1、Chapter 4 一、冷作模具钢一、冷作模具钢 背景背景l冷作模具钢包括拉延、拉丝和压弯模、冲裁冷作模具钢包括拉延、拉丝和压弯模、冲裁模（落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模模（落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等）、冷镦模和冷挤压模等，工作温度一般等）、冷镦模和冷挤压模等，工作温度一般不超过不超过300。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢4.3 合金模具钢合金模具钢l冷作模具钢在服役时，由于被加工材料的冷作模具钢在服役时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压应力、弯曲力、冲击力及摩擦力。大的压应力、弯曲
2、力、冲击力及摩擦力。l因此因此冷作模具钢的主要失效形式是磨损冷作模具钢的主要失效形式是磨损，有时也因断裂、崩刃和变形超差而提前失有时也因断裂、崩刃和变形超差而提前失效。效。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢冷作模具钢对性能的要求冷作模具钢对性能的要求l模具有模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性足够的韧性，以保证冲压过程的顺利进行；，以保证冲压过程的顺利进行；l模具钢具有模具钢具有更高的耐磨性更高的耐磨性。因为模具的形状。因为模具的形状及加工工艺比较复杂，而且摩擦面积大，磨及加工工艺比较复杂，而且摩擦面积大，磨损可能
3、性大，所以修磨困难；损可能性大，所以修磨困难；l模具服役时承受冲击力大，形状复杂易于产模具服役时承受冲击力大，形状复杂易于产生应力集中的地方要求具有生应力集中的地方要求具有较高的韧性较高的韧性；l大尺寸、形状复杂的模具还要求大尺寸、形状复杂的模具还要求较高的淬透较高的淬透性、较小的变形及较小的开裂倾向性性、较小的变形及较小的开裂倾向性。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢1低合金冷作模具钢低合金冷作模具钢碳素工具钢碳素工具钢l对于对于尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具，例如小冲头、剪落钢板的剪刀等，可用例如小冲头、剪落钢板的剪
4、刀等，可用T7A、T8A、T10A、T12A等制造。等制造。优点：优点：加工性好、价格便宜、来源容易。加工性好、价格便宜、来源容易。缺点：缺点：淬透性低、耐磨性差、淬火变形大淬透性低、耐磨性差、淬火变形大。l因此这类钢只适于制造一些尺寸小、形状简因此这类钢只适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的工具以及要求硬化层不深并保单、轻负荷的工具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷镦模等。持高韧性的冷镦模等。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢低合金冷作模具钢低合金冷作模具钢l对于尺寸稍大、形状复杂、轻负荷的冷作对于尺寸稍大、形状复杂、轻负荷的冷作模具，常用模具，常用9M
5、n2V、CrWMn低合金模具低合金模具钢及钢及9SiCr、GCr15等制造。等制造。l这些钢在油中淬火的淬透直径大体上可达这些钢在油中淬火的淬透直径大体上可达40mm以上。以上。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢l几种典型的低合金冷作模具钢几种典型的低合金冷作模具钢9Mn2V钢钢是我国发展的一种不含是我国发展的一种不含Cr的冷作的冷作模具钢，可代替或部分代替含模具钢，可代替或部分代替含Cr的钢。的钢。9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向性比向性比CrWMn钢小，脱碳倾向性比钢小，脱碳倾向性比9SiCr钢小，钢小，而淬透性比碳
6、素工具钢大，其价格而淬透性比碳素工具钢大，其价格只比后者高约只比后者高约30%，因此是一个值得推广，因此是一个值得推广使用的钢种。使用的钢种。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢9Mn2V钢也存在一些缺点：钢也存在一些缺点：u冲击韧性不高冲击韧性不高，在实际使用中发现有碎裂，在实际使用中发现有碎裂现象；现象；u回火稳定性较差回火稳定性较差，回火温度一般不超过，回火温度一般不超过180，在，在200回火时抗弯强度及韧性开回火时抗弯强度及韧性开始出现低值。始出现低值。u9Mn2V钢可在硝盐、热油等冷却能力较为钢可在硝盐、热油等冷却能力较为缓和的淬火介质中淬火，对于一
