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1、热作模具材料及热处理热作模具材料及热处理热作模具主要用于高温条件下的金属成形，使加热的金属或金属获得所需要 的形状。按用途可分为热锻模、热徽模、热挤压模、压铸模和高速成形模具等。通常在反复受热和冷却的条件下工作，变形加上的时间越长，受热就越严 重。模具面温升常达300700之间，要求有较高的热强性、热疲劳性和 韧性，常选用中碳(wc=0.3%0.6%)合金钢来制作。第一节热作模具材料的主要性能要求工作特点:热作模具是在机械载荷和温度均发生循环变化情况下工作的。热作模具材料分类:按照工作温度和失效形式不同，可将热作模具材料分为 低耐热高韧性钢(350 - 370)、中耐热韧性钢(550600。、
2、高耐热钢(600 650。等。有特殊要求的热作模具也可以采用奥氏体型耐热钢、高温合金 或硬质合金，甚至是难熔合金来制造。.热作模具材料的使用性能要求评价热作模具钢的性能指标:室温和高温使用条件下的硬度!强度!韧度等。热作模具材料使用时一般有七个方面的性能要求。(=)4CrMnSiMoV 钢01力学性能01力学性能4CrMnSiMoV钢是原冶金部标准中推荐使用的5CrMnSiMoV钢的改进型。碳的质量分数降低了 0.1% ,目的是在保持原有强度的基础上提高钢的韧 性。该钢无银，但具有较高的强度、耐磨性、冲击韧度及断裂切度，其冲击 韧度与5CrNiM。相近或稍低，而高温性能、抗回火稳定性、热疲劳抗
3、力好 于5CrNiMo钢,主要用于大型锤锻模和水压机锻造用模。5CrMnSiMoV钢 可以代替5CrNiMo02工艺性能4CrMnSiMoV 钢的临界点 As为 792C;Ac3为 855; Ms,为 330(1)锻造钢坯加热温度为1100-1140?始锻温度为1050-1100?,终锻温度850C加热的温度和时间不宜过高过长，锻后进行砂冷或坑冷。为减少脱碳现象, 大型锻件应在锻后放入600的炉内,待温度均匀后，再冷却至150-200 C,然后出炉空冷。(2)退火 等温退火加热温度为840860 ,等温温度为700720o淬火 大型锻模的淬火温度为870900 z中、小型锻模的淬火温度为900
4、930o(4)(4)回火工艺如表4-3所示。表434CrMnSiMoV 钢的火工艺如果制作大型锻模，由于尺寸很大，淬火时的应力和变形比中、小型模具 大，工作时应力分布不均匀，需要有较高的韧性，硬度选取较低。3.应用该钢可代替5CrNiMo钢，适用于大、中型锻模，也可用于中、小型锻模, 寿命明显比5CrNiM。钢高。例如制作连杆模、前梁模、齿轮模、凸缘节模(深 型模)等可提高寿命0.10.8倍不等，用作矫正模、弯曲模和平锻机锻模， 般寿命都比5CrNiMo高出0.5倍。(四)5NiCrMoV 钢和 5Cr2NiMoVSi 钢从20世纪50年代以来 我国厚度小于250mm的模块多采用5CrMnMo
5、 钢制造,大于250mm的模块一直都用SCrNiMo钢制作。与西方国家的常 用钢号相比，碳化物形成元素含量低，热稳定性差，高温强度低，钢中不含 钢，淬硬性较低，抗热磨损和抗热疲劳性能差，模具寿命短。从20世纪80 年代起，我国研制了类似钢号5NiCrMoV推荐将5NiCrMoV钢用于大型、 复杂形状、重载荷的锤锻模和压力机锻模。5Cr2NiMoVSi钢主要添加了一定量的钢和硅，将碳、银、铭、铜等元素含 量合理搭配，从而使得其高温强度大幅度提高，且具有更高的淬透性和热稳 定性。1 .力学性能在500以下时，5Cr2NiMoVSi钢的高温强度与5CrNiMo钢相近;而当高于600。时，5Cr2Ni
6、MoVSi钢的强度却高出一倍以上。热稳定性温度提高150170o对500mm x 500mm截面的锻模，心部硬度较5CrNiMo钢高出 13HRCO.工艺性能5Cr2NiMoVSi 钢的临界点 As为 750C;Ac3为 874; Ms 为 243O(1)锻造:始锻温度为120CTC,终锻温度为90(rc,铜坯加热温度范围较宽,锻造合格车高。(2)退火:等温退火加热温度为800 ,等温温度为720o(3)淬火与回火:淬火、回火工艺如表4- 4所示。推荐淬火温度为960980C ,型腔回火温度为630670 ,燕尾回火温度为680700o表4 - 4 5Cr2NiMoVSi钢淬火、回火工艺模块截
