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广西大学

专业课程设计书

设计题目：

热锻模具的破坏形式、性能要求、组织要求、材料选择及热

处理工艺设计

学院（系）材料科学与工程学院

专业材料科学与工程

班级 材料科学与工程

学号—

姓名

热锻模具的破坏形式、性能要求、组织要求、材料选择及热处理工艺设

摘要：

文章主要介绍了热锻模具的破坏形式、性能要求、组织要求、材料选择及热处理工艺设计这几方面的内容。

关键词：

热锻模具材料选择热处理工艺组织要求性能要求

一、 引言

冲压、注射、铸造、锻造等材料成形工艺属于少、无切削加工工艺，该类成形工艺与切削加工工艺相比，具有生产效率高、产品质量与稳定好、能耗与成本低等显著优点。

因而在航天航空、电子信息、仪器仪表、交通、轻工、家电、兵器等行业中得到广泛运用，是当今加工制造行业的主要生产手段。

而上述各种成形工艺都是通过模具来实现材料成形并或的所需形状的半成品或成品零件的。

因此，模具是现代加工制造业规模生产不可或缺的工艺设备，它在产品生产的各行业中发挥着极其重要的作用。

模具的制造水平已经成为衡量一个国家制造业水的重要指标热锻模具是众多模具中的重要一种，下面将对热锻模具的破坏形式、性能要求、组织要求、材料选择及热处理工艺这几个方面做一个全面的论述，让我们对热锻模具有一个全面的认识。

二、 热锻模具的工作条件及破坏形式

热锻模具是在高温下通过冲击力迫使金属成形的热作模具，热作模具是使热态金属或液态金属金属成形的模具。

热锻模具在工作过程中承受着较大的冲击力负荷、较高的单位压力、摩擦磨损及较大的热循环应力等⑵。

因此，热锻模具的主要破坏形式有变形、热疲劳、热磨损和断裂。

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（一） 变形

变形指在高温下毛坯与模具长期接触使用后模具出现软化而发生塑性变形，表现特征为塌陷。

工作载荷大、工作温度高的挤压模具和锻造模具凸起部分容易产生这类缺陷。

（二） 热疲劳

热疲劳指在环境温度发生周期性变化条件下工作的模具表面出现网状裂纹。

工作温差大、急冷急热反复速度快的热锻模具容易出现热疲劳裂纹。

（三） 断裂

断裂指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现失稳状态下的材料开裂，包括脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂和腐蚀断裂。

热锻模具的断裂（尤其是早期断裂）与工作载荷过大、材料处理不当以及应力集中等相关。

（四） 热磨损

热磨损为模具工作部位与被加工材料之间相对运动产生的损耗，包括尺寸超差和表面损伤。

模具工作温度、模具的硬度、合金元素以及润滑条件等影响模具磨损。

相对运动剧烈和凸起部位的模具容易产生磨损失效。

三、热锻模具的性能要求⑷

根据热锻模具的一般失效形式，模具选材主要考虑热硬性、强韧性、淬透性、脱碳敏感性和热疲劳性能等。

从热处理角度，主要考虑耐磨性、硬度、热处理变形和表面脱碳等。

这里将介绍几种主要的性能。

（一） 良好的热硬性

热硬性也叫红硬性，是指模具在受热或高温条件下保持组织和性能稳定，具有抗软化的能力⑸。

它主要取决于材料化学成分和热处理工艺，一般制造热锻模具的这类钢材中都含有较高的V、W、Co、Nb、Mo等高熔点和易形成多元碳化物元素。

这种碳化物的稳定性很高，在高温下仍然能保持高硬度，高强度及高耐磨性，从而提高了钢材的热硬性。

热锻模具在工作过程中模膛内表面温度会受热升温到300-450oCo因此，只有良好的热硬性钢材才能保证热锻模具在工作条件具备高强度高硬度的要求。

通常，钢的热硬性用回火保温4h,硬度降到45HRC时的最高加热温度表示。

这种方法与材料的原始硬度有关，有资料将达到预定强度级别的钢加热，保温2h,使硬度降到一般热锻模失效硬度35HRC的最高加热温度定为该钢稳定性指标。

对于因耐热性不足而堆积塌陷失效的热作模具，可以根据热稳定性预测模具的寿命水平。

（二） 高的强度和良好的韧性⑹

强度即钢材在服役过程中，抵抗变形和断裂的能力。

对于模具来说则是整个型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。

韧性是模具钢的一种重要性能指标，韧性决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力。

材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。

主要根据模具的承载要求考虑，钢的晶粒度，碳化物的数量、形态、大小、分布以及残余奥氏体的含量等对模具的强度和韧性有很大影响。

它主要取决于钢材的化学成分、冶金质量（如气体含量、夹杂物、S和P含量等）、组织状态（合理的球化退火，改善组织的均匀性和碳化物的形态）和热处理工艺合理运用。

由于热锻模具在工作过程中受到强烈的冲击力负荷和大的单位压力，因此热锻模具必须应具备高的强度和良好韧性的配合，才能保证热锻模具在工作过程中不开裂不变形及良好的尺寸稳定性。

