国外新型热作模具钢及其热处理工艺分析.docx

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国外新型热作模具钢及其热处理工艺分析

河南科技学院

2009届本科毕业设计

设计题目：

国外新型热作模具钢及其热处理工艺分析

（ABOARDNEWTYPESOFHOT-MOLDSTEELANDITSHEATTREATMENTTECHNOLOGYMETHOD）

学生姓名：

高霞丽

所在院系：

机电学院

所学专业：

机电技术教育

导师姓名：

王焕琴

完成时间：

2009年5月15日

国外新型热作模具钢及其热处理工艺分析

摘要

主要叙述了H13、QRO80M、QRO90SUPREME等新型热作模具钢的性能、使用特点及其热处理工艺技术方法。

H13钢是应用广泛的第二代中温（<600℃）热作模具钢,在这里不仅描述了H13钢的化学成分及其对钢的组织结构和性能的影响,还介绍了常规热处理中的退火,淬火和回火工艺;在此基础上又介绍了热处理新工艺中的高温淬火,双重淬火,控制冷却速度淬火和深冷处理;最后,又充分地展开了有关H13钢的表面热处理有关内容;与第2代热作模具钢相比,比QRO80M、QRO90SUPREME钢具有①更细的显微组织;②更高的回火稳定性;③更好的热强性;④更高的高温强度和相同的常温力学性能。

并且具有很好的韧性、热疲劳性，通用性，特别适用于制作既要耐高温，又需高韧性、高热疲劳性的热挤压模、热冲模、热锻模、压铸模，尤其适合于粉末压制锻模.

关键词:

热作模具钢,热处理,模具技术

ABOARDNEWTYPESOFHOT-MOLDSTEELANDITSHEATTREATMENTTECHNOLOGYMETHOD

Abstract

Thispapermainlyintroducestheproperty,characterandheattreatmenttechnologymethodofH13,QRO80M,QRO90SUPREMEwhicharenewtypesofhot-moldsteel.Inthemiddle-temperature,H13steelisveryusefulformanypurposes.tougheningandprinciplesofphysicalmetallurgytotheanalysesinsomedetailofthechemicalcompositionsofH13hotworktoolsteelandtheeffectsoftheonesuponthemicrostructuresandproperties.Camparedwithhigh-qualityH13steel,QRO80MandQRO90SUPREMEsteelhavemanyadvantages:

finermicrostructure,highertemperingstability,moreexcellenthot-strengthandhot-hardness,higherhigh-temperaturestrengthandthesamenormal-temperaturemechanicalproperties.

Keywords:

hot-moldsteel;heattreatment;dietechnology

目录

0引言1

1H13优质热作模具钢1

1.1H13钢的化学成分的分析3

1.2H13钢的常规热处理工艺4

1.2.1退火工艺4

1.2.2淬火工艺4

1.2.3回火工艺4

1.3H13钢的热处理新工艺5

1.3.3高温淬火5

1.3.2双重淬火5

1.3.3控制冷却速度淬火5

1.3.4深冷处理5

1.4钢的表面热处理5

1.4.1表面低温化学热处理6

1.4.2高能束流表面热处理8

2UHBQRO80M和QRO90SUPREME热作模具钢9

2.1UHBQRO80M,QRO90SUPREME钢是第3代性能更加优异的热作模具钢9

2.2UItBQRO90SUPREME钢的热处理工艺9

致谢11

参考文献12

1引言

模具是机械、冶金、电子、轻工、国防等工业部门的重要工艺装备,是保证高效率生产、高产品质量和降低生产成本的重要手段。

随着工业技术的迅速发展,各部门都广泛地采用新的高精度、高效率的模具成型工艺代替传统的切削加工工艺。

目前,机械工业约70%的零件采用模具成型工程机械中履带式推土机的链轨节、挖沟机的铲刀、液压缸中的活塞、液压泵芯、轴承环、螺母、为某些出口挖掘机配套的斗齿等都是模具成型件。

不少行业中,模具费用已占产品成本15%～30%。

国外模具工业发展十分迅速。

美国模具工业产值从1974年的33.68亿美元发展到1980年的57.26亿美元,平均年增长率为9.3%;日本从1957年到1981年模具总产值增长了66倍,每年以大约20%的速度递增。

1985年全世界模具工业产值约为5万亿日元。

1990年我国合金工钢产量为7.92万t。

各国都将模具用钢归入合金工具钢中,一般合金工具钢中模具用钢约占70%～80%。

模具钢是用于制造冷作模具和热作模具的材料。

热作模具钢是制造热作模具（热锻模、热顶锻模、热挤压模和压铸模等）的金属材料。

由于热作模具工况条件非常恶劣,是在非常苛刻的条件下工作,如承受各种应力及金属熔液对模具工作表面的溶蚀,在工作中反复受到炽热金属的加热和冷却介质（水、油、空气）冷却的热循环交替作用。

