模具材料与热处理

模具钢及其热处理

马鹏飞

江苏大学机电培训学院

2010年7月2日1/16/20231江苏大学机电培训学院第一章钢的热处理第一节概述第二节退火与正火第三节钢的淬火第四节钢的回火第五节钢的表面淬火与化学热处理1/16/20232江苏大学机电培训学院第一节概述

1.热处理：是将金属在固态下加热、保温和冷却，使其内部的组织结构发生变化，以获得所需性能的工艺方法。2.热处理的作用：热处理是机械制造工艺中一个不可缺少的组成部分。它是充分发挥金属材料潜力，改善零件加工工艺性能，提高材料的使用性能，延长零件使用寿命的有效手段。3.热处理的基本过程：包括加热、保温、冷却三个阶段，右图为热处理工艺曲线。1/16/20233江苏大学机电培训学院4.热处理工艺方法热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热(高、中、低频)渗碳氮化碳氧共渗其他形变真空其他1/16/20234江苏大学机电培训学院第二节退火和正火

退火和正火主要是消除前一道工序(如铸造、锻造、轧制、焊接等)所带来的各种组织和性能上的缺陷，并为后一道工序(如切削加工、热处理)做组织准备，故也称为预备热处理。一、退火：将钢加热到一定温度，保温一定时间，随后缓慢冷却（一般采用随炉冷却的方法）至室温，以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺方法。（一）退火的目的1.降低钢的硬度，提高钢的塑性和韧性，以利于切削加工和冷变形加工。2.细化晶粒，均匀组织和成分，改善钢的性能，为以后的热处理做组织准备。3.消除钢中的残余应力，防止变形和开裂。（二）常用的退火方法按照钢的成分和处理目的的不同，常用的退火方法可分为：完全退火、球化退火和去应力退火等。1.完全退火：是将工件加热至完全奥氏体化，随后缓慢冷却，获得接近于平衡状态组织的退火工艺。主要用于共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接件等。亚共析钢完全退火后的组织为铁素体加珠光体。过共析钢在缓慢冷却时，钢中会析出网状渗碳体，使钢的力学性能和切削加工性能变坏，故不宜采用完全退火。2.球化退火：使钢中碳化物球化而进行的退火称为球化退火。球化退火组织是呈球状小颗粒的碳化物(或渗碳体)均匀地分布在铁素体基体中。可以降低硬度，改善工件的切削加工性，减少淬火时变形和开裂的倾向，淬火回火后能获得细针马氏体加粒状渗碳体，提高工件力学性能。因此，工具钢、轴承钢等锻轧后必须进行球化退火。球化退火的加热温度只略高于Ac1以上20℃～30℃，例如T8～T13钢为750℃～770℃，保温足够时间后缓慢冷却至500℃以下出炉空冷。1/16/20235江苏大学机电培训学院

3.去应力退火：为了消除工件因塑性变形加工、焊接、铸造等工艺造成的残余应力而进行的退火称为去应力退火。去应力退火的工艺是：将钢加热到略低于A1的温度（一般为500～600℃），经保温后缓慢冷却即可。在去应力退火中。钢的组织不发生变化，只是消除内应力。4.均匀化退火：均匀化退火也叫扩散退火。目的是为了消除晶内的偏析，使成分均匀。均匀化退火的实质是使合金元素的原子充分扩散，所以均匀化退火的工艺特点足温度高、时间长。如高合金铸件的退火温度可达1100～1250℃，而保温时间可达10～15h。二、正火：是将钢加热到Ac3或Accm以上，进行完全奥氏体化后，然后在空气中冷却，以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺方法。从实质上讲，正火是退火的一个特例。两者只是转变的过冷度不同，正火的冷却速度快。正火只适用于碳素钢及低、中合金钢，而不适用于高合金钢。正火的目的：1.细化组织，消除热加工中造成的缺陷，使组织正常化。2.用于低碳钢，可以提高硬度，改善切削加工性能。3.用于中碳钢，代替调质处理，为高频淬火做组织准备，以减少调质淬火时造成的变形，并且大大降低成本。4.用于高碳钢，可消除网状渗碳体，便于球化退火。5.对于性能要求不高时，可作为最终热处理。1/16/20236江苏大学机电培训学院三、退火与正火的选择1.从切削加工方面考虑：一般认为，硬度在170～230HB范围内的钢材，其切削加工性最好。作为预备热处理，低碳钢正火优于退火，而高碳钢正火后硬度过高，必须采用退火。2.从使用性能上考虑：对于亚析钢制的零件，正火处理比退火具有较好的力学性能。如果零件性能要求不高，可用正火作为最终热处理。3.从经济上考虑：正火比退火的生产周期短，成本低，操作方便，应优先采用正火。1/16/20237江苏大学机电培训学院第三节钢的淬火

