热作模具钢的选用课件

1、课题三 热作模具钢的选用下一页返回知识点热作模具钢的选用原则；热作模具钢的选用要求；技能点热作模具钢的选用要求。下一页返回 影响热作模具使用寿命的因素很多，如工作温度、承受的载荷、模具的形状与尺寸、 被加工材料的性质、质量、成型方式等。选择热作模具材料要综合考虑这些因素，合理选用，并且模具钢的纯净度要高、等向性要好，应经过炉外精炼和多向锻造，确保热作模具工作寿命。一、任务导入： 案例1： 转向节热锻模简图如3-1所示，模具尺寸为700mm675mm400mm，生产批量：大批量，技术要求：锻模模面硬度为3639HRC，燕尾硬度为2833HRC。要求合理选择该模具用钢。上一页下一页返回 图3-1

2、转制节热锻模简图一、任务导入： 案例2： 铝合金圆管挤压模（如图3-2所示），生产3A21（原LF21）铝合金15.8mm0.9mm的薄壁圆管，生产批量：大批量，技术要求：挤压模硬度为4247HRC。要求合理选择该模具用钢。上一页下一页返回 图3-2 铝合金挤压模凸模 二、专业知识：上一页下一页返回1锤锻模具钢的选用；2热挤压模具用钢的选用 ；3压铸模具用钢的选用 ；4.热作模具的选材、强化处理与使用寿命的关系 ； 热作模具钢的碳含量一般为0.30.6，有良好的强度、硬度和韧性。添加镍、钨、钼、铬、钒等合金元素，可以提高钢的淬透性和高温性能。根据不同的合金元素含量，热作模具钢可以分为锻压模具用

3、热作模具钢、钨钼系热作模具钢等。5CrMnMo钢和5CrNiMo钢有较高的强度、耐磨性和韧性，良好的淬透性和抗热疲劳性能，常用于制造锤锻模具。对于在静压、高温下使金属变形的热挤压模、压铸模，常选用4Cr5MoSiVl钢和3Cr2W8V钢制造，前者韧性较好，而后者高温性能较好。常用的热作模具钢见表3-65。上一页下一页返回1锤锻模具钢的选用上一页下一页返回1锤锻模具钢的选用 一般说来，锻压模具用钢有两个问题比较突出，一是工作时受冲击负荷作用，故对钢的力学性能要求较高，特别是韧性要求较高；二是锻压模的截面尺寸较大（400 mm），故对钢的淬透性要求较高，以保证整个模具组织和性能均匀。锻压模具用钢通

4、常是按模块截面尺寸分类，大致可分为4类： 厚度250 mm的小型模块；厚度为250350 mm的中型模块；厚度为350500 mm的大型模块；厚度500 mm的特大型模块。上一页下一页返回1锤锻模具钢的选用 可以根据截面尺寸和服役条件选择钢种，常用的锻压模具用钢见表3-66。上一页下一页返回1锤锻模具钢的选用 中、小型锤锻模多选用合金含量较低、冲击韧性高的材料，如5CrMnMo钢；大型及型腔复杂的锤锻模通常选用淬透性较高的钢，如5CrNiMo钢。5Cr2NiMoVsi钢耐热疲劳性、冲击性好，适于制造大截面锤锻模具。4CrMnSiMoV钢是我国在低合金大截面热作模具钢领域发展的钢种之一，该钢具有

5、较高的抗回火性能，好的高温强度、耐热疲劳性能和韧性，适于制造各种类型的锤锻模。 锻造压力机承受的冲击载荷较低，但往往承受更高的工作温度，工作条件苛刻，所以压力机锻模一般采用热强性较高、合金含量较高的热作模具钢，如4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiVl钢。上一页下一页返回1锤锻模具钢的选用 很多有色金属和钢的型材、管材和异型材是采用热挤压工艺成型的。热挤压模具是在高温、高压、磨损和热疲劳等恶劣条件下服役的。热挤压模具主要由挤压筒、冲头、凹模和心棒（用于挤压管材）等主要部件组成。热挤压模具的工作特点是加载速度较慢，因此，型腔受热温度较高，通常可达500800。对这类钢的使用性能要求应以耐磨性、高