7、面淬火加热温度/c回火加热温度C回火硬度HRC锤锻模V 300mmX 300mm9609806206404045 300mmX 300mm9609806306603841压力机模 300mm X 300mm9701000630650工.除%区可能3.应用5NiCrMoV钢主要用于大型锻模，代替5CrNiMo钢;5Cr2NiMoVSi钢主要用于各类压力机模具和3t锤锻模，平均使用寿命比5CrNiMo钢提高0.51倍。而10t的锤锻模可以选用45Cr2NiMoVSi钢，例如制造75拖大从动齿轮锻 模，使用寿命比由德国进口的55CrNiMoV6钢模具提高0.5倍。口中耐热韧性热作模具钢及热处理许多热
8、挤压模、热锻锻模、精锻模以及锻压机、高速锤上的模具等都是在 繁重的条件下工作的。这些模具工作时需较长时间与被加工的金属相接触， 受热温度往往比锤锻模具要高，特别是当加工黑色金属及难熔金属时。这类 模具尽管尺寸不是很大，往往比锤锻模要小，但承受着较高的应力，挤压比 大的模具和细长的心棒承受的应力更高。所以要求具有高的热稳定性、比较 高的高温强度和耐热疲劳性以及高的耐磨性。中等耐磨性韧性钢，主要有5wt.%的铭型热作模具钢和铭铝系热作模具钢， 含有较多的铝、铝、钢等碳化物形成元素，其韧性及耐热性介于高韧性及高 热强性热作模具钢之间。我国从20世纪60年代开始引进开发这类钢号，用 量逐渐扩大，现已成
9、为主要的热作模具钢。（一）含5wt. %铝的铝系热作模具钢l.Hlltra(4Cr5MoSiV)4Cr5MosiV钢中Wv=0.4%左右,简称H11钢,其淬透性很好，直径在150mm以下的钢材可以空冷淬硬，在中温下的热强性和耐磨性都较高，韧性较 好，甚至在淬火状态下也有一定的韧性，抗热疲劳性特好，因此用H11钢制作 高速锤锻模非常理想，有时也用作压铸模和挤压模。Q）锻造:H11钢碳的质量分数为0.4% ,热塑性较好，当锻制大型锻件时, 先缓慢加热到750。6再快速加热到1120115（TC的锻造温度，减少氧化和 脱碳;始锻温度为10801120 ,终锻温度850。匚锻后缓冷.并及时退火。!火:
10、加热温度为88CTC ,等温温度为750,炉冷至I500以下出炉空 冷,获得粒状珠光体组织，退火硬度为192235HBS,最好在可控气氛炉中 进行。（3）淬火、火:淬火时不需预热，可直接加热到10001020。（:油淬或分级淬火 硬度约5052HRC,经54060CTC回火 模具硬度在4050HRC 范围内。该钢在200以上随回火温度升高机值下降在500左右冲击韧度最低, 所以应避免在500附近回火或进行化学热处理。2. H13 钢(4Cr5MosiVl)H13钢是国际上广泛应用的一种空冷硬化型热作模具钢，即美国钢号为ASTM-H13,日本钢号为JISSKD6L我国在八.五期间将H13钢列为国
11、家重点推广的钢种,目前国内已经有多家钢厂在生产。H13钠比H11钢的钢含量高，其质量分数般在1%左右，热强性和热稳定性 高于H11钢。具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不易扩展(K” Kvc) o 可以制作热锻模或模腔温升不超过600的压铸模。H13钢的临界点:Ad 为 853;人为 912C;Ms为 310o(D锻造：锻造工艺参数与H11钢相同，但考虑到其内部存在着严重的碳化物偏析，要求锻造比大于4,以破碎亚稳定的共晶碳化物。(2)退火:等温退火加热到80CTC,保温2h,降温至750等温2-4h,炉冷到 500出炉空冷，硬度为192229HBS,锻后必须立即进行球化退火。(3)淬火和火:H1
12、3钢与Hl 1钢的不同之处在于，淬火前需经二次预热,然后加热到1020105CTC油淬的硬度为5355HRC也可以采用空淬或分 级淬火，经560630回火，可获得硬度4050HRCo H13钢的回火或化学热处理温度同样要避开50CTC ,但不宜超过650o4Cr5W2SiV 钢4Cr5W2SiV钢的钢含量wv=0.6%-1.0% ,用2wt. %的铝代替lwt. %的铝, 从4Cr5Mos21钢演变而来，性能与H13钢颇为相似,锻造、热处理工艺参 数与H13钢相近。Wcr =5%的铭系热作模具钢，在50060CTC时具有比高韧 性热锻模具钢更高的硬度、热强性和耐磨性,而韧性高于3Cr2W8V等
