浅论热作模具材料

第三节 热作模具材料 1、热处理: 是指将金属材料(钢)在固态下加热、保温和冷却, 以改变钢的组织结构, 获得所需要性能的一种工艺. 2、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。 2.热处理的主要目的:改变钢的性能。一、热作模具工作条件、失效形式及性能要求1、热作模具分类热作模具：用于热变形加工和压力铸造的模具。分类：根据工作条件，分为热锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等。 热作模具在工作中既有力的作用又有温度的作用，模具的工作条件差、失效形式复杂，性能要求高.2、热锻模-包括锤锻模、压力机锻模、热镦模和高速锻模等。其中锤锻模最有代表性。1）工作条件及主要失效形式 工作时受很大的压应力和冲击载荷的作用，冲击频率很高； 模具型腔表面和炽热金属接触，使模具升温到300-400，局部温度达到500-600；工作时，锻完一个零件后，用水或油冷却模具，产生急冷急热作用；坯料对模具型腔有强烈的摩擦作用。锤锻模的主要失效形式： 氧化；磨损；断裂；产生热疲劳裂纹，形成龟裂；塑性变形造成型腔面塌陷。2）主要性能要求：(1)较高强度和良好的韧性；(2)良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；(3)模具尺寸较大时，应具有高的淬透性3、热挤压模1）工作条件及主要失效形式：受力复杂：承受压应力和弯曲应力，脱模时有拉应力；有冲击载荷作用；模具温升较高，承受急冷急热的热疲劳作用。 模具与炽热金属接触时间较长，温度比锤锻模温度更高，尤其是挤压钢件和难熔金属时，温度高达600-800。主要失效形式：模腔过量塑性变形、开裂、冷热疲劳、热磨损及表面氧化腐蚀。2）主要性能要求：(1)高的热稳定性；(2)良好的冷热疲劳抗力和高耐磨性；(3)较高的高温强度和足够的韧性。4、压铸模具1）工作条件及主要失效形式：模具温升高、有热疲劳作用：工作时与高温液态金属接触，受热时间长，受热温度高(压铸有色金属时,温度达400-800；压铸黑色金属时,温度可达1000以上)，同时模具有冷却.高的压力(20-120MPa)及金属液流的高速冲刷作用；主要失效形式：热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀。低温合金的压铸，以磨损失效为主。v 2）主要性能要求：v (1)较高的耐热性和良好的高温力学性能；v (2)优良的耐冷热疲劳性和高的导热性；v (3)良好的抗氧化性和耐蚀性；v (4)较高的淬透性。4、热冲切模 由切边凹模和凸模组成，切边时凸模无刃口，只起传力作用，由凹模切除飞边、连皮。1）工作条件及主要失效形式： 凹模刃口与毛坯有摩擦，同时有一定的冲击载荷；刃口受热而温度升高。失效的主要形式是：刃口磨损、崩刃、卷边等。2）主要性能要求：(1)高耐磨性，高硬度及热硬性；(2) 具有一定的强韧性（避免崩刃）；(3)具有良好的工艺性。二、热作模具用钢 根据工作温度、性能和用途常用材料见表1、锤锻模用钢 主要采用中碳、多元低合金热作模具钢。传统钢种有：5CrMnMo、5CrNiMo；近年来研制的新钢种有：4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVS、3Cr2MoWVNi（一）5CrNiMo钢(1)主要性能特点及应用：良好的综合力学性能和淬透性；（硬度40-48HRC，抗拉强度1200-1400MPa，冲击韧度40-70Jcm2，第二类回火脆性不敏感） 。不足之处是工作温度稍低，锻坯中易产生白点。适合于制造形状复杂、冲击负荷较大，要求高强度和韧性较高的中、大型锤锻模。如高度尺寸375mm的大型锤锻模。(2)热加工工艺：锻造退火（完全退火或等温退火）淬火和回火淬火预热温度：600-650，加热温度：830-860 、油淬；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660）；锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效）。