6、的回火稳定性和抗热疲劳性能为主。常用的热挤压模具用钢有4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl、3Cr2W8V、4Cr5W2VSi钢等。上一页下一页返回2热挤压模具用钢的选用 当进行轻合金挤压时，尤其是对于那些容易引起开裂、带尖角的形状复杂的模具，宜选用韧性较好的热作模具钢，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl钢。用于挤压钢、铜和铜合金的模具，由于工作温度相对高些，因此除了选用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl钢外，也可以选用高温强度较好的热作模具钢，如3Cr2W8V钢。5Cr4W5Mo2V钢是新型的热作模具钢，该钢具有较高的红硬性，高温强度和较高的耐磨性，可进行一般的热处理或化学

7、热处理，可代替3Cr2W8V钢制造某些热挤压模具，使用寿命较高。 挤压模具的寿命与所挤压的材料、挤压比密切相关，当加工变形拉力大的金属材料或在高挤压比的情况下，凹模和心棒的寿命大为缩短，模具的润滑条件和冷却条件对模具寿命有很大的影响。上一页下一页返回2热挤压模具用钢的选用 热挤压模具用钢选用见表3-67。上一页下一页返回2热挤压模具用钢的选用 压铸模具在服役条件下不断承受高速、高压喷射、金属的冲刷腐蚀和加热作用，从总体上看，压铸模具用钢的使用性能要求与热挤压模具用钢相近，即以要求耐磨性、高的回火稳定性与抗热疲劳性为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤压模具用钢相同。如常采用4Cr5MoSiVl

8、和3Cr2W8V钢等。对熔点较低的Zn合金压铸模具，可选用4Cr5MoSiVl、4Cr5W2VSi钢等；对Al和Mg合金压铸模具，可选用4Cr5MoSiVl、3Cr3Mo3W2V钢等。对Cu合金压铸模具，工作温度较高，可采用3Cr3Mo3W2V、3Cr2W8V钢。3Cr3Mo3W2V钢具有较高的热强性、抗热疲劳性能，又具有良好的耐磨性和抗回火稳定性等。上一页下一页返回3压铸模具用钢的选用 3Cr3Mo3w2V钢的韧性和抗热疲劳性能优于3Cr2W8V钢，其使用寿命也高于3Cr2W8V钢。压铸模具用钢选用可以参考表3-68。上一页下一页返回3压铸模具用钢的选用 如表3-69所示 上一页下一页返回4

9、.热作模具的选材、强化处理与使用寿命的关系 上一页下一页返回4.热作模具的选材、强化处理与使用寿命的关系 上一页下一页返回4.热作模具的选材、强化处理与使用寿命的关系 三、任务实施： 案例1实施： 图3-1所示的转向节热锻模为热作锤锻，制件结构较复杂，大批量生产。根据热锻模具的一般失效形式，模具选材主要考虑热硬性、强韧性、淬透性、脱碳敏感性、热疲劳陛能等。从热处理角度，主要考虑耐磨性、硬度、热处理变形和表面脱碳等。 根据冲裁模具钢选用要求与表1-65的介绍，该模具为锤锻模，模具厚度 350mm，属于大型模块，可以选择5CrNiMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等冷作模具钢。上一

10、页下一页返回三、任务实施： 1）5CrNiMo钢是传统的热锻模具钢，具有良好的强度、高耐磨性与十分良好的韧性，同时室温力学性能与500 600时几乎相同，在加热到500时，仍能保持300HBS左右的硬度。由于5CrNiMo钢中含有Mo，因而对回火脆性并不敏感，但由于碳化物形成元素含量低，二次硬化效应微弱，所以热稳定性不高。 5CrNiMo钢具有十分良好的淬透性，300mm400mm300mm的大块钢料经820油淬和560回火后，断面各部分的硬度几乎一致。5CrNiMo钢多用来制造大、中型锻模。 5CrNiMo钢用来制造各种大、中型锻模。这种钢易形成白点，需要严格控制冶炼工艺及锻轧后的冷却制度。