当炽热的金属放入热作模具型腔时,型腔表面急剧升温,表层产生压应力和压应变;当金属件取出时,型腔表面由于急剧降温而受到拉应力和拉应变作用,极易产生热疲劳等,因此要求模具材料具有高的热强度、高温硬度、冲击韧性、淬透性和好的热稳定性和抗冷热疲劳性能等。

总之,要求热作模具具有良好的综合力学性能,一般采用合金钢制造。

据保守估计:

2005年国内模具钢消费量至少50万t,其中热作模具钢占13%。

热作模具是在高温下加压、强迫金属在型腔中流动成型的工具。

为适应热作模具恶劣的工作环境，提高使用寿命，要求热作模具钢应具有高的热强度、良好的耐回火性、高的韧性和塑性、小的热膨胀系数和好的导热性等优异的力学性能和使用性能。

第一代热作模具钢主要是5CrNiMo、5CrMnMo和3Cr2W8V钢（化学成分见表1）。

从20世纪30年代初开始至今一直得到广泛的应用。

第二代热作模具钢以美国的AISIH10、H11、H12、H13钢系列为代表（其化学成分见表2）,尤其以H13钢最受欢迎。

第三代热作模具钢是典UDDEHOLM公司研制的UHBQRO80M和QRO90SUPREME钢系列。

而H13、QRO80MQRO90SUPREME钢被称为20世纪90年代新型优质热作模具钢,直到21世纪初都是热作模具钢的主选钢种,已在美国、日本、德国、瑞典等发达国家得到广泛应用。

第1代热作模具钢主要包括5CrNiMo，5CrMnMo和3Cr2w8v钢，自20世纪30年代初在工业中应用后至今仍广为应用，已经积累了丰富的冶炼、锻造、机械加工和热处理工艺经验；第2代热作模具钢则以美国的AISIH10，H11，H12，H13钢系列为代表，尤其以H13钢最受欢迎；第3代热作模具钢是瑞典UDDE—HoLM公司研制的UHBQRo80M和QRo90SUPREME钢系列0。

而H13，QRO80M，QRo9SUPREME钢被称作2世纪90年代新型优质热作模具钢，乃至21世纪初都将成为热作模具的主选钢种，已在美国、日本、国瑞典等发达国家得到广泛应用.

1H13优质热作模具钢

H13钢由于化学成分的优化，含有大量Cr，Mo，V等合金元素，基本上能满足热作模具所要求的使用性能，是第2代性能优异的中温（≤600℃）热作模具钢。

H13钢与高韧性热作模具钢5CrNiMo，5CrMnMo相比，具有更高的热强性、耐热性和淬透性，因而可取代热强性不足的5CrNiMo，5CrMnMo钢来制造热锻模以提高使用寿命；与高热强性热作模具钢3Cr2W8V相比，具有高的韧性和抗热振性，因此，可以成功地取代因韧性或疲劳性不足引起失效的3Cr2w8V钢来制造热挤压模、热冲模和压铸模。

2.1H13钢的化学成分的分析

H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型钢,在世界上的应用极其普遍,同时各国许多学者对它进行了广泛的研究,并在探究化学成分的改进。

钢的应用广泛和具有优良的特性,主要由钢的化学成分决定的。

下面对H13钢的成分加以分析。

（1）碳美国AISIH13,UNST20813,ASTM的H13和FEDQQ-T-570的H13钢的含碳量都规定为0.32%-0.45%,在所有H13钢中含碳量范围最宽.

德国X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量为0.37%-0.43%,含碳量范围较窄,德国DIN17350中还有X38CrMoV5-1的含碳量为0.36%-0.42%。

日本SKD61的含碳0.32%-0.42%。

我国GB/T1299和YB/T094中4Cr5MoSiV1和SM4Cr5MoSiV1的含碳量为0.32%-042%和0.32%-0.45%,分别与SKD61和AISIH13相同。

钢中含碳量决定淬火钢的基体硬度,按钢中含碳量与淬火钢硬度的关系曲线可以知道,H13钢的淬火硬度在55HRC左右。

对工具钢而言,钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。

另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。

对热作模具钢,这种合金碳化物除少量残留的以外,还要求它在回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象。