其韧性在所有的热作模具钢中最好。（二）5CrMnMo钢(1)主要性能特点及应用（和5CrNiMo钢相比）强度、硬度相当，但冲击韧性稍差；淬透性、耐热疲劳性稍差；热处理过热倾向较大；适合制作受力较轻的中小型锤锻模。(2)热加工工艺：锻造等温退火(加热温度850-870，等温温度680 ) 淬火和回火等温退火加热温度：850-870，等温温度680 。 淬火加热温度840-860，油淬，冷却到150-180 左右出油立即回火； 为减少变形，防止开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到740-780入油；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660）。 锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效）。（三）4CrMnSiMoV钢（1）主要性能特点及应用：具有较高强度、耐磨性和冲击韧性；高温性能、热疲劳抗力和淬透性优于5CrNiMo。制作小、中、大型锤锻模，模具寿命比5CrNiMo高。（2）热加工工艺：锻造等温退火淬火和回火等温退火：加热温度为840-860 ，等温温度为700-720大型锤锻模淬火温度870-900、油淬；中小型锤锻模淬火温度900-930、油淬。大型锤锻模回火温度：620-660，回火硬度为38-42HRC；中型锤锻模回火温度610-630，回火硬度41-44HRC；小型锤锻模回火温度为470-610，回火硬度44-49HRC。该钢用于压力机椴模生产汽车用连杆、前梁和齿轮等。（四）5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi-新型锤锻模具钢(1)主要性能特点及应用：（与5CrNiMo钢相比） 高温强度提高了64，热稳定性提高(温度提高了150-170 )。500X 500mm截面的锻模，其心部硬度较5CrNiMo钢高13HRC，使用寿命提高1倍。 5Cr2NiMoVSi钢主要用于制造各类压力机模具和3t以上锤锻模； 45Cr2NiMoVSi钢适合制作各类锤锻模，特别是10t以下的大截面锤锻模具。(2)热加工工艺： 锻造退火淬火和回火等温退火：800720等温；完全退火：850-870，缓冷至500出炉空冷。淬火：（大截面锤锻模）5Cr2NiMoVSi钢，淬火温度：960-980， 回火温度：620-660；45Cr2NiMoVSi钢，淬火温度：960-980，型腔回火温度：630-670，燕尾回火温度：680-700。1、如图是一齿轮高速锤锻模具，其工作条件和技术要求为：齿轮毛坯尺寸58mm43mm，锻锤吨位，4吨，大批生产，凹模通循环水冷却；凹模硬度要求为46-50HRC，冲头硬度要求为44-48HRC。要求：1、对凹模、冲头进行选材分析，选择合适的材料，制定热处理工艺。 2、为模具辅助零件：下顶料杆、M1245螺栓进行选材分析，选择合适的材料，制定热处理工艺。2、热挤压模具用钢-包括机锻模、高速锻模用钢， 主要有钨系、铬系、铬钼系热作模具钢及基体钢。(一) 铬系： 代表钢种 4Cr5MoSiV1（H13），4Cr5MoSiV（H 11 ） 4Cr5W2VSi（H12），属于中碳中铬钢。 成分特点:碳的质量分数较低 约为0.3%0.4%。合金元素含量中等，有较高的Cr、Mo、V、W等碳化物形成元素， Cr的含量为5%，俗称5% Cr型热模钢。 Cr 和 Mo使该钢的淬透性大大提高，含V有利于提高钢的热硬性和热强性。(2)主要性能特点及应用：淬透性好，几乎都采用空冷淬火(属空冷硬化钢，厚度150mm钢件在油中可淬透）；冲击韧度和断裂韧度较高；良好的耐热疲劳性能和抗氧化性，能适应急冷急热的工作条件。与5CrNiMo钢相比，有更高的硬度、热强性和耐磨性. 钢的综合性能好，在最佳淬火回火热处理工艺状况下具有高的强度、高硬度和良好的韧性和塑性的配合。