11、上一页下一页返回三、任务实施： 3）5Cr2NiMoVSi是国内近年来研制的热锻模用新钢种。 考虑到使用经验与供应情况，本案例中转向节热锻模的模具用钢选择为5CrNiMo热作模具钢。上一页下一页返回三、任务实施： 案例2实施： 铝合金圆管挤压模（如图3-2所示），生产3A21（原LF21）铝合金15.8mm0.9mm的薄壁圆管，生产批量：大批量，技术要求：挤压模硬度为4247HRC。要求合理选择该模具用钢。图3-2所示的铝合金圆管挤压模为热挤压模具，制件结构较简单，大批量生产。热挤压模具是在高温、高压、磨损和热疲劳等恶劣条件下服役的。热挤压模具的工作特点是加载速度较慢，因此，型腔受热温度较高，

12、通常可达500800。对这类钢的使用性能要求应以耐磨性、高的回火稳定性和抗热疲劳性能为主。上一页下一页返回三、任务实施： 根据热挤压模具钢选用要求与表1-66的介绍，可以选择4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiVl（H13）等热作模具钢。 1）4Cr5MoSiV（H11） 4Cr5MoSiV（H11）属于钨系热作模具钢，是一种空冷硬化的热作模具钢，在中温条件下具有很好的韧性，有较好的热强度、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空淬，热处理变形小，空淬时产生氧化皮倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。H l l钢通常用于制造加工铝铸件用的压铸模、热挤压模，穿孔用的工具，

13、芯棒、压力机锻模以及塑料模等。此外由于H l l钢具有好的中温强度，因此亦被用于制造耐400 500工作温度的飞机、火箭等上的结构件。上一页下一页返回三、任务实施： 2）4Cr5MoSiV1（H13） 4Cr5MoSiVl（H13）钢也属于钨系热作模具钢，为引进钢种，美国钢号为（H13）AISI，是国际上广泛应用的一种空冷硬化热作模具钢。与4Cr5MoSiV（H11）钢相比，H13钢具有较高的热强度和硬度，在中温条件下具有很好的韧性、热疲劳性能和一定的耐磨性。在较低的奥氏体化温度下空淬，热处理变形小，空淬时产生氧化皮倾向小，可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。该钢广泛用于制造热挤压模具、芯棒、模锻锤的锤

14、模、锻造压力机模具、精锻机用模具以及铝、铜及其合金的压铸模。 考虑到模具使用寿命，本案例中铝合金圆管挤压模的模具用钢选择为4Cr5MoSiV1（H13）热作模具钢。上一页下一页返回 采用高强韧模具材料和强韧化处理及表面强化工艺，是提高模具使用性能和延长模具使用寿命的十分重要的措施。但由于模具的尺寸、形状的复杂程度和工作条件及失效类型的差异极为悬殊，因此，在选材及确定热处理工艺和使用硬度时，要十分注意模具的具体使用条件。上一页下一页返回四、知识拓展：提高模具性能和寿命的途径四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 1高强韧模具材料的热处理工艺及应用效果 高强韧模具材料的热处理工艺及应用效果实例如

15、表3-70所示。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验）上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验）上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 2模具的强韧化处理工艺及应用实例 模具的强韧化处理工艺及应用实例如表3-71所示 上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验）上一页下一页返回 对于高精密，要求尺寸和性能稳定的模具，常常采用真空热处理工艺。常用模具钢真空淬火工艺参数如表3-72所示。四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验）上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验）上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验）

16、 真空热处理的模具往往比常规热处理的模具使用寿命有显著提高。图3-7所示为几种冷作模具应用实例结果比较。在图3-7（a）中，1 0101 030加热油淬，真空度为13.336.65Pa；160180，硬度为6163HRC。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验）上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 3模典表面强化技术及应用实例 随着模具在现代工业生产中的应用越来越广泛，对模具的质量及使用寿命提出了更高的要求，由于模具的种类繁多，使用状态十分复杂，应根据不同模具的服役条件，科学地寻求提高模具使用寿命的途径。模具表面强化处理是提高其使用性能和寿命的重要措施。目前

17、，改善模具表面性能的主要方法分为3类。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 1）不改变表面化学成分的方法主要有高频加热淬火、火焰加热淬火、电子束相变硬化、激光相变硬化、加工硬化等。 2）改变表面化学成分的方法有渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗金属、复合渗（多元共渗）、TD法、离子注入等。 3）表面形成覆盖层的方法有镀金属、堆焊、电火花强化、化学气相沉积（VCD）、物理气相沉积（PVD）等。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 各种表面强化方法的主要特性比较如表3-73所示。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 14表面强化方法的选择原则 1