一、淬火的概念及目的1.淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的冷却速度冷却至室温的热处理工艺方法。2.淬火的目的：主要是获得马氏体组织，为回火做组织准备；获得高硬度和耐磨性以及提高弹性和韧性，以达到强化材料的目的；使之具有某些特殊的物理和化学性能，如永磁性、耐蚀性和耐热性等。二、淬火加热温度的选择淬火加热温度选择应以得到成分均匀和晶粒细小的奥氏体；碳和其他合金元素充分溶解以保证较高的硬度和耐磨性；尽可能地降低氧化和脱碳以及淬火后变形和开裂的倾向；以获得高的力学性能等为原则。1.亚共析钢：Ac3＋（30～50℃），为了得到细小的奥氏体，以便在淬火后得到细小的马氏体组织。2.共析钢、过共析钢：Ac1＋（30～50℃），为了淬火后能形成在细小马氏体基体上均匀分布着细小渗碳体的组织。这种组织不仅耐磨性好，而且脆性也小。1/16/20238江苏大学机电培训学院

三、淬火介质1.常用的淬火冷却介质有水、盐类水溶液以及油、熔盐、空气等。2.对于临界冷却速度较大的碳钢，必须采用冷却能力较强的水及盐类水溶液等介质作为淬火介质；而对于临界冷却速度较小的合金钢，一般采用油作为冷却介质，以获得最佳的淬火效果。1/16/20239江苏大学机电培训学院

四、钢的淬透性及淬硬性

1.钢的淬透性a.淬透性：是指钢在规定条件下淬火，所能获得淬透层深度的能力。它反映了钢在淬火时过冷奥氏体转变成马氏体的难易程度。b.淬透性通常可用临界淬透直径来表示。临界淬透直径是指钢在某一种介质中淬火，从表面到心部全部能淬透的最大直径，用D0表示。c.临界冷却速度越低，钢的淬透性越好。如合金钢的淬透性比碳钢好。d.淬透性是钢的重要的热处理性能之一，其主要表现在两个方面：①淬透性好的钢，淬火后截面上的组织均匀一·致，综合力学性能好。②淬透性好的钢，冷却时可以采用冷却能力较弱的介质淬火，以减少工件的变形和开裂，保证淬火质量。

2.钢的淬硬性

钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火，能达到最大硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于含碳量，钢的含碳量越大．其淬硬性越高。1/16/202310江苏大学机电培训学院

六、冷处理工件淬火冷却到室温后，继续在o℃以下的一般制冷设备或低温介质中冷却的热处理工艺叫做冷处理。冷处理的目的主要是为了提高硬度和组织的稳定性，以及提高钢的磁性。

七、淬火缺陷

1.氧化和脱碳避免氧化和脱碳的方法主要有：预留足够的加工余量；采用脱氧良好的盐浴加热；采用保护气氛加热；采用高温短时间加热等。采用可控气氛加热或在氮和惰性气体等中性气氛中加热也是防止氧化脱碳的有效方法。2.过热及过烧钢在淬火加热时，由于加热温度过高或高温停留时间过长，造成奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。若加热温度达到固相线附近，晶界氧化并开始部分熔化的现象叫过烧。出现过热的工件可以通过正火加以纠止，出现过烧，工件只能是报废。1/16/202311江苏大学机电培训学院

3.淬火冷却变形和开裂由于淬火时产生的淬火应力，使工件的尺寸、形状发生人们不希望的变化叫做淬火变形。当应力过大，越过强度极限时，在工件上会产生裂纹，称为淬火开裂。

4.硬度不足和软点钢件淬火硬化后。表面硬度偏低的局部小区域称为软点。淬火工件整体硬度都低于淬火要求的硬度时称为硬度不足。1/16/202312江苏大学机电培训学院第四节钢的回火

一、回火的基本概念及目的1.回火：是指钢在淬火之后，再加热至A1点以下某一个温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。2.回火的目的：a.调整钢的硬度和强度，提高钢的韧性，获得所需的性能；b.消除淬火时的内应力，防止变形和开裂；c.稳定组织和尺寸。1/16/202313江苏大学机电培训学院二、回火时的组织及性能的变化