13、高耐热模 具钢，含有硅和铭，其抗氧化性较好，是目前国内通用性较强的热作模具钢。对于铝型材的挤压模具，采用H13钢制造的空芯模平均寿命是12t/副， 平面模寿命在15t/副以上，比原用3Cr2W8V钢延长35倍,用于机锻模 的H11和H13钢代替5CrNiMo及3Cr2W8V钢 模具寿命提高23倍，用 作馄锻模具，最高寿命已达5万件,比原用3Cr2W8V钢高出3倍，在轴承行 业中代替3Cr2W8V制造碾压馄，寿命提高23倍。这类钢中碳含量较低，是在国外钢号3Cr3Mo3CoV的基础上发展而来.其回 火抗力及热稳定性高于5%铝系钢，冲击韧ak和断裂切度Kvc高于3Cr2W8V 钢。1 .HM-1
14、钢(3Cr3MO3W2V)和 HM- 3 钢(25Cr3Mo3VNb)HM- 1钢是参照国外H10钢(4Cr3Mo3SiV和3Cr-3Mo系的热作模具钢, 结合我国资源的特点而研制的，加入2wt. %的铝形成HM-1钢。HM- 3钢则是在碳含量较低(wc=0.25% )的模具钢基础一上加入了微量的元 素铝(WNb=0.08%0.15%),使钢保持高的强度和热稳定性。HM-1钢的冷 热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多，同时还有较高的韧性。HM3钢在600 C以上的高温强度高于4Cr5W2SiV钢，但当试验温度低干60CTC时.强度不 如 4Cr5W2SiV 钢。HM-1 钢的临界点:Acl 为
15、842;Ac3 为 922; Ms,为 373。HM3 钢的临界点:Acl 为 825; Ac3 为 920C;Ms,为 355OQ)锻造：加热温度为11501180 ,始锻温度为11201150 ,终锻温度22850。(：。对HM1钢要求锻后必须缓冷，并及时进行退火。(2)退火：HM 1钢采用等温球化退火，其加热温度为870 ,等温温 度为730,炉冷至I550以下出炉空冷,退火后硬度为207225HBSCHM3钢采用等温球化退火,其加热温度为860 ,等温温度为710 , 炉冷到550以下出炉空冷。(3)淬火和火：HM1钢在10301120范围内淬火时，可获得5255HRC的硬度，具体工艺
16、可根据工件要求选用。回火温度在580620 C之间选择,回火二次，每次2ho HM3钢的淬火温度为1080 ,回火 温度为56063CTC,回火二次。25Cr3Mo3VNb钢(HM-3)对热锻成形凹模、连杆轻锻模、轴承套圈毛坯热 挤压模、高强钢精锻模、小型压力机锻模、铝合金压铸模等都有良好的应用。HM-3钢模具寿命比3Cr2W8V、5CrNiM。、4Cr5W2Vsi钢制模具提高 2- 10倍,可有效地克服模具因热磨损、热疲劳、热裂等引起的早期失效。HM-1钢是目前国内研制的新钢种中工艺性能好、使用面广、具有广阔应 用前景的高强韧性热作模具钢。HM-1钢用作轴承套圈毛坯热挤压凸模、凹 模，碾压辐
17、及轻锻模均取得显著效果，模具平均寿命达1- 2万件.最高达3 万件以上 比原用3Cr2W8V、5CrMnM。钢等模具寿命普遍提高2 5倍，高 的达19多倍。该钢更适宜作为压铸模的材料,在铝压铸模等应用上取得明显 效果。2 .析出硬化型热作模具钢PH钢(2Cr3Mo2NiVSi)析出硬化热作模具钢在淬火和低温回火后的硬度约为45HRC ,可以加工成模具直接使用，避免热处理淬火变形及产生表面的氧化、脱碳。模具在使 用过程中表层受热升温，析出特殊碳化物MoC、VC,形成二次硬化，表而硬度可提高到48HRC,增加了高温强度和耐热性.且心部具有高的韧性。由于组 织转变层很薄，因此没有变形。为了具有良好的
18、切削加工性能，PH钠中加入 了 0.05% 0.12%的错等微量合金元素，使条状MnS夹杂变成纺锤状硫化物，并使铝酸盐夹杂变成球状钙铝酸盐夹杂，从而改善了钢的横向冲击韧度 及切削加工性能。PH钢的临界点:Ac】为776 z Ac3为851C,Ms为672O(1)锻造：始锻温度为10001100 ,终锻温度N85CTC ,锻后炉冷。(2)退火：780力口热440C/h的速度冷却到680后随炉冷却，退火后硬度为 217229HBS:(3)淬火及火：淬火加热温度为990 1020 ,截面边长4100mm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。PH