7、些变形要缓和的淬火介质中淬火，对于一些变形要求严格而硬度要求又不很高的模具，可采求严格而硬度要求又不很高的模具，可采用用奥氏体等温淬火奥氏体等温淬火。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢CrWMn钢钢u合金化合金化F较高的碳含量较高的碳含量，一方面满足碳化物形成元素，一方面满足碳化物形成元素形成一定量的过剩碳化物的需要；另一方面形成一定量的过剩碳化物的需要；另一方面在淬火加热时又有足够的在淬火加热时又有足够的C溶入奥氏体，从溶入奥氏体，从而保证钢有高的硬度和耐磨性。而保证钢有高的硬度和耐磨性。FCr的加入主要是增加钢的淬透性的加入主要是增加钢的淬透性，尤其与，
8、尤其与W一起加入时作用更大；一起加入时作用更大；Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢FW还可以形成一些不易溶解的碳化物还可以形成一些不易溶解的碳化物，阻止，阻止奥氏体晶粒长大；奥氏体晶粒长大；FMn除增加淬透性外，还可使除增加淬透性外，还可使MS点大大降低点大大降低，增多残余奥氏体的数量。增多残余奥氏体的数量。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢u热处理热处理FCrWMn钢经热处理后硬度可达钢经热处理后硬度可达6466 HRC。淬火后有较多的残余奥氏体，故。淬火后有较多的残余奥氏体，故淬火变形小，有淬火变形小，有低变形钢低变形钢之
9、称。之称。F生产中常采用调整淬火温度和冷却介质的生产中常采用调整淬火温度和冷却介质的不同配合，使形状复杂的薄壁工具达到微不同配合，使形状复杂的薄壁工具达到微变形或不变形。变形或不变形。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢u应用应用F适于制造截面尺寸不大、要求淬火时变形适于制造截面尺寸不大、要求淬火时变形小、形状复杂的高精度冷冲模具和高压油小、形状复杂的高精度冷冲模具和高压油泵的精密偶件（柱塞）等。泵的精密偶件（柱塞）等。F也可用于工作温度不高、制造要求变形小也可用于工作温度不高、制造要求变形小的细而长的形状复杂的切削工具。如板牙、的细而长的形状复杂的切削工具。如
10、板牙、拉刀、长丝锥、长绞刀等；拉刀、长丝锥、长绞刀等；F也可作量具。也可作量具。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢F对于含对于含W的的低合金冷作模具低合金冷作模具钢种，如钢种，如CrWMn钢等，其预先热处理有时不采用钢等，其预先热处理有时不采用球化退火，而采用高温回火（球化退火，而采用高温回火（CrWMn钢钢的正火温度为的正火温度为970990），），这是由于退这是由于退火温度过高或时间过长时会使钨转变成难火温度过高或时间过长时会使钨转变成难熔的熔的WC，从而使淬火效果降低。，从而使淬火效果降低。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金
11、模具钢2高铬和中铬冷作模具钢高铬和中铬冷作模具钢高铬冷作模具钢高铬冷作模具钢l高铬冷作模具钢（简称高铬钢）含有：高铬冷作模具钢（简称高铬钢）含有：较高的较高的C（1.4%2.3%）大量的大量的Cr（11%13%）有时还加入少量的有时还加入少量的Mo和和V。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢u合金化合金化 F高碳高碳以保证获得高硬度和高耐磨性；以保证获得高硬度和高耐磨性；F高碳高碳高铬高铬主要是形成大量的（主要是形成大量的（Cr、Fe）7C型碳化物（退火态时，这类钢中含有碳化物型碳化物（退火态时，这类钢中含有碳化物的体积分数为的体积分数为16%20%），在铬的各
12、类碳），在铬的各类碳化物中，化物中，Cr7C型碳化物具有最高的硬度，为型碳化物具有最高的硬度，为HV2100，极大地提高了模具钢的耐磨性，极大地提高了模具钢的耐磨性，同时铬还显著提高钢的淬透性；同时铬还显著提高钢的淬透性；Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢F辅加辅加Ti、Mo、V，适当减少，适当减少C含量，除了含量，除了进一步提高钢的回火稳定性，增加淬透性进一步提高钢的回火稳定性，增加淬透性外，还能减少并细化共晶碳化物，细化晶外，还能减少并细化共晶碳化物，细化晶粒，改善韧性。粒，改善韧性。u热加工热加工F高碳高铬钢的组织和性能与高速钢有许多高碳高铬钢的组织和性