在所有的热作模具中这种钢具有最高的疲劳强度，在热处理时尺寸变形都比较小。这类钢的工作温度一般不超过600。广泛用于铝型材挤压模具；汽车、拖拉机、五金工具等行业机锻模具、辊锻模具；轴承行业挤压模及辗压辊；压铸模等。(2)热处理工艺： 锻造等温退火：860-890，700-720等温，缓冷至500出炉淬火：1000-1050、油冷+540-600回火（回火温度根据硬度要求确定）。(二)钨系： 3Cr2W8V、 4Cr3Mo3W2V 、 5Cr4Mo2W2VSi，代表钢种 3Cr2W8V。耐热疲劳性较差，在压铸模中的应用较多。具有以下特点： 1）成分上：含碳并不高，但接近共析或过共析成分；合金元素含量高或中等，普遍含合金元素的质量分数为8%10%。 2）性能上：该钢具有高的耐热性，即有较高的高温强度和高温硬度。可在600700高温下工作。具有高的耐磨性。 3Cr2W8V纲是广泛应用的热作模具钢。用于压铸模、热挤压模、精锻模等。它又叫半“高速钢”。由于含有较多的易形成碳化物的元素Cr、W，高耐热强性最好。三) 铬钼钢及钨钼钢: 包括4Cr3Mo3SiV(H10)、4Cr3Mo2NiVNbB(HD)、3Cr3Mo3W2V(HM1)、25Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3Mo3W4VNb(GR)。v 1、25Cr3Mo3VNb(HM3) : v 含碳量较低；加入少量的铌，具有较高的耐热疲劳性、热强性和回火稳定性v （1）加工工艺： 锻造，锻后缓冷等温退火（温度860、等温温度710，炉冷至550出炉空冷淬火（温度1 080，油冷或水冷）+回火（温度根据模具硬度要求在560-630范围选择），回火二次。v 2）应用：v 热锻成形凹模、连杆辊锻模，小型机锻模、铝合金压铸模等。工作寿命比5CrNiMo、4CrSW2VSi、3Cr2W8V 钢等模具提高2-10倍。v 2、4Cr3Mo2NiVNbB(HD)-新钢种v 综合了3Cr2W8V和H13的优点。其高温强度、回火稳定性、断裂韧性、耐热疲劳性和耐磨性优于3Cr2W8V ；而耐热性优于H13钢，可在700下工作。（1）加工工艺：锻造退火（加热温度850、4h，随炉缓冷到550 出炉空冷）淬火（1130 、油淬）+回火（温度根据硬度要求可在650-700 范围选择），回火二次。（2）应用： 主要替代3Cr2W8V钢制作热挤压凸模与凹模，工作寿命可提高1倍。3、3Cr3Mo3W2V(HMl)： 冲击韧度及断裂韧度与3Cr2W8V钢相近，但回火抗力比3Cr2W8V钢高，在保持高强度和热稳定性的同时，耐冷热疲劳性能比3Cr2W8V钢高得多。（1）加工工艺： 锻造，锻后缓冷等温退火（温度870，等温温度730，随炉缓冷到550 出炉空冷），硬度为207-225 HBS。 淬火（1030-1120 、油淬）+回火（温度580-620 、2h），回火二次；硬度为48-49HRC。（2）应用： HM1钢是目前国内研制的高强韧热模钢中应用广泛，寿命长的新钢种。适于制作高温高负荷，急热急冷水冷条件下工作的压力机和轴承环热锻凹模，高强度和高热强钢零件的精锻模，热挤压模，铝和铜合金的压铸模等，使用寿命可比3Cr2W8V、5CrNiMoV钢制模具提高1-4倍。v 4、4Cr3Mo3W4VNb(GR)钢：v 属钨钼系热作模具钢，具有高的回火抗力和高的热强性；耐冷热疲劳性、热稳定性、耐磨性及高温强度明显高于3Cr2W8V钢；v 淬透性、冷热加工性好。（1）加工工艺：锻造，锻后缓冷等温退火（温度850，等温温度720 ，炉冷至550 出炉空冷）淬火（温度1160） +回火要求高韧性及塑性，选用较低淬火温度；要求高的高温强度及回火稳定性，则选用较高淬火温度；回火温度：630 、600 ，二次回火，每次2-3h，若形状复杂的大模具，可采用三次回火，回火后硬度为50-54 HRC。（2）应用： 用于齿轮高速锻造、精密锻造、轴承套圈热挤压、小型机锻模具等方面。与3Cr2W8V钢制模具相比，使用寿命大幅提高。(四) 基体钢： 基体钢中有多个钢种是冷、热兼用的模具钢。