19、钢适用于在500600范围内工作的热锻模具，如果模具工作表面升温至525550。匚析出硬化后的硬度值可升到48HRC,常用于制作啮合齿轮模和连杆模等，使用寿命较H11钢提高一倍。高耐热理热作模县钢及热处高耐热热作模具钢主要用于较高温度下工作的热顶锻模 具、热挤压模具、铜及黑色金属的压铸模具、压力机模具等。 其中压力铸造是在高的压力下，使熔融的金属挤满型腔而压铸 成形，在工作过程中模具反复与炽热金属接触，因此要求具有较高的较高的火抗力及热稳定性。属于此类的钢中应用得较多较早的有3个钢号：3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V (RM2)、5Cr4Mo3SiMnVAI (012A1)钢。另外还有几个
20、试 用得较好的钢号：4Cr3MoW4VNb (GB、6Cr4Mo3Ni2WV (CG-2)、 4Cr3Mo2NiVNbB (HD)、奥氏体耐热钢等。这类钢的铝、铝含量较高，比前两类热作模具钢在高温下有更高的强度、硬度和耐磨性， 组织稳定性好，但其韧性和抗热疲劳性能不及低耐热韧性热作模具 钢。(1)硬度热作模具钢的硬度为4052HRC。通常模具钢的硬度取决于马氏体中的碳 含量、钢的奥氏体化温度和保温时间。应该指出的是:钢的最佳淬火温度要通过该钢的“淬火温度一晶粒度一硬度” 关系曲线来选择。马氏体中的二次硬化则与钢的合金化程度有关系，随着回火温度的升高，马 氏体中的碳含量虽然降低，但如果特殊碳化物
21、呈弥散析出并促使残余奥氏体 转变成马氏体，则模具钢的高温硬度将会提高。强度强度是模具整个截面或某个部位在服役时抵抗静载断裂的抗力。在压缩条件下工作的模具，可测试其抗压强度。用拉伸试验测定一定温度下 的抗拉强度。b,和屈服点。s,一般模具不允许发生永久的塑性变形,所以要求 具有高的屈服强度。而当模具钢的塑性较差时，一般不用抗拉强度而用抗弯 强度。bb作为力学指标，抗弯试验产生的应力状态与许多模具工作表面所处 的应力状态极其相似，能精确地反映构料的成分和组织对性能的影响。(3)冲击韧度和断裂韧度冲击韧度是衡量模具材料在冲击载荷作用下抵抗破断的能力。材料的冲击韧度(a。越高，热疲劳强度也会越高。所以
22、，应采用合理的锻造及热处理方法和工艺参数.防止碳化物偏析和晶 粒粗大，减少淬火应力，提高钢的韧性。断裂韧度则表征了裂纹 纹失稳扩展的抗力，对热作模具还要求具有另外一些特殊的性能。(4)热稳定性3Cr2W8V 钢的临界点:Acl 为 830C , A c3 为 92(TC,Ms,为 350oQ)锻造:钢坯加热温度为11301160 ,始锻温度为10801120 , 终锻温度为900850 ,锻后先在空气中冷却到约70(TC ,随后缓冲(砂冷 或炉冷)。!火:等温退火的加热温度为840 - 880,等温温度为720740 C,退火状态的组织为铁素体基体上分布着Fe3W3C和Cr23c为退火硬度不大
23、 于 241HBS。(3)淬火及火:为了提高模具的强韧性，可以采用高温淬火加高温回火工 艺，即11401150淬火，650680回火，适用于承受动载荷较小的模具。对于在动载荷下工作的小模具或大型模具，可选用10501100常规淬火工艺，油淬硬度为5054HRQ550650回火两次，每次2h,回火后硬度为4050HRCo3应用3CrW8V钢在淬火加热中的脱碳变形倾向较小，热处理工艺稳定，许多中 小型机械厂仍广泛应用，主要用在压力机锻模、热挤压模、缴锻模、压铸模、 剪切刀上。考虑到3Cr2W8V钢的耐热疲劳性和韧性较差，有以下三种强韧 化方法：(1)高温淬火.高温回火提高淬火温度，能使合金碳化物进
24、步溶解，奥氏体的铝含量增加，提高淬 火钢的热硬性，在晶粒不粗大的条件下使热疲劳性能得到提高。例如3Cr2W8V钢制的40Cr钢销轴热锻模在作用力1600kN的摩擦压力机上锻 造原工艺用10501100淬火,600620回火硬度为4749HRC , 使用寿命仅5002000件;改用1150淬火660680高温回火.硬度 为3941HRC模具寿命达700010000件。(2)贝氏体等温淬火3Cr2W8V钢制的自行车曲柄热成形模，在3000kN摩擦压力机上工作。 若用常规工艺：1080。(：油淬,580610二次回火 硬度为4548HRC ,平 均寿命仅4500件;改用1100加热，34035(TC
