常用热锻模具钢的钢号特点与应用.docx
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常用热锻模具钢的钢号特点与应用
常用热作模具钢的钢号、特点与应用
序号
类别
钢号
特点与应用
中国钢号
外国近似钢号
9
10
11
高耐热性热作模具钢
3Cr2W8V（GB/T
1299-2000）
30WCrV9（ISO）
SKD5（JIS）STD5（KS）H21（ASTM）T20831（UNS）X30WCrV9-3（EN）X30WCrV9-3（DIN）BH21（BS）X30WCrV9（NF）3X2B8Φ（ΓOCT）2730（SS）X30WCrV9-3KU（UNI）
3Cr2W8V钢含有较多的易形成碳化物的铬、钨元素，因此在高温下有较高的强度和硬度，在650℃时硬度近达300HBS，但其韧性和塑性较差。
钢材断面在,'DD以下时可以淬透。
这对表面层需要有高硬度、高耐磨性的大型顶锻模、热压模、平锻机模已是足够了。
这种钢的相变温度较高，抵抗冷热交变的耐热疲劳性良好
这种钢可用来制作工作温度较高（≥550℃）、承受静载荷较高但冲击载荷较低的锻造压力机模具（镶块），如平锻机上用的凸凹模、镶块、铜合金挤压模、压铸用模具；也可供作同时承受较大压应力、弯应力、拉应力的模具，如反挤压的模具；还可供作高温下受力的热金属切刀等
3Cr3Mo3W2V（G
/T1299-2000）
B30CrMo3（ISO）
BH10（BS）
3Cr3Mo3W2简V称HM-1，北京机电研究所、首钢特种钢公司研制。
是高强韧性热作模具钢，其冷加工、热加工性能良好，淬回火温度范围较宽；具有较高的热强性、热疲劳性能，又有良好的耐磨性和抗回火稳定性等特点。
该钢适宜制造镦锻、压力机锻造等热作模具，也可用于铜合金、轻金属的热挤压模、压铸模等。
模具使用寿命较高
5Cr4Mo2W2VSi
5Cr4Mo2W2VSi钢是一种新型热作模具钢。
此钢是基体钢类型的热作模具钢，经适当的热处理后具有高的硬度、强度、好的耐磨性，高的高温强度以及好的回火稳定性等综合性能，此外也具有一定的韧性和抗冷热疲劳性能。
该钢的热加工性能也较好，加工温度范围较宽。
适于制造热挤压模、热锻压模、温锻模以及要求韧性较好的冷镦用模具
12
5Cr4Mo3SiMnVA
l（GB/T1299-20
00）
5Cr4Mo3SiMnVA简l称012Al，贵阳钢厂研制。
该钢是一种基体钢类型的冷热两用的新型工模具钢，作为冷作模具钢，它和碳素工具钢，低合金工具钢和Cr12型钢相比有较高的韧性；作为热作模具钢，它和3Cr2W8V,-钢相比有较高的高温强度和较优良的热疲劳性能
这种钢用于标准件行业的冷镦模和轴承行业的热挤压模，使用寿命比原钢种有较大的提高；也可用于较高工作温度、高磨损条件下的热作模具
13
5Cr4W5Mo2V（G
/T1299-2000）
B
5Cr4W5Mo2简V称RM2，北京机电研究所、第一汽车制造厂（集团公司）研制。
是新型热作模具钢。
该钢有较高的热硬性，高温强度和较高的耐磨性，可进行一般的热处理或化学热处理，可暂代3Cr2W8V钢制造某些热挤压模具。
也用于制造精锻模、热冲模、冲头模等，使用寿命比3Cr2W8V.提高数倍
14
6Cr4Mo3Ni2WV
6Cr4Mo3Ni2W简V称CG-2，上海钢铁研究所研制，贵阳钢厂试生产。
是基体钢类型的新型模具钢，兼作热作、冷作模具。
该钢具有强度高、红硬性好、韧性也较好的综合性能。
与3CR2W8V钢.相比，该钢强度较好，而与高速钢对比，则韧性较好。
该钢具有较宽的热处理温度范围，灵活性大，基本上无淬裂现象。
根据模具的使用条件，可适当调整热处理工艺，如用于冷作模具可采用520-650℃回火，而用于热作模具则可选用600-650℃回火。
此钢可用于制造热挤轴承圈冲头、热挤压凹模、热冲模、精锻模，此外也可作分挤压模、冷镦模具等
该钢热加工工艺较难掌握、锻造开裂倾向较为严重，在热加工时应给予以注意
15
4Cr2Mo3SiV（GB
/T1299-2000）
