第三章 热作模具材料(1+2)

第三章热作模具材料

§3-1对热作模具材料性能要求及成份特点热作模具是将加热的(高于再结晶温度)或高温液态的金属进行热变形加工和压力铸造成型的模具。热作模具种类较多，每类模具工作状态不完全相同，分析对材料性能的要求，必须首先了解模具的工作条件。1、分类1）热分离模具（热切边模、热冲裁模等）2）热变形模具（热锻模、热挤压模）3）压铸模（有色金属、黑色金属）2、工作条件1）设备与负荷使用主要设备：热模锻压力机、锻锤和压铸机等。使用热模锻压力机，模具与被加工材料接触时间较长，模具温度升高较大，但冲击负荷比较小。使用锻锤，模具与被加工材料接触时间短，模具温度升高较小，但冲击负荷比较大。使用压铸机：模具与被加工材料接触时间长，模具温度很高，此外模具表面受到高压、冲刷。

2）被加工材料与负荷有色金属（受热小、温度低、磨损和热疲劳）黑色金属（受热多、温度高、模具材料易软化、磨损和热疲劳）3）润滑以及冷却条件与负荷润滑的目的是为了减小材料与模具表面的摩擦；冷却则是为了缩短生产循环时间，但模具温度波动较大，容易造成冷热疲劳。3、对热作模具材料的要求良好的韧性良好的耐磨性和较高的硬度——摩擦、氧化、腐蚀、氧化皮等因素均可造成模具发生严重磨损较高的热稳定性、较高的高温强度——高温下仍保持常温力学性能，否则会发生软化——塑性变形——塌陷良好的耐冷热疲劳性能——断裂（龟裂）良好的导热性——维持正常工作循环，排出热量高淬透性——各处力学性能比较均匀、承受较大负荷良好的工艺性——加工方法和成本成份特点热作模具材料具有较高的韧性，因此含C量稍低，含C量一般在0,4-0,6％之间。含C量减少，可提高韧性，但同时硬度会降低。含有Cr、Mn、Ni、Si、Mo、W、V等合金元素。这些元素可以明显提高淬透性、热硬性、高温强度、热疲劳抗力等。比如：Cr元素可以提高材料的淬透性、耐磨性以及材料的抗氧化能力。W和Mo元素可提高材料的高温强度和热疲劳抗力。具体内容可参考冷作模具材料§3-2热作模具钢及热处理为了便于对模具材料进行系统分析，先对热作模具材料进行分类。从实际生产中来看，绝大部分的热作模具材料是热作模具钢，首先来看一下模具钢的分类，其他热作模具材料后面再讲。