25、硝盐浴炉等温淬火， 可获得在马氏体上分布适量下贝氏体的混合组织，从而提高了裂纹扩展抗力, 使模具的平均寿命提高一倍，达到9000件以上，最高达3.8万件。(3)控制淬硬层淬火采用高温短时间加热，或控制淬火操作，使模具表面和心部得到不同的淬 火加热温度,造成不同的合金度，在随后淬火时可获得内外不同的组织。例 如在1000-3000kN摩擦压力机上锻尖嘴钳.需用3Cr2W8V钢制的热压模 具，按常规工艺，硬度为4648HRC,模具寿命仅4000件，就会出现模腔 变形塌陷或开裂，而改用高温短时加热淬火处理的模具，寿命可达32000件。口(二)RM-2 钢(5Cr4W5Mo2V)1、力学性能该钢碳的质
26、量分数属于比较高的，近0.5% ,合金元素总的质量分数为12% ,碳化物较多，以F&W3c为主,因而具有较高的硬度、耐磨性、回火 抗力及热稳定性，如在硬度为40HRC时的热稳定性可达70CTC ,但是它的碳化物分布不均匀，韧性较差。2、工艺性能:5Cr4W5Mo2V 钢的临界点:Aci为 836 z 为 893 , Ms为 250 oQ)锻造：加热温度为11701190 ,始锻温度为11201150 ,终锻温度285(rC ,锻后在85060(TC区间应该快冷，以避免网状碳化物的 形成，在600以下缓冷。(2)退火：加热温度为870 ,等温温度为730,炉冷至I500以下出炉空冷。(3)淬火及
27、火:113(TC淬火并在不同温度回火后的硬度如表4-5所示。当550回火时出现二次硬化峰值，700回火时仍保持40.5HRC的硬度。淬火温度超过115CTC时晶粒会明显增大，超过1200。0：时显著增大。表4-5 5CR4W5MO2V的回火硬度(工130淬火)3 .应用RM-2钢比3Cr2W8V钢具有较高的热强性、耐磨性及热稳定性,适于制 作受热温度较高的小型热冲头、热切边模、精锻模、平锻模、压印机凸模、 热挤压凸模及轻锻模等，使用寿命比3Cr2W8V钢普遍延长23倍，个别模 具可延长1020倍。口 (三)012AI 钢(5Cr4Mo3SiMnVAI)012AL钢是冷、热作兼用模具钢，关于该钢
28、工艺性能及室温力学性能已在冷 作模具有关章节中作了介绍，下面主要介绍其高温性能及在热作模具上的应用。1 .高温力学性能由表46可见,012Al钢的热稳定性高于3Cr2W8V钢,说明该钢具有较 高的热硬性，热疲劳性也比3Cr2W8V钢优越得多。2 .应用实例用012AL钢制作的热作模具比3Cr2W8V钢制的模具使用寿命更长。在 轴承套圈热挤压凸模及凹模上应用，寿命可提高5-7倍;在军品壳体热挤压孟 凸模上应用，寿命可提高2倍以上;在轴承穿孔凸模及碾压辑上应用，比 3Cr2w8v钢提高寿命2-3倍。表4-4012A1钢的热稳定性（四）CG -2 钢（6Cr4Mo3Ni2WV）CG-2钢是在高速钢的
29、基体钢6W6Mo5Cr4V（低碳M2钢）的基础上作适当的 改进，增加Ni含量，降低W、Mo含量研制而成的冷、热兼用型基体钢。1 .力学性能由于在钢中加入了 2wt.%的NL提高了基体的强度和韧性，其室温及高温 强度、热稳定性均高于3Cr2W8V钢，但高温冲击韧度与塑性要低于 3Cr2W8V 钢。2 .工艺性能CG-2 钢的临界点 Aci为 737C,Ac3为 822C ,Ms为 1 80o(1)锻造:始锻温度为11401160。终锻温度2950。&此钢锻造性能稍 差，要求反复撤拨三次以上，保证使碳化物均匀分布，锻后应缓冷并及时进 行退火以消除应力。(2)退火:CG2钢不易退火，故须采用球化退火
30、,加热温度为810 ,等温 温度为670 ,炉冷至40CTC以下出炉空冷，退火硬度为220 240HB。(3)淬火及火:淬火加热温度为11001130 ,油冷。回火温度在630C,回火二次，每次2h,硬度为5153HRC。若用作冷作模具，在540回 火二次，硬度为5962HRC。3应用CG-2钢适于制作热挤、热冲头等模具。曾在轴承套圈热挤压凸、凹模上 应用过，寿命为3Cr2W8V钢凸模的2- 3倍，热挤压盂凸模，提高近一倍, 制作底板，使用寿命是3Cr2W8V钢底板的3- 6倍。CG2钢可用于冷作模具，制作标准件及轴承滚子的冷徽模、缝纫机零件冷 徽模，比CH2MOV钢模具寿命明显延长。_1(五
31、)GR 钢(4Cr3Mo3W4VNb)1.力学性能GR钢属于铝钢系热作模具钢，其中加入少量的Nb是为了增加钢的回火 抗力及热强性。经大气感应炉冶炼的GR钢室温及高温力学性能如表4-7所 示，热稳定性数据如表48所示,4Cr3Mo3W4VN b钢有比3Cr2W8V更 高的屈服强度和热稳定性、冷热疲劳抗力及高温抗压强度，但是韧性较差。表4-7 GR钢室温及高温力学性能表 4-8 4Cr3Mo3W4VNb. 3Cr2W8V 钢热稳定性（硬度 HRC）钢号保温时间/h0123454Cr3Io3W4VNb5047.54542.54139.53Cr2W8V48444137.534 *OO L豺如游j2.工