从而由均匀分布的残留合金碳化合物和回火马氏体的组织来决定热作模具钢的性能。

由此可见,钢中的含C量不能太低。

含5%Cr的H13钢应具有高的韧度,故其含C量应保持在形成少量合金C化物的水平上。

Woodyatt和Krauss[9]指出在870℃的Fe-Cr-C三元相图上,H13钢的位置在奥氏体A和（A+M3C+M7C3）三相区的交界位置处较好。

相应的含C量约0.4%（见图1）。

图上还标出增加C或Cr量使M7C3量增多,具有更高耐磨性能的A2和D2钢以作比较。

另外重要的是,保持相对较低的含C量是使钢的Ms点取于相对较高的温度水平（H13钢的Ms一般资料介绍为340℃左右）,使该钢在淬冷至室温时获得以马氏体为主加少量残余A和残留均匀分布的合金C化物组织,并经回火后获得均匀的回火马氏体组织。

避免使过多残余奥氏体在工作温度下发生转变影响工件的工作性能或变形。

这些少量残余奥氏体在淬火以后的两次或三次回火过程中应予以转变完全。

顺便指出,H13钢淬火后得到的马氏体组织为板条M+少量片状M+少量残余A。

经回火后在板条状M上析出的很细的合金碳化物的照片可见图2,国内学者也作了一定工作H13钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种,它的主要特性是:

①具有高的淬透性和高的韧性;②优良的抗热裂能力,在工作场合可予以水冷;③具有中等耐磨损能力,还可以采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度,但要略为降低抗热裂能力;④因其含碳量较低,回火中二次硬化能力较差;⑤在较高温度下具有抗软化能力,但使用温度高于540℃（1000℉）时硬度出现迅速下降（即最高工作温度为540℃）;⑥热处理的变形小;⑦中等和高的切削加工性;⑧中等抗脱碳能力。

更为令人注意的是,它还可用于制造航空工业上的重要构件。

众所周知,钢中增加碳含量将提高钢的强度,对热作模具钢而言,会使高温强度、热态硬度和耐磨损性提高,但会导致其韧度的降低。

学者在工具钢产品

手册文献[11]中将各类H型钢的性能比较很明显证明了这个观点。

通常认为导致钢塑性和韧度降低的含碳量界限为0.4%。

为此要求人们在钢合金化设计时遵循下述原则:

在保持强度前提下要尽可能降低钢的含碳量,有资料已提出:

在钢抗拉

图1Fe-Cr-C系870℃水平截面部分相图

图2H13钢淬火回火的TEM组织

绍为1503.1MPa（46HRC时）和1937.5MPa（51HRC时）。

（2）铬铬是合金工具钢中最普遍含有的和价廉的合金元素。

在美国H型热作模具钢中含Cr量在2%~12%范围。

在我国合金工具钢（GB/T1299）的37个钢号中,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。

铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响,同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能,在H13钢中含Cr和Si会使氧化膜致密来提高钢的抗氧化性。

再则以Cr对0.3C-1Mn钢回火性能的作用来分析,加入小于6%Cr对提高钢回火抗力是有利的,但未能构成二次硬化;当含Cr大于6%的钢淬火后在550℃回火会出现二次硬化效应。

人们对热作钢模具钢一般选5%Cr的加入量。

工具钢中的铬一部分溶入钢中起固溶强化作用,另一部分与碳结合,按含铬量高低以（FeCr）3C、（FeCr）7C3和M23C6形式存在,从而来影响钢的性能。

另外还要考虑合金元素的交互作用影响,如当钢中含铬、钼和钒时,Cr>3%[14]时,Cr能阻止V4C3的生成和推迟Mo2C的共格析出,V4C3和Mo2C是提高钢材的高温强度和抗回火性的强化相,这种交互作用提高该钢耐热变形性能。

图3钢中常用合金元素的淬透性因子

Cr对钢共析点的影响,它和Mn大致相似,在约5%的含铬量时,共析点的含C量降到0.5%左右。

另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的加入更显著降低共析点含C量。

由此可以知道:

热作模具钢和高速钢一样属于过共析钢。

共析含C量的降低,将增加奥氏体化后组织中和最后组织中的合金碳化物含量。

钢中合金C化物的行为与其自身的稳定性有关,实际上,合金C化物的结构、稳定性与相应C化物形成元素的d电子壳层和S电子壳层的电子欠缺程度相关。

随着电子欠缺程度下降,金属原子半径随之减小,碳和金属元素的原子半径比rc/rm增加,合金C化物由间隙相向间隙化合物变化,C化物的稳定性减弱,其相应熔化温度和在A中溶解温度降低,其生成自由能的绝对值减小,相应的硬度值下降。