18、）提高模具表面的耐磨性。无论是冷作模具、热作模具还是塑料模具，均有由于磨损而失效的。模具的表面硬度不足是造成模具早期失效的重要原因之一。模具钢的耐磨性与钢中碳化物的类型与数量有关，即便是高碳高铬类模具钢其耐磨性仍不能满足要求。采用表面强化的方法来提高模具表面的耐磨性是行之有效的。有关资料表明，气体氮碳共渗可使高速钢表面的耐磨性提高25倍。渗硼层、渗钒层、碳化钛层的耐磨性就更高。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 2）耐磨性与强韧性的良好配合。对大多数模具材料来说，提高强韧性往往要损失耐磨性。解决这个矛盾的方案是选择合适的模具材料，进行适当的热处理，使其获得最佳的强韧性，然

19、后通过表面强化的方法提高表面耐磨性。例如，缝纫机梭子的冷挤压凸模，采用高速成钢W18Cr4V制造，模具经常碎裂，使用寿命极不稳定；改用基体钢6Cr5W3Mo21VNi后韧性大大改观，但耐磨性不足，寿命仅1.6万件；用6Cr5W3Mo21VNi淬火后加气体氮碳共渗处理，其寿命达到2.68万件，基体的强韧性与表面耐磨性达到了良好的配合。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 3）提高抗咬合能力。在拉伸、挤压等类模具中，常发生“冷焊”现象，解决这类问题的方法是通过表面处理降低模具表面的摩擦系数。有的表面处理方法使其表面疏松，内有微孔，塑性好，不但有利于降低表面摩擦系数，而且微孔中的

20、油还可以改变润滑状况，提高抗拉毛、烧伤和抗咬合能力，表面渗硫、渗氧就具有这类特性。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 4）改变表面应力状态。模具钢经过淬火、回火后，表面处于拉应力状态，这将促使裂纹的早期形成。很多表面处理方法可以改变模具表面的这种应力状态，变拉应力为压应力。由于表面形成了较大的残余压应力，从而延迟了疲劳裂纹的产生和扩展，有利于提高模具的冲击疲劳失效抗力，延长了模具使用寿命。这是仅采用模具新钢种和改变热处理工艺方案所不能做到的。例如，电子束相变强化表面和表面真空渗氮处理后均可使模具表面形成600800Nmm2的残余应力。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检

21、验规范（硬度检验） 5）提高抗氧化性的抗腐蚀性。有些热作模具和塑料模具均有氧化和腐蚀问题，仅仅靠模具材料本身固有的性能来满足使用要求，往往感到不足。因此，常常需要用表面强化处理的方法来弥补，如表面镀铬就具有较好的抗腐蚀性。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 5表面强化技术的应用 1）渗碳。渗碳是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900950的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。相似的还有低温渗氮处理。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。上一页

22、下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 2）渗氮。渗氮是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体渗氮和离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨气热分解产生活性氦原子，不断吸附到工件表面，并扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气体渗氮和离子渗氮。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 3）渗硫。在含硫介质中加热，使工件表面形成以FeS为主的转化膜的化学热处理工艺。硫不固溶于铁，且迄

23、今尚未证实渗硫工件的FeS膜内侧有硫的扩散层存在。 渗硫只能用来提高已淬硬或表面已经由渗碳、渗氮而硬化的成品工件的减摩和抗咬死性能。形成FeS型转化膜后，摩擦系数降低至处理前的l425；抗咬死载荷可提高25倍。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 4）渗硼。渗硼是模具制造中比较有效的化学热处理工艺。渗硼层硬度高（1 5002 000HV）、耐磨性好，耐热性能显著提高。 5）TD法。利用硼砂作为盐浴向金属表面扩散V、Nb、Ti、Cr等金属元素，由于硼砂熔点为740，其分解温度高达1 573，在渗金属的温度范围内（8501 000）极为稳定，而且熔融态的硼砂又能使金属表面洁净，有利于金属元素的吸附。上一页下一页返回四、知识拓展 热处理检验规范（硬度检验） 6）LT新工艺。武汉材料保护研究所研制的再生盐用于LT处理新工艺，可以实现金属表面的氮、硫、碳、氧四元共渗。提高了金属表面的抗咬合性、耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性，在模具上应用取得了良好的效果。 LT新工艺处理温度低（500580）、工艺时间