一、热作模具钢的分类根据不同的标准有以下几种分类方法：1、按照工艺用途来分：热模锻模具钢、热挤压模具钢、压铸模具钢、热冲裁模具。2、按照工作温度来分：低耐热模具钢（350-370℃）、中耐热模具钢（550-600℃）、高耐热模具钢（580-650℃）3、按照使用性能来分：高韧性热作模具钢、高热强度热作模具钢、高耐磨热作模具钢4、按照合金元素的含量分：低合金、中合金、高合金模具钢按用途分按性能分按温度分钢号锤锻模用钢高韧性热模钢低耐热模具钢（≤350~370℃）5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi热锻模、热挤压模用钢高热强热模钢中耐热模具钢（550~600℃）4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐热模具钢（580~650℃）3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、4Cr3Mo3SiV、5Cr4W5Mo2V压铸模用钢高热强热模钢中耐热模具钢4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐热模具钢3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V热冲裁模用钢高耐磨热模钢低耐热模具钢8Cr3、7Cr3热作模具钢的分类二、热模锻模具用钢及其热处理热模锻模具在高温条件下，通过冲击力或压力使炙热的金属发生塑性变形而成型。热模锻模具包括锤锻模、热模锻压力机锻模、热镦模、精锻模和高速锤锻模等。热锻模在工作时受到冲击力或压力作用，据此可以将热锻模分为2大类：以受冲击力为主的模具和以受压力为主的模具。第2类模具工作情况与热挤压类似，选材参考热挤压。在此主要讨论以受冲击为主的模具材料，即锤锻模材料。1、锤锻模的工作条件模具在工作时受到的主要负荷为冲击负荷，此外还会受到较大压应力和拉应力的作用。成型过程在高温下进行，模具型腔温度因与坯料接触而快速升高，一般模具温度可升高300-400℃，局部升高500-600℃，温度波动大约200℃。模具温度升高速度很快，取出锻件后必须用水、油或者压缩空气对模具进行冷却，使工件和模具迅速冷却，以进行下个工作循环。在这个过程中，温度变化会造成模具上应力出现变化。此外，由于成型过程中材料转移，坯料与模具表面之间存在强烈摩擦。2、失效形式磨损（粘着、氧化和磨料磨损）塑性变形（塌陷）断裂（脆断、崩裂、燕尾开裂、表面龟裂）3、对锤锻模材料的主要性能要求高温强度冲击韧性耐磨性、硬度冷热疲劳性能导热性淬透性抗氧化性工艺性能4、锤锻模材料主要钢种可供选择的锤锻模材料不是太多，主要有5CrMnMo5CrNiMo4CrMnSiMoV4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV15Cr2NiMoVSi45Cr2NiMoVSi（2713）5、典型钢种的性能特点：1）5CrNiMo5CrNiMo是应用最为广泛的热作模具材料之一，特点：良好的韧性和强度高耐磨性和一定的硬度良好的高温性能（在500-600℃温度下使用，性能和常温下没有大变化）(即中、高温性能较好)淬透性很好（300-400mm可以淬透）冷热加工性能很好缺点是锻造之后容易出现白点白点白点实质上是一种裂纹。奥氏体温度较低时，H元素在奥氏体中的溶解度急剧下降，当温度下降速度很快时，H元素就来不及扩散到钢的表面逸出，于是就聚集在钢材内部有缺陷的部位，并由原子态变为分子态，H分子在这些部位产生很大的压力，当压力超过了强度极限（抗拉）时就会在该处形成裂纹，即所谓的白点。2）5CrMnMo具有与5CrNiMo类似的性能，总体比5CrNiMo略差，具有良好的中、低温性能，主要表现在：冲击韧性稍差；淬透性稍差；在高温条件下的耐疲劳性能略差；热处理过热倾向性提高。3）4CrMnSiMoV（性能接近中耐热钢）较高的高温强度和韧性；高耐磨性能；高耐疲劳性能；淬透性很好；冷热加工性能良好；各种性能均优于5CrNiMo。4）45Cr2NiMoVSi（中、高耐热钢）与5CrNiMo相比这种材料具有以下特点：较高的强韧性抗热疲劳和耐热磨损性能良好良好的热稳定性（比5CrNiMo高150℃左右）淬透性提高锻造和热处理性能良好（主要原因是开裂倾向性减小、锻造温度范围宽）冷加工难度稍微增加6、锤锻模材料的选用以中、低耐热钢为主中小型模具（<3t）：5CrMnMo、5CrNiMo大型模具（>3t）：5CrNiMo、4CrMnSiMoV大型重载：5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi具体见表锤锻模材料选用举例及硬度要求

7、模具材料的锻造和热处理模具的制造过程1）制造工艺路线下料---锻造---退火---机械粗加工---探伤---精加工或者成型加工---淬、回火---钳修---抛光---装配2）5CrNiMo和5CrMnMo的锻造和热处理规范锻造坯料存在成分偏析、组织偏析、C化物分布不均、大小形状不符合要求，此外晶粒较粗大，内部有很多缺陷等。规范：加热温度：1100-1150℃始锻温度：1100-1050℃终锻温度：850-800℃锻后冷却：先缓冷至150-200℃，后空冷。（防止白点）锻后热处理（或者球化退火）目的：降低材料硬度便于机械加工消除材料内部应力，防止在热处理时出现变形、开裂等细化晶粒，为此后的热处理作好组织上的准备规范：加热到780-800℃（5CrNiMo）850-870℃（5CrMnMo）随炉保温4-6h，然后随炉缓慢冷却至500℃，后空冷，处理后材料的硬度在197-241HBS的范围内。热处理目的：赋予材料所应当具有的使用性能，包括下述内容：淬火（加热规范、淬火温度、方法、介质等）加热规范包括加热方法、加热温度、加热速度、保护措施等回火（回火的温度、方法、介质等）。淬火加热过程中采取适当的保护措施，避免工件表面出现脱C和氧化。比如在盐浴炉、箱式炉或者真空炉内将工件加热，此外还可对工件表面进行保护，比如涂上保护剂等。淬火温度：830-850℃（5CrMnMo）