32、艺性能GR 钢的临界点:Aci为 821, Ac3为 880 , An为 752C ,Aa为 850o(1)锻造始锻温度为1150。终锻温度2900。匚锻后缓冷及时退火。(2)退火等温退火加热温度为850 ,等温温度为720 ,冷却到550以下出 炉空冷。(3)淬火及回火淬火温度在1160-1200内选取，若选用的淬火温度较高，则材料的高温强度及回火稳定件也较高，反之则塑件和韧性较高。回火温度分别取630和600 ,回火两次，每次23h,形状复杂的模具, 可进行三次回火，回火后的硬度约为5054HRC。3.应用GR钢主要用于制作热锻和精锻模具,已成功地应用在齿轮高速锻模具、精密锻造、轴承套圈热
33、挤压、自行车零件及螺母热锻锻、小型机锻模、辐锻 模上,与3Cr2W8V钢相比,寿命提高数倍至数十倍，效果显著。(六)HD 钢(4Cr3Mo2NiVNbB)随着少无切削新工艺的发展，常采用热挤压方法来加工黑色金属及铜合金等 有色金属，热挤压模具的工作温度可达700左右,在此条件下，国内广泛使 用的3Cr2W8V钢及铭系热作模具钢H13钢等的耐磨损和冷热疲劳抗力已不能 满足要求，HD钢是专为适应700左右工作温度而研制的新型热作模具钢。1 .力学性能HD钢的高温力学性能:经1130淬火，650回火后,于650及 700进行测量，高温下的屈服强度、塑性和韧性如表4-9所示;经1130淬火，不同温度回
34、火的抗回火热稳定性如表4-10所示，回火温度越高,HD 钢比3Cr2W8V钢的硬度值越高。在相同的硬度条件下，HD钢的断裂韧度Kvc比3Cr2W8V钢高50% ,在700下的高温短时抗拉强度高出70%,冷热疲劳抗力高出一-倍，热磨损性能比3Cr2W8V钢高50%o表49 HD钢的高温力学性能表4-10不同回火温度时的硬度值（1130加热淬火（单位：HRC）2 .工艺性能HD钢的临界点:Aci为770 z Ms为320o(1)锻造：加热温度11001150 ,始锻温度为10001050。(：，终锻温度为850o(2)退火：加热温度为85CTC ,保温4h,炉冷到550以下出炉空冷。(3)淬火.火
35、：淬火加热温度为1130 z回火温度为650 - 700o.应用HD钢常用于钢质药简热挤压凸模、铜合金管材挤压底模和穿扎针、热挤压轴承 环凸凹模、汽车挤压底模等，用来挤压70-1锡黄铜、10-1-1铁白铜、低碳钢、 4Cr9Si2钢、GCrl5钢等材料，比3Cr2W8V钢制模具的使用寿命提高1 - 2 倍。(七)Y10 (4Cr5l/lo2l/lnV Si)和 Y4 (4Cr3Mo2l/lnVNbB)Y10及Y4是分别为铝合金及铜合金的压铸模而研制的新型热作模具钢, 铝合金的熔点较低，约为580740 z Y10钢是在H13钢的基础上适当提高钢、镒、硅的含量，属于含5wt.%络的铭系高强韧性热
36、作模具钢。铜合金的熔点温度较高，约在850920 z Y4是属于成分接近3Cr3Mo的络铝系热作模具钢，但增加了微量元素铝和硼。1 .力学性能Y10和Y4在冷热疲劳抗力及阻碍裂纹扩展的速率方面明显要优于 3Cr2W8V钢，是比较理想的铝、铜合金的压铸模材料。用于有色金属的压铸模，可使模具的使用寿命延长1- 10倍，也可用于热挤压模、精锻模。2 .工艺性能Y10 钢的临界点:As为 815z Ac3 为 893 z Ms 为 271OY4 钢的临界点:Aci 为 789、Ac3为 910 z Ms为 263O (1)锻造与退火两种钢的锻造及退火工艺与3Cr2W8V钢相近,锻造性能良好，温度范 围
37、较宽，无特殊要求，退火硬度低于3Cr2W8V钢。(2)淬火和回火淬火温度为1020-11 2CTC,回火温度为600630 ,可根据用途及要求进行选择。四、特殊用途的热作模具钢及热处理随着工业技术的日益发展，出现了各种新的热加工方法，对模具：工作温度的要求更高，工作条件也更加苛刻。为此,各种高 速钢、奥氏体耐热钢、高温合金、难熔合金等，都被用于制造模 具。（一）奥氏体热作模具钢因为马氏体型热作模只钢在650 以上会发生碳 化物的聚集长大，致使硬度、强度降低，因此为保证模具在750以上能耐 高温、耐腐蚀、抗氧化，需要研制出奥氏体型热作模具钢。现在主要有路镇 系奥氏休钢和高镒系奥氏体钢两类。1 .