热锻模具钢的晶粒度应该细小，碳化物数量不宜过多，应呈颗粒状均匀弥散分布。

有少量的残余奥氏体可以提高钢模具的韧性。

热锻模具钢应选用优质的合金钢，才能更好的保证模具高的强度和良好的韧性。

韧度一般通过冲击韧度来体现，影响冲击韧度的因素很多。

不同材质的模具钢冲击韧度相差很大，即使同一种材料，因组织状态不同、晶粒大小不同、内应力状态不同冲击韧度也不相同。

通常是晶粒越粗大，碳化物偏析越严重（带状、网状等），马氏体组织越粗大等都会促使钢材变脆。

温度不同，冲击韧度也不相同。

一般情况是温度越高冲击韧度值越高，而有的钢常温下韧性很好，当温度下降到零下20~40°C时会变成脆性钢。

为了提高钢的韧性，必须采取合理的锻造及热处理工艺。

锻造时应使碳化物尽量打碎，并减少或消除碳化物偏析，热处理淬火时防止晶粒过于长大，冷却速度不要过高，以防内应力产生。

模具使用前或使用过程中应采取一些措施减少内应力。

（三） 高的淬硬性和良好的淬透性E

淬硬性是指材料淬火后所能够达到的硬度范围，主要与材料的碳含量有关。

而淬透性是指材料在淬火后得到马氏体组织的能力，它主要取决于钢的化学成分。

根据模具使用条件各有侧重，如对要求表面高硬度的冲裁模具，淬硬性显得更重要，对于要求整个截面具有均匀一致性能的热锻模具，则淬透性更重要。

热锻模具在工作过程中受到严重的磨损，具有高的淬硬性的热锻模具钢热处理后具有高的硬度从而能保证模具的耐磨性。

具有良好的淬透性的热锻模具钢热处理后能保证得到均匀的组织和性能。

（四） 高的热疲劳抗力⑻

热疲劳是在模具温度发生温度发生循环变化的条件下，模具受到循环热应力的作用，以致在模具的工作面上出现裂纹。

当裂纹的数量多时，会呈现网状，类似龟裂。

热疲劳裂纹时一种表面裂纹，一般较浅。

但热疲劳的出现会加快模具的磨损，并常常成为模具脆性断裂及机械疲劳断裂的裂纹源。

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°C-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一定次数后测定裂纹长度来确定。