H10（ASTM）T20810（UNS）30CrMoV12-11（EN）~X32CrMoV3-3（DIN）BH10（BS）~32CrMoV12-28（NF）3X3M3Φ（ΓOCT）30CrMoV12-27KU（UNI）
4Cr2Mo3SiV是热作模具钢。
该钢具有较高的热强性、热疲劳性能，又有良好的耐磨性和抗回火稳定性等特点。
该钢适宜制造热挤压模芯棒、挤压缸内套及垫块等
1.外国钢号前面的符号“~”表示相近钢号。
2.ISO-国际标准JIS-日本标准KS-韩国标准ASTM-美国标准
UNS-美国标准EN-欧共体标准DIN-德国标准BS-英国标准
NF-法国标准ΓOCT-俄罗斯标准SS-瑞典标准UNI-意大利标准锻造工艺不当产生的缺陷通常有以下几种
1.大晶粒大晶粒通常是由于始锻温度过高和变形程度不足、或终锻温度过高、或变形程度落人临界变形区引起的。
铝合金变形程度过大，形成织构；高温合金变形温度过低，形成混合变形组织时也可能引起粗大晶粒
晶粒粗大将使锻件的塑性和韧性降低，疲劳性能明显下降，
2.晶粒不均匀晶粒不均匀是指锻件某些部位的晶粒特别粗大，某些部位却较小。
产生晶粒不均匀的主要原因是坯料各处的变形不均匀使晶粒破碎程度不一，或局部区域的变形程度落人临界变形区，或高温合金局部加工硬化，或淬火加热时局部晶粒粗大。
耐热钢及高温合金对晶粒不均匀特别敏感。
晶粒不均匀将使锻件的持久性能、疲劳性能明显下降。
3.冷硬现象变形时由于温度偏低或变形速度太快，以及锻后冷却过快，均可能使再结晶引起的软化跟不上变形引起的强化（硬化），从而使热锻后锻件内部仍部分保留冷变形组织。
这种组织的存在提高了锻件的强度和硬度，但降低了塑性和韧性。
严重的冷硬现象可能引起锻裂。
4.裂纹裂纹通常是锻造时存在较大的拉应力、切应力或附加拉应力引起的。
裂纹发生的部位通常是在坯料应力最大、厚度最薄的部位。
如果坯料表面和内部有微裂纹、或坯料内存在组织缺陷，或热加工温度不当使材料塑性降低，或变形速度过快、变形程度过大，超过材料允许的塑性指针等，则在撤粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲和挤压等工序中都可能产生裂纹。
5.龟裂
龟裂是在锻件表面呈现较浅的龟状裂纹。
在锻件成形中受拉应力的表面（例如，未充满的凸出部分或受弯曲的部分）最容易产生这种缺陷。
引起龟裂的内因可能是多方面的：
①原材料合Cu、Sn等易熔元素过多。
②高温长时间加热时，钢料表面有铜析出、表面晶粒粗大、脱碳、或经过多次加热的表面。
③燃料含硫量过高，有硫渗人钢料表面，
6.飞边裂纹飞边裂纹是模锻及切边时在分模面处产生的裂纹。
飞边裂纹产生的原因可能是：
①在模锻操作中由于重击使金属强烈流动产生穿筋现象。
②镁合金模锻件切边温度过低；铜合金模锻件切边温度过高。
7.分模面裂纹分模面裂纹是指沿锻件分模面产生的裂纹。
原材料非金属夹杂多，模锻时向分模面流动与集中或缩管残余在模锻时挤人飞边后常形成分模面裂纹。
8.折叠折叠是金属变形过程中已氧化过的表层金属汇合到一起而形成的。
它可以是由两股（或多股）金属对流汇合而形成；也可以是由一股金属的急速大量流动将邻近部分的表层金属带着流动，两者汇合而形成的；也可以是由于变形金属发生弯曲、回流而形成；还可以是部分金属局部变形，被压人另一部分金属内而形成。
折叠与原材料和坯料的形状、模具的设计、成形工序的安排、润滑情况及锻造的实际操作等有关
折叠不仅减少了零件的承载面积，而且工作时由于此处的应力集中往往成为疲劳源
9.穿流穿流是流线分布不当的一种形式。
在穿流区，原先成一定角度分布的流线汇合在一起形成穿流，并可能使穿流区内、外的晶粒大小相差较为悬殊。
穿流产生的原因与折叠相似，是由两股金属或一股金属带着另一股金属汇流而形成的，但穿流部分的金属仍是一整体
穿流使锻件的力学性能降低，尤其当穿流带两侧晶粒相差较悬殊时，性能降低较明显。
10.锻件流线分布不顺锻件流线分布不顺是指在锻件低倍上发生流线切断、回流、涡流等流线紊乱现象。
