《模具材料及表面强化技术》课件第三章 热作模具材料

1、第三章 热作模具材料讲授的主要内容3.1 热作模具材料的性能要求3.2 热作模具材料及热处理规范3.3 热作模具材料选用实例Page 33.1 热作模具材料的性能要求一、热作模具的服役条件及失效形式(四)压铸模(一)热锻模(二)热挤压模(三)热冲裁模Page 43.1 热作模具材料的性能要求二、模具材料的工艺性能要求(一)可加工性(二)可锻性(三)淬硬性和淬透性(五)脱碳敏感性(四)热处理变形性Page 53.1 热作模具材料的性能要求三、热作模具材料成分特点含碳量低可保证其具有足够的韧性。合金元素的作用是强化铁素体和增加淬透性。Page 63.2 热作模具材料及热处理规范热冲裁模用钢热锻模用

2、钢热挤压模用钢热压铸模用钢(1) 按用途分类Page 73.2 热作模具材料及热处理规范高耐热性钢(580650)低耐热性钢(350370)中耐热性钢(550600)(2) 按工作温度分类Page 83.2 热作模具材料及热处理规范高耐磨热作模具钢高韧性热作模具钢高热强热作模具钢(3) 按性能分类Page 93.2 热作模具材料及热处理规范表3-1 热作模具钢的分类按用途分按性能分按工作温度分钢号热锻模用钢高韧性热作模具钢低耐热模具钢5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV5Cr2NiMoVSi、5SiMnMoV热锻模、热挤压模用钢高热强热作模具钢中耐热模具钢4Cr5MoSiV、4

3、Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐热模具钢3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、4Cr3Mo3SiV、5Cr4W5Mo2V、5Cr4Mo3SiMnVA1热压铸模用钢高热强热作模具钢中耐热模具钢4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐热模具钢3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V热冲裁模用钢高耐磨热作模具钢低合金高碳热模钢8Cr3、7Cr3Page 103.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢表3-2 几种低耐热高韧性热作模具钢的化学成分钢号化学成分w/%CSiMnPSCrNiMoV5CrNiMo0.500.600.250.601.201.600.030.030.60

4、0.900.150.305CrMnMo0.500.600.400.500.800.030.030.500.801.401.800.150.304CrMnSiMoV0.350.450.801.100.801.100.030.031.301.500.400.600.200.40Page 113.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(一)5CrNiMo钢1锻造工艺表3-3 5CrNiMo钢的锻造工艺规范项目加热温度/始锻温度/终锻温度/冷却方式钢锭1140118011001150800880缓冷(坑冷或砂冷)钢坯1100115010501100800850缓冷(坑冷或砂冷)Page

5、 123.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(一)5CrNiMo钢2预备热处理(1) 锻后退火。(2) 锻后等温退火。(3) 锻模翻新退火。Page 133.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(一)5CrNiMo钢3淬火与回火表3-4 5CrNiMo钢回火工艺规范回火部位加热温度/加热介质硬度/HRC模具工作部位小型锻模中型锻模大型锻模490510520540560580煤气炉或电炉414738413437锻模燕尾部位小型锻模中型锻模60062062064035393437Page 143.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(二)5C

6、rMnMo钢1锻造工艺表3-5 5CrMnMo钢的锻造工艺规范项目加热温度/始锻温度/终锻温度/冷却方式钢锭1140118011001150800880缓冷(坑冷或砂冷)钢坯1100115010501100800850缓冷(坑冷或砂冷)Page 153.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(二)5CrMnMo钢2预备热处理(1) 锻后退火。(2) 锻后等温退火。(3) 锻模翻新退火。Page 163.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(二)5CrMnMo钢3淬火与回火表3-6 5CrMnMo钢回火工艺规范回火部位加热温度/加热介质硬度/HRC模具工作部位小