淬火钢回火时的组织变化可分为四个阶段：1.马氏体的分解（80～200℃）：在回火过程中，由过饱和程度降低的马氏体，与极分散的碳化物所组成的混合物称为回火马氏体。2.残余奥氏体的分解（200～300℃）：当钢加热温度超过200℃时，残余奥氏体开始分解，转变为下贝氏体或回火马氏体；到300℃时，分解基本结束。3.渗碳体的形成（300～400℃）：从马氏体中分解出的碳化物逐渐转变为颗粒状的渗碳体(Fe3C)，钢的内应力基本消除。4.渗碳体的聚集和长大：a.在400～500℃回火时形成的组织，渗碳体的颗粒极细小，而数目较多，这种铁素体和渗碳体的混合物称为回火托氏体。b.在500～600℃回火时形成的组织时，渗碳体较细小，均匀分布在铁素体基体上，这种混合组织称为回火索氏体。在回火加热过程中，因组织发生了变化，钢的性能也发生了改变，其趋势是随着加热温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性和韧性提高。1/16/202314江苏大学机电培训学院三、回火工艺参数

回火工艺参数主要包括回火温度、保温时间以及回火后的冷却等。

四、回火的分类及应用根据回火温度的不同，回火可以分为三类：1.低温回火(<250℃)：得到的组织是回火马氏体。其性能是：具有高的硬度和耐磨性能，有一定的韧性。主要用于刀具、量具、拉丝模以及其他要求硬而耐磨的零件。2.中温回火(350～500℃)：得到的组织为回火托氏体。其性能是：具有较高的弹性极限、屈服点和适当的韧性，硬度可达40～50HRC。主要用于弹性零件和热锻模。3.高温回火(>500℃)：得到的组织为回火索氏体。其性能是具有良好的综合力学性能(足够的强度与韧性相匹配)，硬度达25～40HRC。

生产中把淬火与高温回火的复合热处理工艺称为调质。广泛用于受力构件，如螺栓、连杆、曲轴等的热处理。与正火相比，不仅强度高，而且塑性、韧性远高于正火钢。因此重要零件均采用调质处理。1/16/202315江苏大学机电培训学院

五、回火脆性

1.回火脆性：淬火钢回火时，随着回火温度的升高，硬度降低而塑性提高。此时，钢的韧性也应随之提高，但在某些温度区间回火后，韧性反而大大降低，这种现象称为回火脆性。2.第一类回火脆性（250～400℃）：又叫做“低温回火脆性”或“不可逆回火脆性”。3.第二类回火脆性（450～650℃）：又叫作“高温回火脆性”或“可逆回火脆性“。淬火的合金钢在450～650℃之间回火并慢冷之后，就出现这种脆性。重新在较高温度回火并快冷，韧性又会提高。1/16/202316江苏大学机电培训学院第五节钢的表面淬火及化学热处理

一、钢的表面淬火

表面淬火：是指不改变零件表面的化学成分，而只通过强化手段改变表面组织状态的热处理方法。表面淬火的目的：利用快速加热方法将表面层奥氏体化，然后淬火，心部组织并不发生变化，表面获得马氏体的组织结构，使心部具有足够的塑性和韧性，表面获得高的硬度和耐磨性。用于：中碳钢、中碳低合金钢、高碳工具钢、铸铁等，硬度可比普通淬火高2～3HRC。通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。1/16/202317江苏大学机电培训学院

1.火焰加热表面淬火：是指采用氧－乙炔(或其他可燃气体)火焰对零件表面进行加热，随之快速冷却的淬火工艺。表面加热用的高温火焰，是由两种气体混合后高速燃烧形成的。一种是氧化气，主要有氧气；另一种是燃料气，主要有乙炔(C2H2)、丙烷(C3H3)、天然气、液化石油气等。1/16/202318江苏大学机电培训学院