830-860℃（5CrNiMo）淬火后硬度：5CrMnMo---52-58HRC5CrNiMo----53-58HRC这2种材料均可以采用多种方法进行淬火，比如油淬、分级淬火、等温淬火等。其中最常使用的是油淬。回火一般采用中温或者高温回火。回火分2部分，即模具型腔部分回火和燕尾回火。燕尾直接与锤头接触，其硬度略高于锤头，根部容易产生应力集中，所以硬度不能太高。模具型腔在工作的过程中，很容易发生磨损，因此必须具备较高的硬度。通过上面的分析我们知道，燕尾的硬度要低于型腔的硬度，具体怎样实现这一要求？燕尾可采用单独回火或者自行回火的方法进行处理。单独加热回火就是先将模具型腔进行回火，然后再用电炉或者盐浴炉对燕尾部分单独加热回火。在淬火过程中，将淬入油中的模具燕尾部分提出油面停留一段时间，依靠其自身的热量使燕尾温度升高，如此反复3-5次即可，即自行回火。锤锻模硬度不宜太高，否则材料韧性就会下降，在使用过程中很容易出现开裂。也不宜太低，太低模具型腔容易被压坏且磨损加剧。材料硬度一般随着回火温度的升高而降低，而冲击韧性则恰好相反。因此在选择时要注意二者的平衡。5CrMnMo：回火温度模具型腔：460-480℃，硬度：42-47HRC燕尾：600-620℃硬度：35-39HRC热作模具钢的热处理其他类型热锻模的材料选用举例及其硬度要求三、热挤压模具用钢及热处理热挤压是将炽热的金属加工成工件，在此过程中，模具要承受哪些负荷、如何失效？1、工作条件巨大的压应力拉应力一定的冲击负荷（比锤锻模小得多）温升高（与坯料接触时间更长）急冷急热产生的温度应力摩擦大弯曲影响温升因素被挤压材料（温度）铝合金450-480℃Cu、Ti合金650-800℃钢材1100-1250℃不锈钢更高工艺反挤压、复合挤压温度升高比正挤压高。毛坯尺寸尺寸大，则温升高。2、失效形式塑性变形（型面坍塌etc），原因是强度不足断裂脆断----主要是存在弯曲力、拉力龟裂----主要是冷热疲劳开裂----韧性不足的表现磨损存在磨料、粘着、氧化和疲劳等几种3、对材料的性能要求良好的高温强度；较高的硬度和耐磨性；一定的韧性（要求比锻模低）；较高的冷热疲劳抗力；较高的抗氧化能力；高淬透性；优良的加工工艺性。4、典型钢种的性能特点可供选择的热挤压用模具材料种类比较多，主要有Cr系、W系、Cr-Mo系、W-Mo系等，具体可以参考有关书籍。在实际生产中真正能够良好使用的材料并不是很多，下面就介绍常用的几种材料。1）4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1这2种材料基本上可以划归中耐热钢，即中温性能比较好，具体有：良好的高温强度和韧性；良好的硬度和耐磨性；耐冷热疲劳性能较好（Cr、Si元素）淬透性较好（尺寸小的工件可以直接采用空冷淬火、大件则必须油淬>100mm）锻造时变形抗力小、开裂倾向性小、但锻造温度范围窄。