如果模具设计不当或锻造方法选择不合理，预制毛坯流线紊乱；工人操作不当及模具磨损而使金属产生不均匀流动，都可以使锻件流线分布不顺。
流线不顺会使
各种力学性能降低，因此对于重要锻件，都有流线分布的要求。
11.铸造组织残留铸造组织残留主要出现在用铸锭作坯料的锻件中。
铸态组织主要残留在锻件的困难变形区。
锻造比不够和锻造方法不当是铸造组织残留产生的主要原因铸造组织残留会使锻件的性能下降，尤其是冲击韧度和疲劳性能等。
12.碳化物偏析级别不符要求碳化物偏析级别不符要求主要出现于莱氏体工模具钢中。
主要是锻件中的碳化物分布不均匀，呈大块状集中分布或呈网状分布。
造成这种缺陷的主要原因是原材料碳化物偏析级别差，加之改锻时锻比不够或锻造方法不当
具有这种缺陷的锻件，热处理淬火时容易局部过热和淬裂。
制成的刃具和模具使用时易崩刃等。
13.带状组织带状组织是铁素体和珠光体、铁素体和奥氏体、铁素体和贝氏体以及铁素体和马氏体在锻件中呈带状分布的一种组织，它们多出现在亚共折钢、奥氏体钢和半马氏体钢中。
这种组织，是在两相共存的情况下锻造变形时产生的带状组织能降低材料的横向塑性指针，特别是冲击韧性。
在锻造或零件工作时常易沿铁素体带或两相的交界处开裂。
14.局部充填不足
局部充填不足主要发生在筋肋、凸角、转角、圆角部位，尺寸不符合图样要求。
产生的原因可能是：
①锻造温度低，金属流动性差；②设备吨位不够或锤击力不足；③制坯模设计不合理，坯料体积或截面尺寸不合格；④模膛中堆积氧化皮或焊合变形金属。
15.欠压
欠压指垂直于分模面方向的尺寸普遍增大，产生的原因可能是：
①锻造温度低②设备吨位不足，锤击力不足或锤击次数不足
16.错移错移是锻件沿分模面的上半部相对于下半部产生位移。
产生的原因可能是：
①滑块（锤头）与导轨之间的间隙过大；②锻模设计不合理，缺少消除错移力的锁口或导柱；③模具安装不良
17.轴线弯曲锻件轴线弯曲，与平面的几何位置有误差。
产生的原因可能是：
①锻件出模时不注意；②切边时受力不均；③锻件冷却时各部分降温速度不一；④清理与热处理不当
热锻模具的主要失效形式有：
变形、热疲劳、热磨损、断裂四种。
（1）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。
（2）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。
（3）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。
（4）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。
3选材一般规律和热处理技术要求根据热锻模具的一般失效形式，模具选材上主要考虑热硬性、强韧性、淬透性、脱碳敏感性、热疲劳性能等。
从热处理角度：
耐磨性、硬度、热处理变形、表面脱碳等。
这里只介绍几种最主要的性能。
1、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，它主要取决于材料化学成分和热处理制度，一般这类钢材中含有较高的V,W,Co，Nb,Mo等高熔点和易形成多元碳化物元素。
2、强度和韧性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、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。
3、淬硬性和淬透性：
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直性能的热锻模具，则淬透性更重要。
当然，影响热锻模具寿命的因素很多，在选择材料时，应根据热锻模具的具体工作条件合理选用，下表为两种主要模具常用选材：
模具类型
推荐材料
一般使用硬度范围
热挤压模
3Cr2W8V（SKD5）,4Cr5MoSiV
44~55HRC（48~52HR
具
（H11,SKD6）,4Cr5MoSiV1（H13,
SKD61）,4CrMnSiMoV