2.感应加热表面淬火：感应加热表面淬火是以交变电磁场作为加热介质，利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火方法。感应加热淬火的特点：1)加热速度快。加热到淬火温度仅需要几秒到几十秒的时间。2)淬火质量好。加热迅速，奥氏体晶粒细小。获得细针马氏体，硬度比普通淬火的高2～3HRc。3)淬硬层深度易于控制。1/16/202319江苏大学机电培训学院二、钢的化学热处理化学热处理：是将工件置于一定温度的化学活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变工件表层的化学成分、组织结构和性能的热处理工艺。化学热处理的基本过程：a.分解：介质在一定的温度下发生化学分解，产生渗入元素的活性原子。b.吸收：活性原子被工件表面吸收。c.扩散：渗入的活性原子，由表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层。1/16/202320江苏大学机电培训学院

1.钢的渗碳将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳的目的：提高钢件表层的含碳量和形成一定的碳浓度梯度。渗碳工件经淬火及低温回火后，表面获得高硬度，而其内部又具有高韧性。渗碳零件必须采用低碳钢或低碳合金钢来制造。主要用于承受较大冲击载荷和严重磨损的零件，表面硬度一般可达57～65HRC左右。

2.钢的渗氮在一定温度下（一般在Ac1温度以下），使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮。渗氮的目的：能使工件比渗碳获得更高的表面硬度、耐磨性、热硬性和疲劳强度，同时还提高工件的抗腐蚀性能。常用的渗氮方法是气体渗氮。

1/16/202321江苏大学机电培训学院

3.碳氮共渗4.离子渗氮

离子渗氮是将工件放在真空容器中，充入低压(133～1333Pa)氮气和氨气的混合气，并在阳极和阴极之间加上上百伏的电压，使两极间的气体放电而电离，利用高能粒子束对工件进行轰击并对工件进行加热，从而在工件表层渗入氮原子的化学热处理方法。离子渗氮具有渗氮速度快；渗层容易控制；渗氮层脆性小、致密性好，可直接使用；零件变形小并可使工件保持足够的心部强度和较高的承载能力；节约能源，成本较低等优点。但设备复杂，渗氮时间不易控制等缺点。1/16/202322江苏大学机电培训学院第二章模具钢及其热处理

第一节冷作模具钢及其热处理

第二节热作模具钢及其热处理

第三节塑料模具钢及其热处理1/16/202323江苏大学机电培训学院1.冷作模具钢及其热处理冷作模具钢用于制造使金属在冷态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模、拉深模等，有时还用于制造其他工具(如剪刀片等)。这类模具工作时的实际温度一般不超过200～300℃。

（1）冷作模具钢的性能要求

冷作模具在冷态下工作，被加工材料的变形抗力较大，模具的刃口部分受到强烈的摩擦和挤压，因此冷作模具钢需满足以下性能要求。①高的硬度和耐磨性，工作时保持锋利的刃口；②较高的强度和韧性，工作时刃部不易崩裂或塌陷；③较好的淬透性，保证淬火态有较高的硬度和一定的淬透深度；④较好的加工工艺性能，热处理变形小，在复杂断面上不易淬裂。1/16/202324江苏大学机电培训学院

（2）冷作模具钢的化学成分特点

①高碳：碳的质量分数一般在1％左右，个别达2.0％，以保证高硬度和高耐磨性。②高合金：常用的合金元素有Cr、Mn、Mo、W、V等。Mn、Cr等能提高淬透性，碳化物形成元素能形成难溶碳化物，细化晶粒、提高耐磨性。

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202325江苏大学机电培训学院（3）常用冷作模具钢及其热处理冷作模具钢使用的钢材分为：碳素工具钢、低合金工具钢、高铬及中铬模具钢、基体钢、高速钢等。①碳素工具钢和低合金工具钢：碳素钢一般选用高级优质碳素工具钢，以改善模具的韧性。对耐磨性要求较高、不受或受冲击较小的可选用T13A、T12A；对受较大冲击的模具则应选择T7A、T8A；而对耐磨性和韧性均有一定要求的模具(如冷镦模)可选择T10A。优点是加工性能好、成本低；缺点是淬透性低、耐磨性欠佳、淬火变形大、使用寿命低。故一般只适合制造尺寸小、形状简单、精度低的轻负荷模具。

低合金工具钢常用的钢号有9Mn2V、9SiCr、CrWMn和滚动轴承钢GCrl5。优点是低合金工具钢具有较高的淬透性、较好的回火稳定性、较好的耐磨性和较小的淬火变形，综合力学性能较好。缺点是网状碳化物倾向较大，因韧性不足而可能导致模具的崩刃或折断等早期失效。常用于制造尺寸较大、形状较复杂、精度较高的低中负荷模具。