13、能与高速钢有许多相似之处，也属于莱氏体钢。铸态组织和相似之处，也属于莱氏体钢。铸态组织和高速钢相似，有网状共晶莱氏体存在，必高速钢相似，有网状共晶莱氏体存在，必须通过须通过轧制或锻造，破碎共晶碳化物，以轧制或锻造，破碎共晶碳化物，以减少碳化物的不均匀分布减少碳化物的不均匀分布。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢u热处理热处理F预先热处理预先热处理高碳高铬钢锻造后通常采用高碳高铬钢锻造后通常采用等等温球化退火温球化退火进行软化。进行软化。F由于钢中大量铬的存在，使得由于钢中大量铬的存在，使得A1温度升高到温度升高到800820，所以等温球化退火的加热温，所以等温
14、球化退火的加热温度一般为度一般为850870，保温，保温3h4h；退火；退火等温温度为等温温度为720740，保温，保温6h8h，炉，炉冷至小于冷至小于500出炉空冷，如图出炉空冷，如图4-9。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢图图4-9 高碳高铬钢的等温球化退火工艺高碳高铬钢的等温球化退火工艺Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢F高碳高铬钢等温球化退火后的组织高碳高铬钢等温球化退火后的组织与高速与高速钢的退火组织相似，为索氏体型珠光体钢的退火组织相似，为索氏体型珠光体+粒状碳化物。退火后硬度为粒状碳化物。退火后硬度为20726
15、7HB。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢材料材料：Cr12MoV（D2）工艺工艺： 850870 球化球化 退火保温退火保温2h炉冷炉冷 至至720750 保保 温温3h，再炉冷至，再炉冷至 500 以下出炉以下出炉 空冷。空冷。F最终热处理最终热处理高碳高铬钢的最终热处理与高碳高铬钢的最终热处理与合金刃具钢类似，通常有两种工艺方法：合金刃具钢类似，通常有两种工艺方法：一次硬化法和二次硬化法。一次硬化法和二次硬化法。一次硬化法一次硬化法：这种方法与低合金刃具钢类这种方法与低合金刃具钢类似，采用似，采用较低的淬火温度进行低温回火较低的淬火温度进行低温回火。选
16、用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧性较好。度和韧性较好。FCr12MoV钢常选用钢常选用9801030淬火淬火，如，如希望得到较高的硬度，淬火温度取上限。希望得到较高的硬度，淬火温度取上限。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢材料材料：Cr12MoV工艺工艺：980淬油、淬油、200回火回火Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢FCr12钢的淬火温度选用钢的淬火温度选用950980。这。这样处理后，钢中的残余奥氏体量在样处理后，钢中的残余奥氏体量在20%左右。左右。F回火温度一般在回火温度一
17、般在200左右左右。回火温度升。回火温度升高时，硬度降低，但强度和韧性提高。高时，硬度降低，但强度和韧性提高。F一次硬化法使钢具有高的硬度和耐磨性，一次硬化法使钢具有高的硬度和耐磨性，较小的热处理变形较小的热处理变形。大多数。大多数Cr12型钢制型钢制冷变形模具均用一次硬化法工艺。冷变形模具均用一次硬化法工艺。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢材料材料：Cr12工艺工艺：锻造、正火、球化退火、淬火低温回火：锻造、正火、球化退火、淬火低温回火Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢二次硬化法二次硬化法：这种方法与高合金刃具钢这种方法与