具体不同模具材料的用途、使用温度范围、适用推荐硬度范围，可以参考《机械工程手册》。
4加工工艺及其对模具寿命的影响一般模具制造工艺流程：
落料、锻造+球化退火处理—机加工—淬火、回火处理—（深冷处理）—精加工（包括电脉冲加工）—研磨、抛光处理—离子氮化处理。
合理的模具制造工艺流程：
落料、锻造+球化退火处理—机加工—真空淬火、回火处理（目的减小热处理变形）—（深冷处理）—研磨、抛光处理—离子氮化处理。
2.1落料、锻造+球化退火：
钢厂提供的模具材料一般为锻坯形式或棒材，其内部组织中碳化物呈沿晶界网状分布，这种组织，如果不经过进一步的锻造加工，使用时，裂纹容易沿晶界萌生并扩张，降低模具的承载能力，最终导致模具的早期断裂。
通过锻造和随后的球化退火处理，形成均匀、细小、弥散分布的碳化物，改善模具内部的组织条件，尤其是碳化物分布，为最终热处理准备组织条件，避免局部的应力集中产生热处理开裂，同时有助于提高模具的寿命，解决断裂和龟裂问题。
下图为几种模具材料的快速球化退火工艺（球化退火工艺的温度范围可以参考〈热处理手册〉或〈机械工程手册〉）。
图1快速球退火工艺
T1：
3Cr2W8V,1050℃；3Cr3Mo3VNb,1030℃；5Cr4W5Mo2V,1100℃
T2：
3Cr2W8V,850~870℃；3Cr3Mo3VNb,850~870℃；5Cr4W5Mo2V,850~870℃
2.2精加工：
除非模具过于复杂，最好切削加工安排在热处理之前，目的在于避免机械加工过程中在表面形成的拉应力，导致模具疲劳性能的降低。
电脉冲加工为材料的熔化加工过程，加工后容易在表面形成熔化层和热影响层，降低模具表面的硬度、耐磨性，减小热处理表面形成的压应力而降低模具的热疲劳性能，因此热处理后一般最好不再进行电脉冲加工或者减小加工余量或者采用加工后研磨、抛光的方式减小表面加工层的影响，以避免切削加工，尤其是电脉冲加工对模具表面损伤而影响模具寿命。
2.3热处理：
一般模具的热处理温度和时间可以参考〈热处理手册〉或〈机械工程手册〉。
需要注意的是
（1）热处理应采用合理的工艺减小热处理变形（一般采用多段加热工艺，同时防止加热开裂），同时考虑所采用的热处理方式，应避免合金元素的蒸发，在材料淬透性允许的条件下，尽可能采用真空热处理、气体淬火技术，减小热处理变形，避免热处理后较大的加工余量，导致表面过热，影响模具寿命。
但对淬硬性较差材料或存在高温下易挥发元素的材料，如含高Ni等，宜采用盐浴热处理。
（2）推荐采用超饱和渗碳热处理技术，即应用渗碳技术，阻止热处理表面脱碳，同时提高表面的耐磨性，并利用渗碳淬火后，表面形成高压应力，提高模具的疲劳抗力。
（3）模具材料中一般含有较高的Cr,Mo,V,W,Nb等高温、强碳化物形成元素，从而提高模具的强度、红硬性等性能，在热处理回火处理中，具有明显的二次硬化特性，即在低温回火和高温回火形成两次高硬度。
因此根据模具的实际使用温度范围，可以选择性应用回火温度，但是对于热锻模具应采用高温回火工艺，以避免二次回火硬化效应导致使用过程中模具性能的降低。
另一方面，也由于模具材料中一般含有较高的Cr,Mo,V,W,Nb等高温、强碳化物形成元素，具有很强的抗回火性能，因此需要进行多次的回火，避免回火不充分引起早期的失效（断裂和龟裂），一般要求至少2次高温回火（更多采用三次回火工艺）。
图2为3Cr2W8V热锻模具的热处理工艺曲线。
T1：
550~560℃；T2：
820~830℃；T3：
1070~1090℃；T4：
560~580℃；T5：
220~260℃；T6：
220℃；P1:
淬火（油冷或气冷），其余：
空冷
t1:
120；t2:
60；t3:
10；t4:
15；t5:
30；t6:
120~180；t7:
120
2.4喷丸、研磨、抛光处理：
淬火、回火后、表面热处理前，进行喷丸处理，可以形成表面压应力层，改变淬火、回火处理后的表面拉应力状态；进行模具抛光处理，可消除模具加工表面缺陷而提高模具寿命，一般采用人工加工。
2.5离子氮化：