38、高镒系奥氏体钢此钢又分为高镒系奥氏体模具钢和高镒奥氏体无磁模具钢。Q）高镒系奥氏体模具钢5Mnl5Cr8Ni5Mo3V2 和 7Mn 10Cr8Nil0Mo3V2 是高镒系奥氏休钢， 在加热和冷却过程中不发生相变，始终保持奥氏体组织，经11501180 固溶处理和70CTC时效后具有较好的综合力学性能，硬度为4546HRC , 但时效软化抗力很高.直到80CTC时效，硬度仍能保持在42HRC左右，远远 超过3Cr2W8V钢,其热处理工艺与室温力学性能如表4-11所示。表4-11奥氏体钢室温力学了性能高镒奥氏体耐热模具钢主要用于制造工作应力较高、使用温度达700 - 800的高温热作模具，如不锈
39、俐、高温合金、铜合金的挤压模，模具寿命 比3Cr2W8V钢制模具提高45倍。实际应用中应先将模具预热到400450。 C,由于这类钢的塑性、韧性不高，故实际应用受到限制。（2）高铳奥氏体无磁模具钢热稳定性表征钢在受热过程中保持组织和性能稳定的能力。通常，钢的热稳定性可用火保温4h,硬度降到45HRC时的最高加热温度表示。对于原始硬度低的材料，也可用保温2h,使硬 度降到35HRC(一般热作模具堆积塌陷失效的硬度)的最高加热 温度定为该钢的热稳定性指标。(5)火稳定性火稳定性是指随火温度的升高，材料的强度和硬度下降的快慢程度，也称为抗大软化能力。通常以钢的火温度&硬度”变化曲线表示。它与热稳定件
40、共同表征模具在高温下的变 形抗力。(6)热疲劳抗力热疲劳抗力表征了材料热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生 后的扩展速率:热疲劳通常以20750条件下反复加热冷却时 所发生裂纹的循环次数或当循环定次数后测定的裂纹长度来确 定。(7)抗热磨损与抗氧化性能抗热磨损是热作模具的重要使用性能要求，因为绝大多数锤 锻模及压力机模具都因磨损而失效。国内已有单位在自制的热磨 损机上进行热作模具钢的高温度损试验，收到较好的效果。由于热作模具往往在较高的温度下工作，模具工作面与空气、液态金 属或其他介质接触，会发生氧化，加剧模具工作过程中的磨损，7Mnl5Cr2Al3V2WMo（7Mnl5）钢是种高Mn-V系的无磁
41、模具钢，7Mnl 5钢在任何状态下都能保持稳定的奥氏体组织，除可制作冷作模具、无磁轴承及要求在强磁场中不产生成感应的结构件外，因其在高温下还具有 较高的强度和硬度（如图4-3所示），因此,也用来制作700800下使用的热作模具。火空冷。7Mnl 5钢常用的热处理工艺为；1180加热水淬，70（FC300 W250*300 W250*800700600500 岂、q。拶咽圮想火空冷）4-3 7Mnl5钢的高温力学了性能（1180水溶700.铭银系奥氏体模具钢4Crl 4Nil 4W2Mo、Crl 4Ni25CoV钢属于铭银系奥氏体钢,在700以下具有良好的热强性，在800以下有良好的抗氧化性及耐
42、蚀性。如4Crl4Nil4W2Mo钢在800。（：时仍有250MPa的强度，且有很好的塑性与韧性。该类钢可进行1150 1180或10501150的固溶处理，再作75CTC的时效处理.适合制造钛合金蠕变成形模具和具有强烈腐蚀性的玻璃成形模具。匚1(二)高温台金当挤压耐热钢管时，模具型腔温度会高达900 - 1000 G用奥氏体耐热钢也不能解决问题，需要采用高温合金来制作模具，如铁基、 银基、钻基合金、常用的银基合金中,以尼莫尼克100号热强性最高，其化 学成分为:wc=0.3% , WTi = 1.0%-2.0% , Wcr=10%-12 % , WA1=4%-6% , Wco=28%-22%