2)3Cr2W8V这种材料可以划归高耐热钢，高温性能较好，具体有具有高的高温强度具有高的硬度和耐磨性；具有较好的热稳定性；塑性和韧性较差（过共析莱氏体钢）淬透性差（临界尺寸80mm）耐冷热疲劳性能一般目前很多钢种都是在3Cr2W8V的基础上发展起来的，或者说是对3Cr2W8V的某些性能改进产生的。5、选材主要根据被挤压材料和挤压温度1）轻金属及其合金（Al、Mg等），挤压温度350-510℃，可以选用中耐热钢（4Cr5MoSiV、或4Cr5MoSiV1）2）铜、钢材（1100-1260℃）可以选用高耐热钢（3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2Vetc.）重点补充：现在很多产品采用温挤压来生产，主要使用的模具材料是高速钢（W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2etc）。6、热加工及特点制造工艺路线：下料----锻造----锻后处理----机械加工----淬、回火----精加工----装配下面我们来分析一下热加工工序的特点1）锻造工艺材料多为高合金钢，因此锻造相对比较困难，在锻造过程中要注意：锻造方法；加热冷却规范；锻造温度范围；注意含Mo的材料在加热的过程中容易出现脱C现象。具体工艺见表常用热挤压模具钢的锻造工艺2）锻后处理有2种方法。球化退火：降低硬度、消除内部应力、调整组织和结构。具体工艺参考表。高温调质：改善毛坯锻造之后的力学性能，具体是将锻件加热到淬火温度淬火，然后高温回火，主要可以改善C化物的形状、大小和分布，改善材料的韧性。正火：消除粗大晶粒及链状C化物（即出现过热现象）

热挤压模具钢的退火工艺3）淬火和回火淬火的方法有多种：比如油淬、空淬、分级淬火、等温淬火等。淬火温度主要根据钢材种类以及硬度和韧性要求。中耐热钢：淬火温度1010-1060℃，淬火硬度50-59HRC高耐热钢：淬火温度1050-1140℃，淬火硬度53-62HRC回火温度：在基本满足韧性要求的前提下，尽量选择较低的回火温度，以提高材料的硬度。热挤压模具钢的常规热处理工艺热挤压模的材料选用及硬度要求续例题：有一实芯铝合金件，拟采用热挤压的方法生产，试确定模具材料和简单的制造工艺路线，并制定简单的锻造和热处理规范。模具材料：挤压凸、凹模均采用4Cr5MoSiV1（表）制造工艺路线：下料----锻造----锻后处理----机加工----淬火、回火---修磨----装配锻造工艺始锻温度：1100-1060终锻温度：900-850锻后缓冷。热处理锻后处理：加热T：860-890℃等温T：720-700℃（3-4Hrs）随炉冷却至500℃出炉空冷。处理后硬度<223HBS淬火、回火淬火温度：1040-1020℃淬火硬度：53-55HRC淬火介质：油回火温度：560-580℃回火硬度：47-49HRC三、热冲裁模具用钢及热处理1、工作条件热冲裁模具的工作原理与冷冲裁完全一样，都是通过剪切完成成型工艺，在剪切的过程中刃口与坯料相互摩擦。同时，也承受一定的冲击负荷，由于是热冲裁，因此模具在使用的过程中刃口的温度降升高，所以其工作条件稍微复杂。在热冲裁的过程中，冲裁模的受力和温升与下述因素有关：1）设备既可以使用压力机，也可以使用锤，但是2者有差别2）坯料因素坯料的厚度坯料的材质2、主要的失效形式刃口磨损、崩刃、卷边3、对材料的性能要求较高的耐磨性；较高的硬度；较高的热硬性；良好的韧性；优良的制造工艺性4、可选择的材料7Cr13、8Cr13、6CrW2Si、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8Vetc.，也可采用硬质合金。

热冲裁模的材料选用举例及其要求的硬度5、典型钢种及热处理最常使用的材料是8Cr13，使用硬度具体要看被加工材料，主要是材料种类，当然也与材料的厚度有关（厚度与模具材料硬度关系、模具材料硬度和韧性之间的关系）热处理主要包括退火和淬、回火球化退火：加热到790-810℃，保温2-3小时，出炉冷却至720-700℃等温3-4h，炉冷至600℃空冷。硬度<241HBS淬火：加热到820-840℃，空冷至780℃左右，油淬，150-200℃左右出油，并立即回火（防止变形和开裂）。回火：根据具体情况而定，一般采用中、高温回火，回火温度根据硬度要求而定，比如480-520℃回火后硬度可以达到41-45HRC，但是回火温度不能太低，否则韧性不足。四、压铸模具用钢及热处理压铸模是将高压进入模具型腔的液态金属成型的一种铸造模具。1、工作条件在工作的过程中，模具反复与炙热金属接触，主要承受以下负荷：承受高压作用，一般压力为30-150Mpa与高温金属（400-1600℃）接触时间长，模具温度可以达到300-1000℃急冷急热，反复被加热冷却，出现交变温度应力严重冲刷模具，并伴随剧烈的摩擦