如O12Al、5Cr4W5Mo2V（RM2）6Cr4Mo3Ni2WV (CG-2) ，多用于热挤压模。1）012Al钢：作热作模具钢使用，耐热疲劳性和热稳定性比3Cr2W8V高，热强性高于铬系钢。用于热挤压模、机锻模寿命均高于3Cr2W8V钢。2）6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2)钢：室温和高温强度、热稳定性高于3Cr2W8V钢，耐热疲劳性较好，但高温冲击韧度低于3Cr2W8V。可用于热挤、热镦、热锻、冷挤、冷镦模具。3）5Cr4W5Mo2V(RM2)钢 ：有较高强度和热稳定性，在50HRC时的热稳定性可达700，抗磨损性能好。适于制作小截面热挤、高速锻及滚锻模具。三、压铸模用钢 以钨系、铬系、铬钼系热作模具钢为主。要求不高时，可用合金工具钢或合金结构钢，如40Cr 、 4CrSi、 30CrMnSi、4CrW2Si、5CrW2Si、5CrNiMo、5CrMnMo；要求较高时，采用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi、4Cr5Mo2MnVSi、 3Cr3Mo3W2V、 4Cr3Mo2MnVNbB、3Cr2W8V钢。注：黄色是常用的压铸模具钢。1、3Cr2W8V钢： 用于制造热成形模具已有70多年的历史，至今仍广泛使用，尤其在压铸模中应用最多。(1)主要性能特点：具有高的抗回火软化能力和二次硬化效应（600时，硬度仍可保持40HRc）；屈服强度高达950MPa；高的高温强度和耐磨性。缺点：含钨多，碳化物不均匀性和偏析倾向大，韧性较差；抗氧化和热疲劳能力较差，易产生热疲劳裂纹而断裂失效。应用：适合制作在高温下长时受热、不受急冷急热、动负荷较小的压铸模具。v 2）热加工工艺：v 反复锻造，锻后快冷至700缓冷退火淬火+回火v 采用不完全退火：830-850加热，40h的速度炉冷400出炉空冷；v 也可采用等温退火：等温温度，710-740，然后炉冷至500以下，出炉空冷，退火硬度：207-255 HBS。淬火：1050-1150、油冷或分级淬火；回火：550-650、回火2次。2. 4Cr5Mo2MnVSi(Y10)和4Cr3Mo2MnVNbB(Y4)钢Y10成分接近H13钢；Y4成分接近HD钢都属高强韧性热作模具钢。和3Cr2W8V钢相比，抗热疲劳性、冲击韧性和抗热溶蚀性高。但热硬性稍差。应用：主要用于铝合金和铜合金压铸模具，使用寿命较3Cr2W8V提高1-10倍。也可用于热挤压模和热锻模，效果也较好。三、其它热作模具材料1、热冲裁模具用钢1)热作模具中，热冲裁模具工作温度低，对材料性能要求宽；2)几乎所有热作模具材料都可用于热冲裁模具；选材时，可重点考虑材料经济性和生产管理上的方便；3）推荐：5CrNiMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4CrW2Si和8Cr3等，其中8Cr3钢是使用较多的钢种。2、非铁金属材料1）硬质合金硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，还有良好的热稳定性、抗氧化性和耐蚀性，可用于制作某些热作模具。例：W-Co类硬质合金(常制成镶块)可用于热切边凹模、压铸模、以及工作温度较高的热挤压凸模或凹模等。实例：气阀挺杆热镦挤模，原采用3Cr2W8V钢制作，热处理后的硬度为49-52HRC，使用寿命5000次；在模具工作部分采用YG20硬质合金镶块，模具寿命提高到15万次。奥氏体不锈钢钢结硬质合金和高碳高铬合金钢钢结硬质合金也可用于制作热作模具。例ST60钢结硬质合金制作Cu热挤压模和热冲孔模、热平锻模等。3、铜合金制作压铸模具1）制作黑色金属压铸模具：铜合金导热性好，散热快，可使模具的温升和温度梯度大为降低，降低了模具的应变和应力，使其强度足以承受压铸时的压力，同时也减轻了热疲劳的作用。此外，铜合金弹性模量低，热膨胀系数较小，不会发生组织变化，故所制作的模具在工作过程中性能及尺寸稳定。 2）用于压铸模的铜合金有铍青铜合金、铬锆钒铜合金和铬锆镁铜