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202326江苏大学机电培训学院（3）常用冷作模具钢及其热处理①碳素工具钢和低合金工具钢热处理工艺包括球化退火、淬火与低温回火。由于模具尺寸大、精度要求高，为增加淬透层深度，适当提高淬火温度，延长保温时间。加热温度一般提高10～30℃。采用缓慢升温或分级预热，以防变形。变形要求严格，厚度＜35mm碳素钢模具和厚度＞35mm的低合金模具钢，可采用碱液分级淬火。

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202327江苏大学机电培训学院（3）常用冷作模具钢及其热处理②高铬和中铬冷作模具钢：是一种专用的冷作模具钢，具有更高的淬透性、耐磨性和承载强度，且淬火变形小，广泛用于尺寸大、形状复杂、精度高的重载冷作模具。高铬模具钢Crl2型常用的有三个牌号：Crl2和Crl2MoV、Crl2Mo1V1。Crl2钢的ωC高达2.0％～2.3％，属莱氏体钢。它具有优良的淬透性和耐磨性，但韧性较差，多用于小动载条件又要求高耐磨或形状简单的拉伸模和冲裁模，在正确设计的情况下可以冲压厚度小于6mm的钢板。Crl2MoV和Crl2Mo1V1的ωC降至1.45％～1.70％和1.40％～1.60％。它们有相似的性能和较好的淬透性，在保持Crl2钢优点的基础上，其韧性得以改善，具有一定的热硬性，在用于对韧性不足而易于开裂、崩刃的模具上，已取代Crl2钢；若要求具有好的抗回火稳定性时，则宜选择钼和钒质量分数较高的Crl2Mo1V1钢。高碳高铬型钢是一种莱氏体钢，锻造与预备热处理方式与高速钢相似，退火后的硬度低于255HBW。

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202328江苏大学机电培训学院（3）常用冷作模具钢及其热处理热处理工艺：

a.一次硬化法：采用较低的温度淬火，再低温回火。Crl2MoV钢导热性差，淬火前通常进行两次预热。温度分别为：400～500℃和800～850℃，淬火温度为：1030～1050℃。Crl2钢只采用一次硬化法，淬火温度为950～980℃，回火温度为180～200℃，保温时间为2～3h。一次硬化处理使钢具有高的硬度和耐磨性，较小的热处理变形。大多数Crl2钢制冷作模具均使用此工艺。

b.二次硬化法：高温下淬火，再多次高温回火，使残余奥氏体转变为马氏体，达到二次硬化。Crl2MoV钢的淬火温度为1080～1120℃，回火温度为500～520℃，每次1h，回火次数为3～4次。这样能获得高硬度和高热硬性，但韧性降低，尺寸会涨大。中铬模具钢是针对Crl2型高铬模具钢中碳化物多而粗大，且分布不均匀的缺点发展起来的钢种。典型的牌号有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MolV，其中Cr4W2MoV使用较多。此类钢的ωC进一步降至1.0％～1.25％，突出的优点是形成的碳化物细小且呈均匀分布状态，韧性明显改善，热处理变形小，综合力学性能较佳。可用于代替Crl2型钢制造易崩刃、开裂与折断的冷作模具，其寿命大幅度提高。Cr6WV钢的淬火温度为960～980℃，热油淬火。由于这种钢的淬火开裂倾向比高碳高铬钢大，所以在热处理时应注意预热和热介质淬火，并及时回火。回火温度在160～200℃，保温时间为1.5～3h。

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202329江苏大学机电培训学院

（3）常用冷作模具钢及其热处理③基体钢和低碳高速钢类冷作模具钢:对要求高耐磨性的模具(如某些冷挤压的冲头)也有采用高速钢来制造的，为提高它的韧性而研究发展了基体钢，基体钢中共晶碳化物数量少且细小均匀，韧性也相对提高了。近年来研制的基体钢是以W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2钢的基体成分为基础发展改性的。其中含镍基体钢6Cr4Mo3Ni2WV的强度和断裂韧度都较高，但其热加工时易产生内裂而报废，生产成本高。含钛基体钢中6W8Cr4VTi有较高的硬度、强度和高温性能以及回火稳定性，多用于冷冲切边模具等。而6Cr5Mo3W2VSiTi则相对有较好的强韧性，多用于承受冲击载荷较大的冷挤压冷冲压模具。6Cr4W3Mo2VNb和6W6Mo5Cr4V钢有较好的加工工艺性、高强度及较好的韧性，且耐磨性也好，一般多用于要求高强韧性的冷挤压模和冷冲模。基体钢具有更加优良的强韧性，不仅可用做冷作模具钢，也可用做热作模具钢。由于低碳高速钢(如6W6Mo5Cr4V等)碳质量分数或合金元素质量分数下降，碳化物数量减少且均匀性提高，使钢的强韧性明显改善，常用于高冲击载荷下要求耐磨损的模具。