热疲劳抗力高的材料不易发生热疲劳裂纹，或当裂纹萌生后，扩展量小、扩展缓慢，出现裂纹的几率会迅速减少，断裂破坏也因此而减少。

（五） 高的抗回火稳定性

回火稳定性指随回火温度升高，材料的强度和硬度下降快慢的程度，也称回火抗力或抗回火软化能力。

通常以钢的回火温度-硬度曲线来表示，硬度下降慢则表示回火稳定性高或回火抗力大。

回火稳定性也是与回火时组织变化相联系的，它与钢的热稳定性共同表征钢在高温下的组织稳定性程度，表征模具在高温下的变形抗力。

具备高的耐回火稳定性能保证模具有足够的高温硬度和高温强度。

（六） 良好的抗氧化能力

实际使用表明，模具材料抗氧化性能的优劣，对模具使用寿命影响很大。

因氧化会加剧模具工作过程中的磨损，导致模具型腔尺寸超差而报废。

氧化还会使模具表面产生腐蚀沟，成为热疲劳裂纹起源.加剧模具热疲劳裂纹的萌生与扩展。

因此，要求模具具备一定的抗氧化性能。

具备良好抗氧化能力能保证模具摸膛质量和零件表面质量稳定良好。

（七） 断裂韧度⑼

断裂韧度是材料抵抗裂纹失稳的能力，具备良好的断裂抗力、断裂韧度能提高模具抵抗裂纹扩展的能力，从而减少发生断裂的可能，提高了模具的寿命。

（八） 硬度

热锻模具钢的硬度主要取决于马氏体中溶解的碳量（或含氮量），马氏体中的含碳量取决于奥氏体化温度和时间。

当温度和时间增加时，马氏体中的含碳量增多马氏体硬度会增加，但淬火加热温度过高会使奥氏体晶粒增大，淬火后残留奥氏体量增多，又会导致硬度下降。

因此，为选择最佳淬火温度，通常要先作出该钢的淬火温度一晶粒度一硬度关系曲线。

马氏体中的含碳量在一定程度上与钢的合金化程度有关，尤其当回火时表现更明显。

随回火温度的增高，马氏体中的含碳量在减少，但当钢中合金含量越高时，由于0弥散的合金碳化物折出及残留奥氏体向马氏体的转变，所发生的二次硬化效应越明显，硬化峰值越高。

四、热锻模具的组织要求“°'

高韧性热锻模钢有5CrNlnMo、5CrNiMo,4Cr5MoSiV（Hll）等。

退火组织为片状珠光体和铁素体。

常有严重的元素偏析。

强韧兼备的热模具钢有4Cr5MoSiVl（H13）、4Cr3Mo3VNb（HM3）、4Cr3Mo2MnVB、4Cr3Mo3W4VNb（GR）等，高热强钢有3Cr2W8V、4Cr3Mo2MnVNbB（Y4）>4Cr5Mo2MnVSi（Y10）等。

其他热作模具钢属共析或过共析钢。

退火组织为点状及细粒状珠光体和共晶碳化物。

它们的共晶碳化物属亚稳定共晶碳化物。

要求是均匀、细小和圆整的碳化物，不允许大块或呈链状、带状分布。

由于多种合金元素的加入，热模钢的冶金质量较难控制，钢材中的碳氮化合物及夹杂物检验均是至关重要的。

热作模具钢金相检验采用的主要标准是，YB9-1968《铭轴承钢技术条件》，ZJB36003-1987《工具钢热处理检验》和GB/T1299-2000〈合金工具钢技术条件》。

（一）高韧性热锻模钢

1,原材料带状组织最好不超过2级。

2,碳化物偏析带主要针对H11钢，按技术条件验收。

3,热处理组织马氏体针长为W4级。

用回火托氏体和回火索氏体的模具，应注意组织不均匀和回火不均匀，出现上贝氏体时，说明有过热现象，用回火马氏体、回火托氏体和少量碳化物的模具，应注意碳化物偏析引起的组织不均匀现象。

4,碳化物网主要针对H11钢，模坯的碳化物网要求W2级。

5,球化质量主要针对H11钢，按技术条件检验。

（二）强韧兼备的热作模具钢和高热强钢

1.共晶碳化物不均匀性用做热作模具的大多是共析钢或过共析钢，并且合金元素含量较高，碳和其他合金元素扩散均匀比较困难，较严重的元素偏析就可能导致亚稳定的共晶碳化物出现。

一般可采用高温长时间的扩散退火方法消除。

如果共晶碳化物数量多并集聚成链或带，将会造成严重危害。

因此应采用《铭轴承钢技术条件》中有关碳化物液析的评定标准及相应的技术条件进行检验，以更使模具钢的质量得到控制。

2.球化质量按技术条件检验。

3.碳化物网碳化物网的形成主要原因是：

锻后缓冷、退火过热、高温加热空气淬火和高温分级淬火。

要求模坯碳化物网M2级。

4.碳化物偏析带按技术条件检验。

5.热处理组织淬火后马氏体针长W4级，晶粒度要细于8级。

马氏体针长M2级时，其晶粒度要细于9级。

采用回火马氏体、回火托氏体、剩余碳化物和共晶碳化物的模具，应注意有无晶界碳化物网。

共晶碳化物若呈带状或有碳化物偏析带，将使淬火回火组织不均匀。

一般能在1000倍放大下分辨出回火马氏体、回火托氏体和回火索氏体。

3Cr2W8V钢

在回火后有时会出现宽晶界，应注意与二次网状碳化物的区别，具有宽晶界组织模具脆性倾向大。

五、热锻模具材料的选择

在选择材料时，应根据热锻模具的具体工作条件合理选用，所选择的材料必须要满足工作条件下的性能要求。

下表为两种主要模具常用选材⑷。

下面介绍常见的几种热锻模具钢材。

（一） 5CrMnMo钢皿

5CrMnMo钢属非