提高模具疲劳性能和耐磨性，最好采用N2而不采用NH3，避免H＋对模具的氢脆作用。
离子氮化温度一定要低于淬火后的回火温度，以避免模具基体硬度的降低和模具的变形，从而导致模具的失效。
2.6深冷处理（液氮处理）：
原理是降低残余奥氏体、形成表面压应力、提高硬度和表面耐磨性、疲劳性能。
但需注意安全（液氮使用不当，会对人体产生烧伤）。
深冷处理的一般规范：
模具（室温状态）——液氮（-196℃）/2小时——自然回到室温——160~170℃/4小时——空冷。
当然，热锻模具在使用开始和过程中，由于承受冷热交变过程，因此，为了提高模具的寿命，对模具的充分预热也非常重要，预热不充分或预热温度偏低将会严重影响模具使用寿命，一般预热温度为200~250℃，开始锻造前，模具预热保温时间一般不得低于1小时
5表面处理技术的应用热锻模具采用表面处理技术主要由：
涂层处理（如真空涂TiN或TiCN）、镀层处理（如镀Cr,Ni-P镀）多元共渗处理（如C、N、O或C、N、O、S）、离子注入形成表面合金化层、渗B处理、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（VCD）等。
其中以离子氮化工艺最为适用。
各种表面强化处理方法的应用范围如下表所示。
表面处理方法
镀层处理
N-C共渗
离子渗
真空渗氮
渗硫
渗硼
CVD
TiN
PVD
TiN
TD方法（硼砂盐浴渗V,Nb,Ti,Cr等）
超硬合金
工模具钢
性能
CrNi-P
VC
NbC
Cr7C3
硬度
良
良
良
良
良
般
优
优
优
优
优
优
优
标准
耐磨
良
良
良
良
良
良
良
优
优
优
优
良
优
标准
性
抗热粘着性
良
良
良
良
良
良
良
优
优
优
优
优
优
标准
抗咬合性
良
良
良
良
良
良
良
优
优
优
优
优
优
标准
抗冲击性
般
一般
般
般
般
标准
般
标准
标准
标准
标准
标准
一般
标准
抗剥落性
般
一般
良
良
良
优
般
良
良
良
良
良
抗变形开裂
般
一般
良
良
良
优
良
良
良
良
良
良
本文主要介绍离子氮化工艺及其应用。
离子渗氮是利用真空辉光放电过程在零件表面形成高耐磨性、高硬度的合金氮化物层，其理论尚无定论，提出最早的是溅射与沉积理论。
，目前用于离子渗氮的介质有N2+H2、氨及其分解气。
氨分解气可以视为25%N2+75%H2的混合气体。
直接将氨气送如炉内进行离子氮化，使用方便，但是渗氮层脆性较大，而且氨气在炉内各处的分解率受到进气量、炉温、起辉面积等因素的影响，并会影响炉温均匀性。
只适合于要求不高的工件。
模具经过离子氮化的目的在于：
通过离子氮化在表面形成合金氮化物层，强化表面，提高表面硬度和耐磨性；同时模具经过淬火、回火之后，表面利用离子氮化过程中，形成表面合金氮化物层的高硬度和与基体硬度的差异，形成表面压应力，可以达到600~800Mpa的残余压应力，从而提高模具的疲劳性能和寿命。
下表为几种模具材料离子氮化工艺和使用效果。
模具名称
模具材料
工艺
使用效果
冲头
W18Cr4V
500~520℃×6h
提高2~4倍
铝压铸模
3Cr2W8V
500~520℃×6h
提高1~3倍
热锻模具
5CrMnMo
480~500℃×6h
提高2~3倍
冷挤压模
W6Mo5Cr4V2
500~550℃×2h
提高1~2倍
压延模具
C12MoV
500~520℃×6h
提高5~6倍
七小结热锻模具由于使用温度较高，应采用热作模具钢，同时根据具体的使用条件和失效方式，合理运用；为了提高模具寿命寿命，合理的热锻模具制造工艺过程为：
落料、锻造+球化退火处理—机加工—真空淬火、回火处理（目的减小热处理变形）—（深冷处理）—研磨、抛光处理—离子氮化处理。
离子氮化处理有助于提高模具寿命，原理在于提高表面硬度和形成表面压应力。
热锻模具的寿命还受到在使用开始和过程中合理预热的影响，预热温度一般为200~250℃。
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