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202330江苏大学机电培训学院

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202331江苏大学机电培训学院

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202332江苏大学机电培训学院

（4）典型冷作模具的选材与热处理工艺

冲制硅钢片凹模的工作条件、性能要求、选材、热处理工艺①工作条件及性能要求：工作时要承受强大的剪切力、压力、冲击力及摩擦力，其表面应有高硬度、高耐磨性、良好的疲劳强度和足够的韧性。为保证凹、凸模的刃口部分配合精确，热处理变形要小。碳钢的耐磨性及热处理变形性能无法满足上述要求。低合金钢虽能满足变形小的要求，但耐磨性欠缺。高碳高铬钢Crl2MoV具有耐磨性高、热处理变形小的特点，故选用制造凹模。②加工路线：锻造、球化退火、粗加工、淬火、回火、电加工成形。③热处理工艺a.预热工艺：为减少变形，缩短高温淬火加热时间，进行两次预热。第一次加热温度650～680℃，保温时间1.5～2h，然后空冷。第二次加热温度500～550℃，保温时间1h，随后进行淬火加热。b.淬火工艺：加热温度1020～1040℃，保温时间10min，出炉预冷片刻，淬入140～150℃热油中，待凹模冷至300℃时，出油空冷。c.回火工艺：回火温度200～220℃，保温时间2h，进行两次回火。

1.冷作模具钢及其热处理1/16/202333江苏大学机电培训学院

热作模具钢用于制造加热到再结晶温度以上的金属或液态金属压制成工件的模具。如锻压模、热挤压模、压铸模等，工作温度可达600℃。

（1）热作模具钢的性能要求：在受热和冷却条件下工作，同时承受热应力和机械应力的作用，因此热作模具钢需满足以下性能要求。①在使用温度下具有良好的硬度、强度和热稳定性，防止模具变形。②较高的韧性。很多热作模具，特别是锻锤用模具，要承受较高的冲击载荷，为防止模具开裂和裂纹扩展造成事故，要求具有较高的冲击韧度和断裂韧度。③良好的抗热疲劳性能：很多热作模具钢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。为了防止模具表面产生热疲劳裂纹，要求模具钢具有良好的抗热疲劳能力。④化学稳定性：热作模具在较高的温度下工作，和空气、液态金属或其他介质接触，要求模具钢具有良好的抗氧化性能或抗液态金属冲蚀性能。⑤较好的工艺性：为便于制造模具，要求热作模具钢具有良好的锻造性、切削加工性、焊接性和热处理变形小等性能。

2.热作模具钢及其热处理1/16/202334江苏大学机电培训学院（2）化学成分特点

合金热作模具钢C的质量分数在0.3％～0.6％之间，属中碳合金工具钢。这样C的质量分数可保证经中、高温回火后获得优良的强度与韧度。主加合金元素有Cr、Ni、Si、Mn等，其主要作用是提高钢的淬透性和强化铁素体，以提高强度及抗热疲劳性能；辅加元素有W、V等，主要作用是细化晶粒，提高钢的回火稳定性；Mo主要用来防止产生第二类回火脆性及提高回火稳定性。

2.热作模具钢及其热处理1/16/202335江苏大学机电培训学院

（3）常用热作模具钢及其热处理a.按模具的用途可分为：热锻模用钢、热挤压模用钢和压铸模用钢。b.热锻模对韧度要求高而对热硬性要求不太高，典型钢种有5CrMnMo和5CrNiMo钢。这两种钢的性能基本相同，但Mn在改善韧度方面比Ni差，因此5CrMnMo钢只适于制造中小型热锻模，而5CrNiMo钢则适用于制造大型热锻模。c.热压模受的冲击载荷较小，但对热硬性要求高，常用钢种有3Cr2W8V钢等。d.预先热处理是锻造后的球化退火，目的是为了消除锻造应力、降低硬度、改善切削加工性，以及改善组织、细化晶粒等。e.最终热处理是淬火后进行高温回火，以使基体获得回火托氏体或回火索氏体组织而保证有较高的韧度。此外，钢中W、Mo、V等合金元素使在回火时析出细小的合金碳化物而产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下保持较高的硬度。f.3Cr2W8V钢的热处理与高速钢相似，为达到二次硬化效果，采用较高的淬火温度，经3～4次回火，析出弥散分布的特殊碳化物，并使残余奥氏体充分转变。g.热作模具钢球化退火组织为：球状珠光体和粒状碳化物，硬度在190～250HBS之间。淬火、回火后的组织为：回火托氏体或索氏体组织和均匀分布的细小碳化物，硬度一般在30HRC以上，有的钢种(如3Cr2W8V钢)可达到50HRC以上。

