第三章 热作模具材料用钢及热处理

  主要用来制造对高温状态的金属进行热成形的模具。如 热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热剪切模具等。这 类钢含碳量一般为0.3%~0.5%，添加提高高温性能的钨、 钼、铬、钒等合金元素，又分为锻造模块用钢、铬钼系 热作模具钢、铬钨系热作模具钢、奥氏体型高温热作模 具钢等。特别的条件的热作模具有时采用高温合金和难熔 合金制造。

  (2)热处理工艺、组织及性能 1) 锻造工艺 H11钢的碳含量不高，热塑性较 好；易于锻造和轧制。当锻制大型锻件时，最 好先缓慢加热到750℃，然后迅速加热到锻造 温度，以减少氧化和脱碳现象。H11钢的淬透 性好，锻后应采用炉冷或在缓冷坑中冷却。并 及时退火处理。

  • 5Cr2NiMoVSi钢属于大截面热锻模具钢， 具有高的淬透性。钢加热时奥氏体晶粒 Leabharlann Baidu大倾向小，热处理加热温度范围较宽 ，钢的热稳定性、热疲劳性能和冲击韧 性较好，适宜制造大截面的压力机和模 锻锤等用热作模具。

  (1)力学性能 4Cr5MoSiV钢，简称H11钢，是一种空冷硬 化型热作模具钢WCr=5％，淬透性很好 。该钢在中温具备比较好的热强度、高的 韧性和耐磨性，在工作时候的温度下有较好的 抗冷热疲劳性能，此外，抗氧化性能好 ，热处理变形小。

  与5CrNiMo钢相比，H11钢的热强性和耐磨 性都较高，而韧性相似，淬透性较好、 是制作锻模的好材料。由于韧性较高， 甚至在淬火状态也还有一定的韧性，抗 热疲劳性能特别好，因此用它制作高速 锤锻模是非常理想的，有时也用于制作 压铸模、挤压模等。

  (1)力学性能 强度、塑性、韧性指标都高于5CrNiMo，冲击韧度和5CrNiMo差不 多。

  （3） 实际应用 适用于大．中型锻模，也可用于中．小型锻模， 经与5CrNiMo等热模钢寿命比较，该钢常规使用的寿命最 高-如连杆模．前梁模．齿轮模．突缘节模（深 型模)等均比5CrNiMo模具寿命提高o．1—o．8倍 ，用于矫正模．弯曲模具和平锻机锻模使用 寿命比5CrNiMo一般都高0.5倍，个别超过1-2倍.

  1) 高的冲击韧度和断裂韧度：对锤锻模用钢，冲击韧度应大于或等 于30J／cm2，冲击韧度是锻模钢的基本性能。为阻止或延缓裂 纹扩展而导致模具断裂，还要求锻模钢必须具有高的断裂韧度。 2) 高的高温硬度及高温强度：为防止热锻模发生早期磨损及变形， 模具钢应具有较高的高温硬度和高温强度。 3) 高的淬透性：热锻模尺寸较大，要求模具整个截面力学性能均匀 —致。如果心部未淬透，则可能形成贝氏体或其他组织，导致模 具早期断裂。 4) 高的热疲劳抗力：若导热性好、热胀系数小，则热疲劳抗力高， 可以延缓热疲劳裂纹的产生。 5) 较高的回火稳定性：防止模具在高温服役中被继续回火，导致硬 度下降而影响耐磨性。 6) 良好的工艺性能及抗氧化性能。 • 常用的热锻模具钢在合金工具钢标准中列入的有5CrNiMo、 5CrMnMo、4CrMnSiMoV三种。

  • 锤煅模具及大截面压力机模具用钢5CrMnMo 和 5CrNiMo 等主要问题是碳化物形成元素含量低．热稳 定性差．高温强度低．耐热磨损和热疲劳性能,淬透性 能也较低；因此，模具型腔表面易于发生热磨损．热 机械疲劳，模具寿命普遍较低。 • 5Cr2NiMoVSi 钢主要加入了一定量的钒和硅，将碳． 镍；铬．钼等元素含量合理配置，具高温强渡提高 64%，热稳定性表现为温度可提高150-170度下使用； 对于500mmx500mm截面的锻模其心部硬度较 5CrNiMo 钢高出13HRC可常规使用的寿命可提高一倍左右.

