度>
850°
C,加热的温度和时间不宜过高过长，锻后进行砂冷或坑冷。
为减少脱碳现象，大型锻件应在锻后放入600°
C的炉内，待温度均匀后，再冷却至150-200°
然后出炉空冷。
（2）退火
等温退火加热温度为840—860°
等温温度为700—720°
（3）淬火
大型锻模的淬火温度为870—900°
C，中、小型锻模的淬火温度为900—930°
（4）回火
回火工艺如表4-3所示。
表4-3
4CrMnSiMoV钢的回火工艺
如果制作大型锻模，由于尺寸很大，淬火时的应力和变形比中、小型模具大，工作时应力分布不均匀，需要有较高的韧性，硬度选取较低。
该钢可代替5CrNiMo钢，适用于大、中型锻模，也可用于中、小型锻模，寿命明显比5CrNiMo钢高。
例如制作连杆模、前梁模、齿轮模、凸缘节模（深型模）等可提高寿命0.1—0.8倍不等，用作矫正模、弯曲模和平锻机锻模，般寿
命都比5CrNiMo高出0.5倍。
（四）5NiCrMoV钢和5Cr2NiMoVSi钢
从20世纪50年代以来，我国厚度小于250mm的模块多采用5CrMnMo钢制造，大于250mm的模块一直都用5CrNiMo钢制作。
与西方国家的常用钢号相比，碳化物形成元素含量低，热稳定性差，高温强度低，钢中不含钒，淬硬性较低，抗热磨损和抗热疲劳性能差，模具寿命短。
从20世纪80年代起，我国研制了类似钢号5NiCrMoV,推荐将5NiCrMoV钢用于大型、复杂形状、重载荷的锤锻模和压力机锻模。
5Cr2NiMoVSi钢主要添加了一定
量的钒和硅，将碳、镍、铬、铜等元素含量合理搭配，从而使得其高温强度大幅度提高，且具有更高的淬透性和热稳定性。
1.力学性能
在500°
C以下时，5Cr2NiMoVSi钢的高温强度与5CrNiMo钢相近;
而当高于600°
时，5Cr2NiMoVSi钢的强度却高出一倍以上。
热稳定性温度提高150—170°
对500mmx500mm截面的锻模，心部硬度较5CrNiMo钢高出13HRC。
2.工艺性能
5Cr2NiMoVSi钢的临界点:
Ac1为750°
Ac3为874°
Ms为243°
（1）锻造:
始锻温度为1200°
C，终锻温度为900°
C,铜坯加热温度范围较宽，锻造合格车高。
等温退火加热温度为800°
等温温度为720°
（3）淬火与回火:
淬火、回火工艺如表4-4所示。
推荐淬火温度为960—980°
型腔回火温度为630—670°
燕尾回火温度为680—700°
表4一4
5Cr2NiMoVSi钢淬火、回火工艺
5NiCrMoV钢主要用于大型锻模，代替5CrNiMo钢;
5Cr2NiMoVSi钢主要用于各类压力机模具和3t锤锻模，平均使用寿命比5CrNiMo钢提高0.5—1倍。
而10t的锤锻模可以选用45Cr2NiMoVSi钢，例如制造“75拖”大从动齿轮锻模，使用寿命比由德国进口的55CrNiMoV6钢模具提高0.5倍。
中耐热韧性热作模具钢及热处理
许多热挤压模、热镦锻模、精锻模以及锻压机、高速锤上的模具等都是在繁重的条件下工作的。
这些模具工作时需较长时间与被加工的金属相接触，受热温度往往比锤锻模具要高，特别是当加工黑色金属及难熔金属时。
这类模具尽管尺寸不是很大，往往比锤锻模要小，但承受着较高的应力，挤压比大的模具和细长的心棒承受的应力更高。
所以要求具有高的热稳定性、比较高的高温强度和耐热疲劳性以及高的耐磨性。
中等耐磨性韧性钢，主要有5wt.%的铬型热作模具钢和铬铝系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化物形成元素，其韧性及耐热性介于高韧性及高热强性热作模具钢之间。
我国从20世纪60年代开始引进开发这类钢号，用量逐渐扩大，现已成为主要的热作模具钢。
（一）含5wt.%铬的铬系热作模具钢
1.H11钢（4Cr5MoSiV）
4Cr5MoSiV钢中WV=0.4%左右，简称H11钢，其淬透性很好，直径在150mm以下的钢材可以空冷淬硬，在中温下的热强性和耐磨性都较高，韧性较好，甚至在淬火状态下也有一定的韧性，抗热疲劳性特好，因此用H11钢制作高速锤锻模非常理想，有时也用作压铸模和挤压模。
H11钢碳的质量分数为0.4%，热塑性较好，当锻制大型锻件时，先缓慢加热到750°
C,再快速加热到1120—1150°
C的锻造温度，减少氧化和脱碳;
始锻温度为1080—1120°
850°
C,锻后缓冷.并及时退火。