具有面心立方点阵的VC碳化物,稳定性高,约在900-950℃温度开始溶解,在1100℃以上开始大量溶解（溶解终结温度为1413℃）;它在500℃-700℃回火过程中析出,不易聚集长大,能作为钢中强化相。

中等碳化物形成元素W、

Mo形成的M2C和MC碳化物具有密排和简单六方点阵,它们的稳定性较差些,亦具较高的硬度、熔点和溶解温度,仍可作为在500℃-650℃范围使用钢的强化

相。

M23C6（如Cr23C6等）具有复杂立方点阵,稳定性更差,结合强度较弱,熔点和溶解温度较低（在1090℃溶入A中）,只有在少数耐热钢中经综合合金化后才有较高稳定性,如（CrFeMoW）23C6可作为强化相。

具有复杂六方结构的M7C3,如Cr7C3、Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3的稳定性更差,它和Fe3C类碳化物一样很易溶解和析出,具有较大的聚集长大速度,一般不能作为高温强化相。

仍从Fe-Cr-C三元相图可以简便了解H13钢中的合金碳化物相。

按Fe-Cr-C系700℃和870℃三元等温截面的相图,对含0.4%C钢中,随Cr量增加会出现（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3（M7C3）型合金碳化物。

注意在870℃图上,只有含Cr量大于11%才会出现M23C6）。

另外根据Fe-Cr-C三元系在5%Cr时的垂直截面,对含0.40%C的钢在退火状态下为α相（约固溶1%Cr）和（CrFe）7C3合金C化物。

当加热至791℃以上形成奥氏体A和进入（α+A+M7C3）三相区,在795℃左右进入（A+M7C3）两相区,约在970℃时,（CrFe）7C3消失,进入单相A区。

当基体含C量﹤0.33%时,在793℃左右才存在（M7C3+M23C6和A）的三相区,在796℃进入（A+M7C3）区（0.30%C时）,以后一直保持到液相。

钢中残留的M7C3有阻止A晶粒长大的作用。

Nilson提出,对1.5%C-13%Cr的成分合金,欠稳定（CrFe）23C6不形成。

当然,单以Fe-Cr-C三元系分析会有一些偏差,要考虑加入合金元素的影响。

对H13改进型热作模具钢,含Cr成分有两种范围:

低Si高Mo的Cr5.0%型和Cr2.6%型,下面还会论述。

（3）锰几乎所有商业用钢都含一定数量的锰（Mn）。

钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。

同时它与S有较大的亲合力,可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS,而以具有一定塑性的MnS存在,从而消除硫的有害影响,改善钢的热加工性能。

在美国热作模具钢中H21—H26和H41—H43的含锰量均在0.15%-0.40%,H10H—19的含锰量高于该范围。

Mn具有固溶强化作用,从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度,虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅,但其对钢的延展性几乎没有影响。

在铁素体-珠光体

型钢中Mn是唯一可使屈服强度增加又使冷脆转变温度变化最小的合金元素。

锰是弱碳化物形成元素,它可溶入渗碳体中形成

合金渗碳体（Fe,Mn）3C,其形成可降低系统的自由能,即取于更稳定状态,注意:

Fe3C中的Fe可全部为Mn所取代,而Cr只可在Fe3C中固溶18%-20%（原子分数）。

关于淬透性的提高,已在前节作了说明。

降低Ms点和增加淬火钢中的残余奥氏体量相联系,从而为设计微变形钢提供途徑。

有报道,高精度冷作模具钢

CrMn2SiWMoV中Mn的量为2.10%-2.40%。

Mn加入钢中使Ac1、Ac3、Ar1和Ar3降低,这与细化铁素体和珠光体相联系,又会减薄碳化物片,对FP型钢的强化起积极作用。

同时有资料介绍Mn和Ni

类似有提高钢的韧度的作用。

H13型二次硬化型模具钢,其含Mn量在0.20%～0.60%。

对改进型热作模具钢（如QRO90super,SuperMe和HOTVAR）含Mn在0.75%,处于较高的水平,与低Si高Mo型H13型钢Mn含量在0.40%-0.55%范围（如ASSAB公司的Dievar钢）成明显对照。

（4）硅硅是一个对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素,仅次于磷,但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。

