浅论热作模具材料

1、? 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

2、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 C,局部温度达到 500-600 C；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

3、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 C。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

4、时，温度达400-800 C;压铸黑色金属时，温度可达1000 C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。?2)主要性能要求：?(1)较高的耐热性和良好的高温力学性能；?(2)优良的耐冷热疲劳性和高的导热性；?(3)良好的抗氧化性和耐蚀性；?(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

5、。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、3Cr2MoWVNi13-1鶴作樓具IR的分类BE用盘分类攪性龍分类按工柞类号作II具韬%耐鶴欖具n(<350-370 弋SCrMnMfl. SCrNiMov 4CrMn&MoV. 5Cr2NiMoVSi.AM. M挤压樓用钢

6、冑轉强询柞模具钢中耐诂模具啊(S50 - 600 t)4Cr5MoSiV, 4G5丽SiVl、4Ci5W2SV高耐热模具啊(580-®0 t)3CtlW8V, 3Cr3Mo3W2V. 4Cr3Mo35iV.5Ci4Ma3SgMn¥Al鳥热强热托模具钢中耐热欖昇铜4Cr5MoSiVi 4&5W2¥?i3CriWBV、3Cr3Mc3W2V热冲義鼻用辆 1低具m803、7Cf3（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 40-70J/cm2,第二类回火

7、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t退火（完全退火或等温退火）7淬火和回火淬火预热温度：600-650C，加热温度：830-860 C、油淬；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660 C）;锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100C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、

8、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t等温退火（加热温度850-870C,等温温度680 C） t淬火和回火等温退火加热温度：850-870C,等温温度 680 C。淬火加热温度 840-860C，油淬，冷却到 150-180 C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 C入油；回火温度根据模具尺寸和部位确定（ 500-660C）。锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100 C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

9、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t等温退火t淬火和回火等温退火：加热温度为840-860 C,等温温度为 700-720C大型锤锻模淬火温度 870-900 C、油淬；中小型锤锻模淬火温度900-930 C、油淬。大型锤锻模回火温度：620-660C,回火硬度为 38-42HRC ；中型锤锻模回火温度 610-630C,回火硬度 41-44HRC ；小型锤锻模回火温度为 470-610 C,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）5Cr2

10、NiMoVSi 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 C）。 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T退火T淬火和回火等温退火：800 Ct 720 C等温；完全退火：850-870 C,缓冷至500 C出炉空冷。淬火

11、：(大截面锤锻模)5Cr2NiMoVSi 钢，淬火温度： 960-980C， 回火温度： 620-660C；45Cr2NiMoVSi钢，淬火温度：960-980 C,型腔回火温度： 630-670C, 燕尾回火温度： 680-700C。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58mm x 43mm ,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、 M12x 45 螺栓进行选材分析，选择合适的

12、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

13、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600Co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t等温退火：860-890 C, 700-720 C等温，缓冷至500 C出炉t淬火：1000-1050 C、油

14、冷+540-600 C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%o2) 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。

15、三） 铬钼钢及钨钼钢 :包 括 4Cr3Mo3SiV（H10） 、 4Cr3Mo2NiVNbB（HD） 、 3Cr3Mo3W2V（HM1） 、 25Cr3Mo3VNb（HM3） 、 4Cr3Mo3W4VNb（GR） 。? 1、25Cr3Mo3VNb（HM3） :? 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? （ 1）加工工艺：锻造，锻后缓冷t等温退火（温度 860 C、等温温度710 C,炉冷至550 C出炉空冷宀淬 火（温度1 080C，油冷或水冷）+回火（温度根据模具硬度要求在 560-630 C范围选择）， 回火二次。? 2）应用：? 热锻成形凹模、 连杆辊锻模

16、， 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。? 2、 4Cr3Mo2NiVNbB（HD）- 新钢种? 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 C下工作。（ 1 ）加工工艺：锻造t退火（加热温度 850 C、4h,随炉缓冷到550 C出炉空冷）宀淬火（1130 C、油淬） +回火（温度根据硬度要求可在 650-700 C范围选择），回火二次。（ 2）应用：主要替代 3Cr2W8V 钢制作热

17、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t等温退火（温度 870 C，等温温度730 C,随炉缓冷到550 C出炉 空冷），硬度为 207-225 HBS。t淬火（1030-1120 C、油淬）+回火（温度 580-620 C、 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

18、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。?4、 4Cr3Mo3W4VNb（GR） 钢：?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；?淬透性、冷热加工性好。（ 1 ）加工工艺：锻造，锻后缓冷t等温退火（温度850C,等温温度 720 C,炉冷至550 C出炉空冷）t淬火（温度 1160C） +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

19、选用较高淬火温度；回火温度：630 C、600 C,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

20、 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 C,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 4

21、Cr5MoSiV 、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(600C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

22、急热、动负荷较小的压铸模具。?2)热加工工艺：?反复锻造，锻后快冷至 700 C缓冷t退火t淬火+回火? 采用不完全退火：830-850C加热，v 40C/h的速度炉冷400C出炉空冷；? 也可采用等温退火：等温温度，710-740 C,然后炉冷至 500 C以下，出炉空冷，退火硬度： 207-255 HBS 。淬火：1050-1150 C、油冷或分级淬火；回火：550-650 C、回火2次。2. 4Cr5Mo2MnVSi(Y10) 和 4Cr3Mo2MnVNbB(Y4) 钢 Y10成分接近H13钢；Y4成分接近HD钢一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

23、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。衰3-0 熄冲的材輯准滞及虞鼻拳蟆熹类SI図#件名描荐这用的材斡可代用的材料HBSHRC热切边議凸權SCr3.35-05t

24、i4W5Mo2V5CrMiM<>V43-43«Cr336B -4IS凹H321 -血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、铜合金一制作压铸模具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