7、型锻模中型锻模490510520540煤气炉或电炉41473841锻模燕尾部位小型锻模中型锻模60062062064035393437Page 173.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(三)4CrMnSiMoV钢1锻造工艺表3-7 4CrMnSiMoV钢的锻造工艺规范项目加热温度/始锻温度/终锻温度/冷却方式钢锭1160118011001150850缓冷(坑冷或砂冷)钢坯1100115010501100850缓冷(坑冷或砂冷)Page 183.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(三)4CrMnSiMoV钢2预备热处理4CrMnSiMoV钢的预备热处理采

8、用等温退火，加热温度为840860，保温24h；等温温度为700720，保温48h，炉冷至500以下出炉空冷。Page 193.2 热作模具材料及热处理规范一、低耐热高韧性热作模具钢(三)4CrMnSiMoV钢3淬火与回火表3-8 4CrMnSiMoV钢回火工艺规范模具类型加热温度/加热介质硬度/HRC小型锻模520580煤气炉或电炉4449中型锻模5806304144大型锻模6106503842特大型锻模6206603740Page 203.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(一)4Cr5MoSiV钢(H11钢)1锻造工艺表3-9 4Cr5MoSiV钢的锻造工艺规范项目加热

9、温度/始锻温度/终锻温度/冷却方式钢锭1140118011001150900坑冷或砂冷钢坯1120115010701100850900坑冷或砂冷Page 213.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(一)4Cr5MoSiV钢(H11钢)2预备热处理(1) 锻后退火。(2) 去应力退火。Page 223.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(一)4Cr5MoSiV钢(H11钢)3淬火与回火表3-10 4Cr5MoSiV钢的化学热处理规范工艺温度/时间/h介质渗层深度/mm表面硬度/HV渗氮5602KCN50%+NaCN50%0.04690640渗氮5808天然气+

10、氨0.250.30860830渗氮5401220氨的分解率30%60%0.150.20760550Page 233.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(二)4Cr5MoSiV1钢(H13钢)1锻造工艺表3-11 4Cr5MoSiV1钢的锻造工艺规范项目加热温度/始锻温度/终锻温度/冷却方式钢锭1140118011001150850900缓冷(坑冷或砂冷)钢坯1120115010501100850900缓冷(坑冷或砂冷)Page 243.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(二)4Cr5MoSiV1钢(H13钢)2预备热处理(1) 锻后退火。(2) 去应力退火。

11、Page 253.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(二)4Cr5MoSiV1钢(H13钢)3淬火与回火表3-12 4Cr5MoSiV1钢淬火温度与硬度、晶粒度的关系淬火温度/930950980100010201040106010801100硬度/HRC50.35253.554.856.357.858.259.159.1晶粒度/度11.211.111.111.1111087Page 263.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(二)4Cr5MoSiV1钢(H13钢)3淬火与回火表3-13 4Cr5MoSiV1钢不同温度回火后力学性能回火温度/淬后2004005

12、00520550580600650700硬度/HRC56545455.55452.54945.53328b/MPa2040210020801980178016501180/%40344048535455/%111111.51212.51418k/(J cm-2)403235506070100Page 273.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(三)3Cr3Mo3W2V(HM1)钢1锻造工艺表3-14 3Cr3Mo3W2V钢的锻造工艺规范项目加热温度/始锻温度/终锻温度/冷却方式钢锭1170120011001150900缓冷(坑冷或砂冷)钢坯115011801050110085

13、0缓冷(坑冷或砂冷)Page 283.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(三)3Cr3Mo3W2V(HM1)钢2预备热处理3Cr3Mo3W2V钢的预备采用锻后等温退火：加热温度为860880，保温4h；等温温度为720740，保温6h，炉冷至500以下出炉空冷，退火后硬度255HBS。Page 293.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(三)3Cr3Mo3W2V(HM1)钢3淬火与回火表3-15 3Cr3Mo3W2V钢不同温度淬火后的硬度、晶粒度与残留奥氏体量淬火温度/95010501100113011601200硬度/HRC4851.5535657.558