  5CrMnMo钢具有与5CrNiMo钢类似的性能，淬 透性较差。此外在高温下工作时，其耐疲劳性 逊于5CrNiMo钢。此钢适于制造要求具有较高 耐磨性的各种类型锻模（边长≤400mm）。要 求韧性较高时，可采用电渣重熔钢。

  热作模具是将加热到再结晶温度以上的固态或液态金属压制成型 的工具，包括热锻模具、热挤压模和压铸模三类。热作模具工作条件的 主要特点是与热态金属相接触，这是与冷作模具工作条件的主要区别。 热作模具的工作条件主要有以下三方面: (1)型腔表层金属受热。尽管热锻模具不同，型腔表层金属受热温 度也不相同，但是最 低也有几百摄氏度;热挤压模具与压铸模具型腔 表层温度更高。 (2) 型腔表层金属产生热疲劳。 热作模具的工作特点是具有间歇 性。每次使热态金属成型后都要用冷却介质冷却型腔的表面。因此，热 作模具的工作状态是反复受热和冷却，从而使型腔表层金属产生反复的 热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用。其结果是引起型腔表面出现裂纹 ，称为热疲劳现象。 (3) 载荷作用。锤锻模受强烈的冲击载荷和工作应力;热挤压模具 和压铸模具是在高压下服役的。

  ⑵ 热处理工艺、组织及性能 1) 锻造工艺 钢坯锻造加热温度1100～1150℃、始锻温 度1050～1100℃、终锻温度800～850℃、锻后缓冷(坑 冷或砂冷)，注意防止模具开裂。 2) 退火工艺等温退火加热温度850～870℃，等温温度 680℃，退火硬度197～241HBS。 3) 淬火工艺 加热温度840～860℃油淬，冷到150～ 180℃左右出油并立即回火。为减少变形及开裂，淬火 时最好延时冷却，可空冷到740～780℃，然后入油。

  ⑵ 热处理工艺、组织及性能 1) 锻造工艺 锻坯加热温度1100～1150℃，开 锻温度1050～1100℃，终锻温度800～850℃ ，砂冷或坑冷。 2) 淬火、回火工艺 淬火预热温度600～650℃ ，加热温度830～860℃，油淬。

  (3)应用范围 5CrNiMo是目前国内用量较大的锻模钢，通用性 强，大、中、小型模块，深、浅型槽的模块均 用5CrNiMo钢。由于5CrMnMo及新钢种的研制 成功，5CrNiMo应用范围在逐渐缩小。由于该 钢淬透性好，更适合用于大批量生产的大、中 型模块。 Maniactive

  • 4Cr5MoSiV钢是一种空冷硬化的热作模具 钢。该钢在中温条件下具有很好的韧性 ，较好的热强度、热疲劳性能和一定的 耐磨性，在较低的奥氏体化温度条件下 进行空淬，热处理变形小，空淬时产生 氧化铁皮的倾向小，而且可以抵抗熔融 铝的冲蚀作用。

  • 按用途不同，可将热作模具材料分为热锻模用钢、热挤压模用钢 、压铸模用钢、热冲裁模用钢等；按工作温度不同，可将热作模 具材料分为低耐热钢(350～370℃)、中耐热钢(550～600℃)、高 耐热钢(580～650℃)等。特殊要求的热作模具有时采用高温合金 和难熔合金制造。