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（4）典型热作模具的热处理工艺

①热锻模具的热处理工艺小热锻模一般先切削加工后淬火、回火，这是由于其形状简单，冷却快，硬度高，因而不拟淬火、回火后再切削加工。大、中型热锻模一般先粗加工，再淬、回火及精加工。热锻模的加工工艺路线一般为：锻造、退火、机械加工、淬火、回火。a.锻造：为消除轧材组织的方向性，使其性能尽可能均匀，模具坯料要进行至少2～3次的拔长和镦粗。5CrNiMo和5CrMnMo钢的锻造加热温度为1150～1180℃，终锻温度为850～880℃。锻造后缓冷，以防产生白点和形成马氏体。大型模具应放入600℃炉内，等温均匀后，再冷至150～200℃，然后空冷。b.退火：为细化组织，消除锻造应力，降低硬度，便于加工，可进行退火处理或高温回火。5CrNiMo和5CrMnMo的退火加热温度为830～850℃，保温时间为4～6h，退火后硬度为197～241HBS。

2.热作模具钢及其热处理1/16/202339江苏大学机电培训学院（4）典型热作模具的热处理工艺

①热锻模具的热处理工艺c.淬火：预热温度为500～600℃，时间为6min/mm。5CrNiMo的常用淬火温度是840～860℃，5CrMnMo钢是830～850℃。由于热锻模具钢淬透性好，可采用油冷、硝盐分级或等温淬火，最常用的是油冷。为减少淬火内应力和变形，锻模从炉内取出后，在空气中预冷至750～780℃，然后淬油。中、小型模具预冷约5～15min；大型锻模约20～40min。为保证淬火质量，淬火油采用循环冷却，油温不超过70℃。冷至150～200℃，立即回火，绝不允许冷至室温。d.回火：回火温度根据其性能要求来确定。锻模淬火后的应力很大，直接装入回火炉加热，容易引起开裂，所以经常先在350～400℃加热后，再缓慢升温到回火温度。回火时间一般不小于2h。

2.热作模具钢及其热处理1/16/202340江苏大学机电培训学院（4）典型热作模具的热处理工艺

②压铸模的热处理工艺压铸模具钢分为两类：一类是压铸较低熔点金属的模具用钢，如：锌合金压铸模通常选用30CrMnSi、40Cr、50CrMnMo等低合金钢制造，镁合金压铸模通常选用3Cr2W8V钢制造；另一类是压铸高熔点金属的模具用钢，如铜合金、黑色金属的压铸模具常用3Cr2W8V钢制造。3Cr2W8V钢是常用于制造铝合金和铜合金的压铸模。钢含碳量不高，导热性好、韧性高。W的加入可提高回火稳定性，使钢具有较高的热硬性和热强性。Cr可以提高淬透性和抗氧化性。V可以细化晶粒、改善韧性，增强二次硬化的效果。a.预备热处理：3Cr2W8V钢锻造后采用等温退火，加热温度为830～850℃，保温后冷至720～740℃，等温3～4h，然后冷至550℃出炉，退火后组织为：珠光体+碳化物。对于形状复杂、变形不容易控制的压铸模，在粗加工后、精加工前需进行调质处理，以达到细化晶粒，改善性能，为最终热处理作好组织准备。b.最终热处理：采用1050～1100℃的淬火加热温度。为减少变形，一般采用400～500℃及800～850℃两次预热。用于压铸高熔点金属的模具，可以选用1100～1050℃进行淬火。3Cr2W8V钢淬透性好，一般用油冷。对于形状复杂的模具必须采用分级或等温淬火。回火温度可根据硬度要求来确定，保温时间为2～3h，次数为2～3次。

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