14、晶粒度/级1010109108978残留奥氏体量(体积分数)/%2.52.72.83.03.54.0Page 303.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(三)3Cr3Mo3W2V(HM1)钢3淬火与回火表3-16 3Cr3Mo3W2V钢回火规范回火目的回火温度/加热介质回火硬度/HRC增加耐磨性640空气5254提高韧性6803941Page 313.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(三)3Cr3Mo3W2V(HM1)钢4应用范围3Cr3Mo3W2V钢适合制造镦锻、压力机锻造、挤压等热作模具，模具寿命高，是目前国内研制的工艺性能好，使用面广，应用前景较广的

15、新钢种之一。Page 323.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(四)3Cr3Mo3VNb(HM3)钢1锻造工艺表3-17 3Cr3Mo3VNb钢的锻造工艺规范项目加热温度/始锻温度/终锻温度/冷却方式钢锭1170120011201150900缓冷(坑冷或砂冷)钢坯1150118010501100850缓冷(坑冷或砂冷)Page 333.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(四)3Cr3Mo3VNb(HM3)钢2预备热处理3Cr3Mo3VNb钢的预备热处理采用等温退火，加热温度为850870，保温24h；等温温度为700720，保温46h，炉冷到550以下出炉

16、空冷，退火后硬度229HBS，组织为均匀细小的点状和粒状珠光体。Page 343.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(四)3Cr3Mo3VNb(HM3)钢3淬火与回火表3-18 3Cr3Mo3VNb钢淬火温度与硬度及晶粒度关系淬火温度/10201060108010901120硬度/HRC4747.148.547.947.8晶粒度/级1091098989Page 353.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(四)3Cr3Mo3VNb(HM3)钢3淬火与回火表3-19 3Cr3Mo3VNb钢的回火工艺规范回火工件回火温度/加热介质回火硬度/HRC锻造变形抗力小的工

17、件570600空气炉4749锻造变形抗力大的工件6006304247Page 363.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(五)2Cr3Mo2NiVSi(PH)钢1锻造工艺2Cr3Mo2NiVSi钢始锻温度为10001100，终锻温度大于或等于850，锻后炉冷。Page 373.2 热作模具材料及热处理规范二、中耐热韧性热作模具钢(五)2Cr3Mo2NiVSi(PH)钢2预备热处理2Cr3Mo2NiVSi钢的预备热处理为锻后退火，加热温度为780，以小于或等于40/h的速度冷却到680后随炉冷却，退火后硬度为217229HBS。Page 383.2 热作模具材料及热处理规范二、

18、中耐热韧性热作模具钢(五)2Cr3Mo2NiVSi(PH)钢3淬火与回火2Cr3Mo2NiVSi钢淬火加热温度为9901020，截面边长小于或等于100mm时采用空冷，截面边长大于100mm时采用油冷。在370400回火一次，硬度在45HRC左右。Page 393.2 热作模具材料及热处理规范三、高耐热热作模具钢典型钢种主要有：3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V， 5Cr4Mo2W2VSi， 5Cr4W5Mo2V。成分特点：碳含量在0.3-0.5之间，合金元素含量在8%-10%，属共析钢或过共析钢。主要有Cr、Ni、Mn、Si，其次为Mo、V。性能特点：耐热性好，即有较高的高温强度和高温硬度

19、，可在600-700C高温下使用。具有高耐磨性。但塑性韧性、抗冷热疲劳性能显著低于5%Cr的热模钢。淬透性好，小于150mm的模具空冷也能淬透，硬度高达55-62HRC，具有强烈的二次硬化、抗回火软化能力强、抗疲劳性好。第三节 热作模具钢组织及工艺特点：（1）退火工艺及组织 该钢种退火温度为840-880 ，退火组织为细颗粒珠光体+少量一次共晶碳化物。碳化物总的质量分数为10%-13%，主要为M6C型。含V高时，主要为MC型碳化物。退火硬度为207-255HBS，切削加工性稍差。第三节 热作模具钢（2）淬火回火工艺及组织： 淬火温度为1050-1140 ，油淬后硬度为53-62HRC。该钢种淬