  5CrNiMo钢具有良好的韧性、强度和高耐磨性。它在室 温和500～600℃时的力学性能几乎相同。在加热到 500℃时，仍能保持住HB300左右的硬度。由于钢中含 有钼，因而对回火脆性并不敏感。从600℃缓慢冷却下 来以后，冲击韧性仅稍有降低。 5CrNiMo钢具有良好的淬透性。 300mm×400mm×300mm的大块钢料，自820℃油淬 和560℃回火后，断面各部分的硬度几乎一致。 该种钢用来制造各种大、中型锻模。 该种钢易形成白点，需要严格控制冶炼工艺及锻轧后的 冷却制度

  ⑶ 应用范围 与5CrNiMo比较，该钢淬透性及韧性均较 低。因此，只适用于制造要求较高强度 和耐磨性，而韧性要求不甚高时的各种 中、小型锤锻模具及部分压力机模块， 也可用于工作温度低于500℃的其他小型 热作模具。 Maniactive

  • 4CrMnSiMoV钢是近20年来我国低合金大截 面热作模具钢领域发展的钢种之一。该钢 具有较高的抗回火性能，好的高温强度、 耐热疲劳性能和韧性，而且有很好的淬透 性，冷、热加工性能好。该钢适宜制造各 种类型的锤模和压力机锻模。

  三、 热作模具的性能要求 1.力学性能 1) 硬度和强度 要求材料在模具的服役温度下，仍保持一定 的硬度和强度，并且具有良好的耐热性，以防止模具发生变 形。 2) 韧性 很多热作模具，特别是锻锤用模具，在工作过程中 经常要承受较大的冲击载荷，为了防止模具开裂，要求模具材 料必须有较高的冲击韧度和断裂韧度。 3) 热疲劳抗力 大部分热作模具都是在周期性的温度急剧变 化下服役的，在模具表面产生应力。为防止模具表面产生热疲 劳裂纹，要求模具材料具有良好的热疲劳抗力。 4) 化学稳定性 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，要求模具材料具有在 工作温度下的抗氧化性能或抗液态金属冲蚀的性能。

  • 热作模具工作时除了承受周期性载荷作 用之外，还要承受高温及周期性的急冷 急热变化。热交变应力易使热作模具材 料发生疲劳破坏，导致模具热裂。 • 一般说来，影响钢的热疲劳性能的因素 主要有: • ①钢的导热性 • ②钢的临界点 Maniactive

  2.工艺性能 （1）加工性 热作模具材料的加工性主要包括冷加工中的切削加工性能和热加工中 的锻压加工性能两种。它主要取决于钢的化学成分和热处理工艺等。 （2）淬透性和淬硬性 热作模具对这两种性能要求根据其工作条件不同有所侧重。对于小型 模具，由于尺寸小，容易淬透，所以只要求高的硬度，偏重于高淬硬性;对 于尺寸较大的模具，如果截面未淬透，则回火后未淬透部分的屈服点和韧 性会显著降低，影响模具工作寿命，所以其淬透性更为重要。 （3）热处理变形性 热作模具在热处理时，尤其在淬火过程中，要产生体积、形状变化， 为保证模具质量，要求模具钢的热处理变形小，各方向变化相近似，且组 织稳定。它主要取决于热处理工艺和钢的冶金质量等。 （4）脱碳敏感性 热作模具如果在无保护气氛下加热，其表面会发生氧化、脱碳现象， 就会使其硬度、耐磨性、使用性能和常规使用的寿命降低。因此，要求模具钢的 氧化、脱碳敏感性好。对于某些氧化、脱碳敏感性强的热作模具钢，可采 用特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理等。

  ⑴ 力学性能 该钢拥有非常良好的塑性、韧性、尺寸效应不 敏感。但由于碳化物形成元素含量低， 二次硬化效应微弱，耐热性差，高温 强度低。5CrNiMo钢在400℃以下工作可 以保持较高强度，高于400℃时强度急剧 下降，如温度上升到550℃时，与室温比 较σb下降将近一半。 Maniactive