加热温度为880°
C，等温温度为750°
C,炉冷到500°
C以下出炉空冷，获得粒状珠光体组织，退火硬度为192—235HBS,最好在可控气氛炉中进行。
（3）淬火、回火:
淬火时不需预热，可直接加热到1000—1020°
C油淬或分级淬火，硬度约50—52HRC,经540—600°
C回火，模具硬度在40—50HRC范围内。
该钢在200°
C以上随回火温度升高，aK值下降，在500°
C左右冲击韧度最低，所以应避免在500°
C附近回火或进行化学热处理。
2.H13钢（4Cr5MoSiV1）
H13钢是国际上广泛应用的一种空冷硬化型热作模具钢，即美国钢号为ASTM-H13,日本钢号为JIS—SKD61,我国在“八.五”期间将H13钢列为国家重点推广的钢种，目前国内已经有多家钢厂在生产。
H13钠比H11钢的钒含量高，其质量分数般在1%左右，热强性和热稳定性高于H11钢。
具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不易扩展（K▽<
<
K▽C）。
可以制作热锻模或模腔温升不超过600°
C的压铸模。
H13钢的临界点:
Ac1为853°
Ac3为912°
MS为310°
（1）锻造：
锻造工艺参数与H11钢相同，但考虑到其内部存在着严重的碳化物偏析，要求锻造比大于4,以破碎亚稳定的共晶碳化物。
（2）退火：
等温退火加热到800°
C,保温2h,降温至750°
C等温2-4h,炉冷到500°
C出炉空冷，硬度为192—229HBS,锻后必须立即进行球化退火。
（3）淬火和回火：
H13钢与H11钢的不同之处在于，淬火前需经二次预热，然后加热到1020—1050°
C,油淬的硬度为53—55HRC;
也可以采用空淬或分级淬火，经560—630°
C回火，
可获得硬度40—50HRC。
H13钢的回火或化学热处理温度同样要避开500°
C，但不宜超过650°
3.4Cr5W2SiV
钢
4Cr5W2SiV钢的钒含量wv=0.6%-1.0%，
用2wt.%的钨代替1wt.%的钼，从4Cr5MoSiV1钢演变而来，性能与H13钢颇为相似，锻造、热处理工艺参数与H13钢相近。
Wcr=5%的铬系热作模具钢，在500—600°
C时具有比高韧性热锻模具钢更高的硬度、热强性和耐磨性，而韧性高于3Cr2W8V等高耐热模具钢，含有硅和铬，其抗氧化性较好，是目前国内通用性较强的热作模具钢。
对于铝型材的挤压模具，采用H13钢制造的空芯模平均寿命是12t/副，平面模寿命在15t/副以上，比原用3Cr2W8V钢延长3—5倍，用于机锻模的H11和H13钢代替5CrNiMo及3Cr2W8V钢，模具寿命提高2—3倍，
用作辊锻模具，最高寿命已达5万件,比原用3Cr2W8V钢高出3倍，在轴承行业中代替3Cr2W8V制造碾压辊，寿命提高23倍。
（二）铬钼系热作模具钢
这类钢中碳含量较低，是在国外钢号3Cr3Mo3CoV的基础上发展而来.其回火抗力及热稳定性高于5%铬系钢，冲击韧ak和断裂切度Kvc高于3Cr2W8V钢。
1.HM-1
钢（3Cr3Mo3W2V）和HM-3钢（25Cr3Mo3VNb）
HM-1钢
是参照国外H10钢（4Cr3Mo3SiV和3Cr-3Mo系的热作模具钢，结合我国资源的特点而研制的，加入2wt.%的钨形成HM-1钢。
HM-3钢则是在碳含量较低（wc=0.25%）的模具钢基础_上加入了微量的元素铝（WNb=0.08%一0.15%）,使钢保持高的强度和热稳定性。
HM-1钢的冷热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多，同时还有较高的韧性。
HM—3钢在600°
C以上的高温强度高于4Cr5W2SiV钢，但当试验温度低干600°
C时.强度不如4Cr5W2SiV钢。
HM-1钢的临界点:
Ac1为842°
Ac3为922°
Ms,为373°
HM—3钢的临界点:
Ac1为825°
Ac3为920°
Ms,为355°
加热温度为1150—1180°
始锻温度为1120—1150°
C，终锻温度≥2850°
对HM—1钢要求锻后必须缓冷，并及时进行退火。
HM—1钢采用等温球化退火，其加热温度为870°
C，等温温度为730°
C,炉冷到550°
C以下出炉空冷，退火后硬度为207—225HBS。
HM—3钢采用等温球化退火，其加热温度为860°
C，等温温度为710°