43、 , WmO=4.5%-5.5% , WFe2% ,其余为 Nio 在 900 时 持久强度仍有150M Pa,可用于制作挤压耐热钢零件或挤压铜管的凹模及芯 棒。(=)硬质合金硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，可用于制作工作温度较高的凸模或凹模中的镶块。如气阀挺杆热锻挤模，原用3Cr2W8V钢 制作.模具寿命为0.5万件;改用铝钻类硬质合金YG20后,模具寿命提高到D难熔合金1.5万件。硬质合金还可用于制作压铸模、热切边凹模等通常将熔点在1700以上的金属称为难熔金属。在压铸钢铁材料时，压铸模型 腔的工作温度可高达1000,型腔表面受到严重的氧化、腐蚀和冲刷，常因产生 严重的塑性变形和网状裂纹
44、而失效，只能压铸几十件或几百件。因此可以来用铝、 铝、铜等熔点在2600以上的难熔合全来制作压铸模的型腔。由于它们的再结 晶温度高于1000 ,可长时间在此温度之上工作。美国使用粉末烧结的铝基合 金 Anviloyll50 (ww=90%、wMo=4%x wNi=4%、wFe=2 % )和铝合金TZM(wc=0. 01%-0. 04%、wZr=0. 06%-0. 12%x wTi=0. 4%-0. 55% , 余为 Mo)制作压铸 模。相比之下，铝基合金的热强度和持久强度较高,热导性好、热膨胀小，因 此几乎不引起热裂。TZM合金的塑性较好，便于成形加工,室温脆性也较铝基合金小，但其抗变形能力有
45、限,且力学性能的各向异性十分明显。铝基合 金做压铸模具用得比较成功，主要用于铜合金、钢铁树料的压铸模，也可用 做钛合金、耐热钢的热挤压模等，其使用寿命远高于其他各种热作模具钢。(五)压铸模用铜合金在压铸钢铁材料时，一般3Cr2W8V钢压铸模的表 面接触温度在950 - 1000左右，采用热导性高的铜合金制作的压铸模,其表面接触温度可降低到600o随着模具型腔温度梯度的降低，可减少模 具的应力和应变，能收到满意的效果。常用的铜合金有铭错钢铜(wcr=0.6%-0.8%、wzr=0.4%, wv=0.4% ,其余Cu）s 铭错镁铜（wcr= 0.4%、Wz=0.15%、WMg= 0.05% ,其余
46、 Cu）、钻镀铜(wco=0.5%-3%、Wbu=0.4%-2% ,其余Cu)等.在60(TC下这些铜合金 的力学性能显著高于1000下的3Cr2W8V钢 模具使用寿命比3Cr2W8V 钢提高L52倍。用铜合金制压铸模镶块可在98CTC淬火后冷挤成形,然 后进行时效处理，型腔的表面粗糙度好，可以提高使用寿命。第三节热作模具材料及热处理工艺的选用实例 一.热锻模具钢选用及热处理工艺.热锻模具钢的性能要求与热处理热锻模只是在高温、高压、高冲击载荷下工作.经常被反复加热和冷却, 这就要求该模具钢应具有高的冲击韧度和断裂韧度，其ak值230J/cm2,高的Kvc可阻止或延缓因裂纹扩展而导致模具的早期断裂失效。为防止热锻模发生早期磨损及变形，该模具钢还应有较高的高温硬度和高温强度。由于锻模的尺寸-般都比较大，这就要求锻模材料要有很好的淬透性，保 证模具整个截面的力学性能均匀一致，同时要具有高的冷热疲劳抗力和回火 稳定性，以及良好的工艺性能和抗氧化性。求的硬度和机械加工与最终热处理工序的安排视模具的大小、形状及服役 条件而定。高的硬度虽然能保证有良好的耐磨性，但对冷热疲劳比较敏感， 容易引起裂纹;硬度过低，容易被压下相失去工作尺寸。对于小型的锻模（吨位 lt,锻模高度 250mm）,因模锻件冷却比较快，提高了强度