2、失效形式龟裂---出现网状裂纹（疲劳破坏）磨损----主要由于冲蚀和气蚀而造成，特别是低温合金主要以磨损方式破坏气蚀：气蚀是由于腐蚀性气体造成的，在金属表面上形成的类似海绵状的空穴结构。冲蚀：冲蚀是由于金属流体对模具表面的冲刷而形成的凹坑或麻点。3、对模具材料的性能要求优良的耐热疲劳性能优良的高温强度足够的硬度和耐磨性高淬透性（整个截面性能较均匀，对大尺寸模具尤为重要）高的导热性能良好的抗粘模性能（很多材料并不具备这样的性能，但可通过表面处理达到要求）较高的耐腐蚀性一定的韧性良好的抗氧化性能4、材料的选择根据被压铸材料，主要以高温耐热合金为主。压铸Zn（400℃左右）选择低耐热、或中耐热钢为主。如5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSIV等。Al（600℃）主要选择中、高耐热钢，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、或3Cr2W8V。Al-Mg-Zn合金（600-750℃）主要选择中、高耐热钢，见上述材料。Cu（800℃）通常选用3Cr2W8V或者其它含有Co元素的W系高耐热钢。钢（1000℃）可选择3Cr2W8V，表面渗铝，但是寿命很短。压铸模成形部分零件的材料选用举例5、压铸模具材料特点C含量不高，Cr、W含量高。合金元素的作用：Cr提高材料的淬透性、抗氧化性；W提高材料的回火稳定性（即材料的热硬性和热强度），同时在淬火的过程中可以阻止晶粒长大（提高了材料的韧性）。V起到细化晶粒、增加2次硬化效果。6、压铸模具的制造工艺路线与热加工特点1）工艺路线下料----锻造----退火----粗加工----退火----精加工----淬、回火----钳工修磨----发蓝处理----装配下料----锻造----退火----粗加工----调质----精加工（成型加工）----钳工修磨----渗N----抛光----装配2）锻造（3Cr2W8V）方法：镦粗+拔长目的：消除C化物偏析以及粗大C化物。始锻温度：1080-1020℃终锻温度：900-850℃锻造之后快速冷却至700℃后空冷。3）热处理锻后热处理：不完全退火：加热：830-850℃，保温3-4h，冷却至400℃出炉空冷。等温退火：740-710℃之间等温3-4h，炉冷至500℃，出炉空冷，硬度207-235HBS。退火：温度650-680℃，保温3-4h，形状简单的出炉空冷，形状复杂者需要随炉冷却至400℃后空冷。淬、回火方法：油淬、分级淬火、等温淬火（油淬变形较大）注意问题：材料导热性能较差，在加热过程中必须缓慢，一般采用多次预热加热的方法。淬火温度可适当提高，这样可提高材料的热稳定性和高温强度，但是材料的塑性、韧性会降低。遇到这种情况可以根据具体要求来决定。一般采用多次回火处理1次二次硬化温度附近2次达到工作硬度3次低于第2次10-20℃回火后空冷或者油冷。7、表面强化使用过程中主要出现的问题：粘模、表面腐蚀表面强化方式：N化、渗B、渗Al、渗Cretc.。

3Cr2W8V的几种热处理工艺§3-3其它热作模具材料一、硬质合金Carbide特点：耐热性热硬性抗氧化性耐腐蚀性热冲裁模具、压铸模、以及热挤压等，当工件的形状比较简单、且对韧性要求不是太高的场合，可以考虑使用硬质合金。二、高温合金这类材料具有较高的高温强度和硬度。主要有铁基、镍基、钴基高温合金。主要用来制造热挤压模具。三、难溶金属合金1700℃以上的合金称为难溶金属合金，其再结晶温度