20、透性高，可采用分级淬火。淬火组织为细晶马氏体+未熔碳化物（MoC、VC）+残余奥氏体。 高耐热钢均为二次硬化钢，二次硬化最佳温度为500-560 。所以回火温度一般为560-630 ，硬度达到48-56HRC。回火组织为回火马氏体、回火索氏体或回火托氏体。为了提高韧性，可采用二次回火。第三节 热作模具钢3Cr2W8V的性能特点： 3Cr2W8V用于热作模具已有70年历史，至今仍广泛使用，是我国产量最大的模具钢之一。用于压铸模、热挤压模、精锻模、有色金属成型模等。钢中的碳和合金元素Cr、W、V的含量正好是高速钢W18Cr4V的一半，故称“半高速钢”。高的W、V提高钢的热稳定性和耐磨性；较低的含碳

21、量可保证一定的热疲劳抗力及塑性和韧性； Cr增加了钢的淬透性，80mm以下可以淬透。因大量合金元素的作用，合金的共析点左移，属过共析钢，组织为莱氏体，韧性较差。第三节 热作模具钢 3Cr2W8V的性能特点： 因为低碳， 3Cr2W8V钢锻造性能较好。锻后进行球化退火。一般3Cr2W8V模具的淬火加热温度应在1050-1100范围内选取，以保证回火后塑性、韧性无明显降低。3Cr2W8V钢模具的回火温度可依照具体情况在560-630之间选择。因为大量钨和钒的作用， 3Cr2W8V在回火时有明显的二次硬化效应，回火硬度的峰值在550左右出现。回火温度升至600以后，硬度很快下降。 3Cr2W8V钢在

22、使用温度不超过650时。在650以上使用时，钢的强度硬度迅速下降，导致模具软化变形。此外， 3Cr2W8V钢高温时的塑性、冲击韧度和热疲劳抗力也比较低。第三节 热作模具钢典型钢种的性能比较及应用： 4Cr3Mo3W2V和 3Cr2W8V的韧性、塑性较好，而强度、硬度偏低； 5Cr4Mo2W2VSi， 5Cr4W5Mo2V为基体钢，具有高速钢的高强度及低合金工具钢的韧性，相对于前两种钢，强度、硬度较高，而塑性、韧性偏低。这两种钢的回火抗力均高于3Cr2W8V，可在700C高温下工作。 这类钢适用于耐热性、耐磨性要求较高而韧性要求较低、形状不太复杂的模具，如压力机镦锻模、挤压机以及压铸模等。第三节

23、 热作模具钢特殊用途热作模具钢 (1)超高强度钢 有40CrMo、40CrNi2Mo、30CrNiMnSi A 等。 性能特点：有很高的抗拉强度和足够的塑性、韧性。 成分特点：中、低含碳量，低合金量（小于5%），主要靠特殊的冶炼工艺及后续热处理（回火时效、形变热处理、晶粒超细化处理）获得高强性和高韧性。 应用：主要用于工作温度低于450C，需要高强度和高韧性的模具零件。如热挤压用挤压筒、压力机锻模用模座、高速锤锻用模套、压板、顶杆。 第三节 热作模具钢 (2)马氏体时效钢 有18Ni（250）成分：Ni18,Co7.75, Mo5.0, Ti0.4,Al0.1。18Ni（300）, 18Ni（

24、350） 。 成分特点：超低碳量（小于0.03%)，高含镍量（Ni大于10%），以及一定量的Co、Mo、Ti、Al。固溶处理后组织为Fe-Ni板条马氏体，有很高的位错密度和小孪晶。 第三节 热作模具钢 (2)马氏体时效钢 性能特点：固溶时效处理后，具有超高硬度和良好的塑性、韧性，硬度高、耐磨性好，断裂韧度也高。同时，具有高的抗热性能、抗高温疲劳性能、抗氧化性能。不存在淬透性问题。缺点：含镍高，价格贵。 应用：主要用于冷挤模、精密塑料模、铝压铸模、精密锻模。 第三节 热作模具钢 (3)高速工具钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，耐热性好，可在600C工作，强度高、但韧性差。可用于热挤压模、热冲压用冲头、热成形铝合金压铸模。第三节 热作模具钢 (4)奥氏体耐热钢分为Cr-Ni系（Cr14Ni25C