一般都将Si限制在钢脱氧需要的范围内。

如

果将Si作为合金元素加入钢中,其量一般不小于0.40%。

Si也为提高回火抗力的有效元素。

Si降低碳在铁素体中的扩散速度,使回火时析出的碳化物不易聚集,增加回火稳定性。

另外,Si虽然不推迟ε碳化物的

生成,但它可固溶于ε碳化物,并提高其稳定性,延迟ε→θ转变。

第一类回火脆性与ε→θ转变和沿马氏体条间界分布形成连续薄膜有关,延迟ε→θ转变便意味着提高第一类回火脆性发生温度或抬高回火温度-硬度曲线,可使回火马氏体的ε碳化物与基体保持共格和均勻分布,使回火马氏体保持有良好的强

韧性配合。

有资料表明,含1%Si相应可提高回火温度30℃～50℃,对0.45C-5Cr-2Mn钢,Si量从0.07%提高至1.0%可在（550-650）℃回火时获得较高硬度。

但是,Si加入量过多,会使碳化物聚集的过时效速度增大,以至于难以控制,这样,其加入量限制在0.75%是比较合适的。

另外,Si易使钢呈现带状组织,使钢的横向性能比纵向性能差,也使钢的脆性转折温度升高;Si还具有促进钢的脱碳敏感性;但Si有利于高温抗氧化性的提高。

美国H型热作模具钢中H21-26和H41-43以及H19的Si含量最大为0.40%或略高,而H101-4钢的含Si量为（0.80～1.25）%,属含较高Si量的钢。

（5）钼Mo溶于Fe中也具固溶强化的作用,Mo溶解于A中能提高钢的淬透性,这在前面已有论述。

这里应明确指出,Mo明显推迟珠光体转变,但对贝氏体转变的影响不大,具体表现为:

在钢中只要加入0.25-1.0%的Mo量,便足以使珠光体转变和贝氏体转变的区域分开,（Cr﹥2%和V﹥0.5%也有相类似的作用）。

Mo是作为使钢具有二次硬化的主要合金元素加入的,现在普遍认为,这是由于在回火时马氏体中析出Mo2C造成。

Mo可与C形成Mo2C和MoC合金碳化物,还可

随回火温度升高转变为M6C。

具有密排六方点阵的Mo2C在马氏体板条内,亚晶界上以平行的细针状（二维为层片状）析出,显然,这种析出必须按单独形核机

制（separatenucleation）。

TEM研究指出,析出的位向关系为:

（1102）Mo2C∥（010）α,[1101]Mo2C∥[100]α,[1120]Mo2C∥[001]α。

Mo2C和基体共格,从而导致二次硬化。

Honeycombe认为,Mo2C形成初期是Mo和C原子沿马氏体的﹛100﹜面偏聚,形成象Al-Cu合金时效时出现的GP区相似的组织。

钢中加入W和V形成W2C,VC的合金碳化物,也会具有二次硬化作用。

另外再加入Cr和Co

可以强化二次硬化效应。

但要注意,为使钢中W和V的碳化物溶解进入A中,需要采用较高的奥氏体化温度,易引起奥氏体晶粒粗化而带来不良影响。

所以常以优

选Mo为最佳的二次硬化合金化元素。

一般为了产生二次硬化效应,要求Mo的加入量不低于1.0%,加入3%Mo时可取得接近极值的效果。

当加入量为2.0%～2.5%时,可获得最经济和有效的效果。

Mo具有比Cr更强烈的碳化物形成倾向,在5%Cr的热作模具钢中,Mo2C先于Cr7C3形成。

前已述,M7C3不能作为二次硬化的高温强化相,而且它在回火马氏体中的形成是以原位析出（in-situ）机制,不会发生弥散析出。

为此,Mo的二次硬化的硬化强度和其最大硬化强度对应的温度皆高

于Cr的相应值,同时,Mo2C的过时效速度亦较低（即不易聚集长大）。

这三个条件是衡量二次硬化有效性的三个主要指标。

Mo会提高钢的脱碳氧化敏感性,一般认为含3%Mo是使钢发生脱碳敏感的临界加入量。

对含2%~3%Mo的钢,为了提高钢的淬透性,常常还得加入1%～2%的铬。

（6）钒V在工具钢中的主要作用是细化钢的晶粒和组织,增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应。

一般介绍,V加入0.05%可细化晶粒,随加入量增加,细化

效果加强。

因为既使温度趋近700℃,V的碳化物稳定性仍高,仍能保持细小,所以V是有效阻止A晶粒粗化的元素,也是在高温下服役的钢的重要合金化元素,下文还有论述。

V和Mo、W一样溶入基体中提高α-Fe的自扩散激活能,另外它偏聚在位错线附近形成气团,与位错产生交互作用阻止其滑移,阻止位错网络的重新排列形成胞状亚结构,增加马氏体的回复再