18、高合金刃具钢（高速钢）类似，（高速钢）类似，采用高的淬火温度，然采用高的淬火温度，然后进行多次高温回火后进行多次高温回火，以达到二次硬化的，以达到二次硬化的目的。目的。F这样可以获得这样可以获得高的回火稳定性高的回火稳定性，但钢的强，但钢的强度和韧性较一次硬化法有所下降，工艺上度和韧性较一次硬化法有所下降，工艺上也较复杂。也较复杂。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢F淬火淬火：为了得到二次硬化，：为了得到二次硬化，Cr12MoV钢选钢选用用1050 1080的淬火温度，淬火后钢中的淬火温度，淬火后钢中有大量残余奥氏体，硬度比较低。有大量残余奥氏体，硬度比较低。
19、F回火回火：然后采用较高的温度回火并多次进行：然后采用较高的温度回火并多次进行（490520）（常用）（常用34次），硬度可以次），硬度可以提高到提高到6062HRC。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢材料材料：Cr12MoV工艺工艺：1020真空淬火、真空淬火、 520回火三次回火三次Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢F为了减少回火次数，对尺寸不大、形状简为了减少回火次数，对尺寸不大、形状简单的模具，可以进行冷处理（单的模具，可以进行冷处理（-78）。高）。高碳高铬钢在室温停留碳高铬钢在室温停留30min50min后残余奥
20、后残余奥氏体会迅速稳定化，因而冷处理应在淬火氏体会迅速稳定化，因而冷处理应在淬火后立即进行，随后再在后立即进行，随后再在490520的回火，的回火，硬度可提高到硬度可提高到6061HRC。F二次硬化法适于工作温度（二次硬化法适于工作温度（400500）较高且受荷不大或淬火后表面需要氮化的较高且受荷不大或淬火后表面需要氮化的模具模具。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢u高碳高铬型冷变形模具钢具有以下特点：高碳高铬型冷变形模具钢具有以下特点：F高的耐磨性高的耐磨性主要由于存在大量的主要由于存在大量的M7C3型型碳化物；碳化物；F高的淬透性高的淬透性经经90010
21、00淬火加热后，淬火加热后，固溶体中含有固溶体中含有4%5%Cr，过冷奥氏体稳定，过冷奥氏体稳定性很高，直径大于性很高，直径大于200mm300mm的工模具的工模具均可以完全淬透；均可以完全淬透；F淬火时可以得到最小的体积变形淬火时可以得到最小的体积变形随着淬火随着淬火温度的升高，体积变化减小，至某一温度淬温度的升高，体积变化减小，至某一温度淬火后，尺寸变化可以接近于零。火后，尺寸变化可以接近于零。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢中铬冷作模具钢中铬冷作模具钢 u合金化合金化碳含量相对低、铬含量也低碳含量相对低、铬含量也低，属于过共析，属于过共析钢。但由于凝固
22、时偏析的原因，故在铸态钢。但由于凝固时偏析的原因，故在铸态下仍有部分莱氏体共晶。下仍有部分莱氏体共晶。加入加入W（或或Mo）与与V，其作用与高碳高铬，其作用与高碳高铬钢相同。这类钢中的碳化物也是以钢相同。这类钢中的碳化物也是以Cr7C3型型为主，并有少量的合金渗碳体及为主，并有少量的合金渗碳体及M6C和和MC型碳化物。这类钢中的碳化物分布较为均型碳化物。这类钢中的碳化物分布较为均匀，退火态含有匀，退火态含有15%左右的碳化物。左右的碳化物。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢l这类钢具有耐磨性好和热处理变形小的特点，适这类钢具有耐磨性好和热处理变形小的特点，适用
23、于制造既要求有耐磨性又有一定韧性的模具。用于制造既要求有耐磨性又有一定韧性的模具。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢表表1 Cr4W2MoV钢的化学成分（钢的化学成分（GB/T 1299-2000）w/%C Si Mn Cr W Mo V P S 1.12 1.25 0.40 0.70 0.40 3.50 4.00 1.90 2.00 0.80 1.20 0.80 1.10 0.030 0.030 临界点临界点 Ac1 Acm Ar1 Ms 温度（近似值）温度（近似值）/ 795 900 760 142 表表2 Cr4W2MoV钢的临界温度钢的临界温度u典型钢