C，炉冷到550°
C以下出炉空冷。
（3）淬火和回火:
HM—1钢在1030—1120°
C范围内淬火时，可获得52—55HRC的硬度，具体工艺可根据工件要求选用。
回火温度在580—620°
C之
间选择，回火二次，每次2h。
HM—3钢的淬火温度为1080°
C，回火温度为560—630°
C,回火二次。
25Cr3Mo3VNb钢（HM-3）对
热锻成形凹模、连杆辊锻模、轴承套圈毛坯热挤压模、高强钢精锻模、小型压力机锻模、铝合金压铸模等都有良好的应用。
HM-3钢模具寿命比3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5W2VSi钢制模具提高2-10倍，可有效地克服模具因热磨损、热疲劳、热裂等引起的早期失效。
HM-1钢是目前国内研制的新钢种中工艺性能好、使用面广、具有广阔应用前景的高强韧性热作模具钢。
HM-1钢用作轴承套圈毛坯热挤压凸模、凹模，碾压辊及辊锻模均取得显著效果，模具平均寿命达1-2万件.最高达3万件以上，比原用3Cr2W8V、5CrMnMo钢等模具寿命普遍提高2一5倍，
高的达19多倍。
该钢更适宜作为压铸模的材料，在铝压铸模等应用上取得明显效果。
2.析出硬化型热作模具钢PH钢（2Cr3Mo2NiVSi）
析出硬化热作模具钢在淬火和低温回火后的硬度约为45HRC，可以加工成模具直接使用，避免热处理淬火变形及产生表面的氧化、脱碳。
模具在使用过程中表层受热升温，析出特殊碳化物MoC、VC,形成二次硬化，表而硬度可提高到48HRC,增加了高温强度和耐热性.且心部具有高的韧性。
由于组织转变层很薄，因此没有变形。
为了具有良好的切削加工性能，PH钠中加入了0.05%
—0.12%的锆等微量合金元素，使条状MnS夹杂变成纺锤状硫化物，并使铝酸盐夹杂变成球状钙铝酸盐夹杂，从而改善了钢的横向冲击韧度及切削加工性能。
PH钢的临界点:
AC1为776°
C，AC3为851°
C,MS为672°
始锻温度为1000—1100°
终锻温度≥850°
C，锻后炉冷。
780°
C
加热≤40°
C/h的速度冷却到680°
C后随炉冷却，退火后硬度为217—229HBS:
（3）淬火及回火：
淬火加热温度为990
—1020°
C，截面边长≤100mm时采用空冷，截面边长大于100mm时采用油冷。
在370—400°
C回火一次，硬度在45HRC左右。
PH钢适用于在500—600°
C范围内
工作的热锻模具，如果模具工作表面升温至525—550°
C,析出硬化后的硬度值可升到48HRC,常用于制作啮合齿轮模和连杆模等，使用寿命较H11钢提高一倍。
高耐热理热作模县钢及热处
高耐热热作模具钢主要用于较高温度下工作的热顶锻模具、热挤压模具、铜及黑色金属的压铸模具、压力机模具等。
其中压力铸造是在高的压力下，使熔融的金属挤满型腔而压铸成形，在工作过程中模具反复与炽热金属接触，因此要求具有较高的回火抗力及热稳定性。
属于此类的钢中应用得较多较早的有3个钢号:
3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V（RM—2）、5Cr4Mo3SiMnVAI（012A1）钢。
另外还有几个试用得较好的钢号:
4Cr3MoW4VNb（GB、6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2）
、4Cr3Mo2NiVNbB（HD）、
奥氏体耐热钢等。
这类钢的钨、钼含量较高，比前两类热作模具钢在高温下有更高的强度、硬度和耐磨性，组织稳定性好，但其韧性和抗热疲劳性能不及低耐热韧性热作模具钢。
（一）3Cr2W8V钢
3Cr2W8V钢是钨系高耐热热作模具钢的代表钢号。
早在20世纪20年代开始就用于生产，由于钨含量高，在温度不小于600°
C时，钢的高温强度和硬度明显要高于铬系热作模具钢。
3Cr2W8V钢的主加元素刚好是W18Cr4V高速钢的一半.因此又称为半高速钢。
含钨越高，钢的热稳定性越高，耐磨性越好。
铬能增加钢的淬透性，虽因冷热疲劳抗力差，在急冷、急热条件下工作时容易产生冷热疲劳裂纹而失效，但其抗回火能力较高，在550°
C回火时会出现二次硬化峰，淬火温度越高，二次硬化峰值的硬度越高，热强性越好。
由于W2C的析
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