24、种：典型钢种：Cr4W2MoV钢、钢、 Cr5Mo1V钢钢lCr4W2MoV钢钢是代替高碳高铬钢而研制是代替高碳高铬钢而研制的一种高碳中铬钢。由于含有较多的的一种高碳中铬钢。由于含有较多的W、Mo和和V，能细化奥氏体晶粒，具有较高的，能细化奥氏体晶粒，具有较高的淬透性、较好的回火稳定性及综合力学性淬透性、较好的回火稳定性及综合力学性能。能。用于制造硅钢片冲模等，其使用寿命比用于制造硅钢片冲模等，其使用寿命比Cr12MoV钢提高钢提高13倍以上。倍以上。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢但这种钢的锻造温度范围较窄，锻造时易但这种钢的锻造温度范围较窄，锻造时易开裂
25、，应严格控制锻造温度和操作规程。开裂，应严格控制锻造温度和操作规程。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢项目项目 加热温度加热温度/ 开锻温度开锻温度/ 终锻温度终锻温度/ 冷却方式冷却方式 钢锭钢锭钢坯钢坯 1150118011301150 1060110010401060 900900 坑冷、热砂缓冷坑冷、热砂缓冷或炉冷、坑冷或或炉冷、坑冷或热砂缓冷热砂缓冷表表3 Cr4W2MoV钢的热加工工艺钢的热加工工艺图图4-11 Cr4W2MoV钢的过冷奥氏体等温转变图（钢的过冷奥氏体等温转变图（950加热）加热） Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合
26、金模具钢合金模具钢最终热处理：最终热处理：Cr4W2MoV钢也有两种方式：钢也有两种方式：在考虑硬度和强韧性要求时，可采用较低的淬在考虑硬度和强韧性要求时，可采用较低的淬火加热温度（火加热温度（960980），经），经260300低温回火两次，每次低温回火两次，每次1h；对要求热稳定性好以及需要进行化学热处理时，对要求热稳定性好以及需要进行化学热处理时，则采用较高加热温度（则采用较高加热温度（10201040）的淬火，）的淬火，经经500540回火三次，每次回火三次，每次1h2h，可以得，可以得到较高的硬度和良好的力学性能，变形亦较小。到较高的硬度和良好的力学性能，变形亦较小。 Chapter
27、 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢lCr5Mo1V钢钢淬火：淬火：可在两个温度区间加热淬火，低温淬火可在两个温度区间加热淬火，低温淬火在在940960，高温淬火在，高温淬火在9801010，淬，淬火后硬度可达火后硬度可达6365HRC；钢从；钢从950空淬时，可空淬时，可使使50mm152mm245mm块淬硬。块淬硬。回火：回火：Cr5Mo1V钢淬火和不同温度回火时，在钢淬火和不同温度回火时，在200和和400有两个韧性峰值，在每一韧性峰值有两个韧性峰值，在每一韧性峰值之后的回火温度下，韧性降低，这是由于残余奥之后的回火温度下，韧性降低，这是由于残余奥氏体分解的结果，因此模
28、具在回火时应避免在脆氏体分解的结果，因此模具在回火时应避免在脆性温度区回火。性温度区回火。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢3基体钢基体钢基体钢一般系指其化学成分与高速钢的淬火基体钢一般系指其化学成分与高速钢的淬火组织中基体的化学成分相同的钢种组织中基体的化学成分相同的钢种。这种钢。这种钢既具有高速钢的高强度、高硬度，又因不含既具有高速钢的高强度、高硬度，又因不含有大量的未溶碳化物而使钢的韧性和疲劳强有大量的未溶碳化物而使钢的韧性和疲劳强度优于高速钢。度优于高速钢。一般认为凡是在高速钢基体成分上添加少量一般认为凡是在高速钢基体成分上添加少量其它元素，适当增减碳
29、含量以改善钢的性能其它元素，适当增减碳含量以改善钢的性能的钢都称为基体钢的钢都称为基体钢。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢基体钢也可以认为是一种较低碳含量的高基体钢也可以认为是一种较低碳含量的高速钢（有时称为低碳高速钢，实际碳含量速钢（有时称为低碳高速钢，实际碳含量处于中碳成分）。处于中碳成分）。这种低碳高速钢常用于这种低碳高速钢常用于高冲击负荷下的模具高冲击负荷下的模具，由于碳化物相对较，由于碳化物相对较少，钢的韧性和工艺性能也明显改善。少，钢的韧性和工艺性能也明显改善。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢Chapter
30、 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢u典型钢种典型钢种6W6Mo5Cr4V钢钢碳和钒的含量都比高速钢碳和钒的含量都比高速钢6-5-4-2降低（碳含量为降低（碳含量为0.55%0.65%，钒含量为，钒含量为0.70%1.10%），但仍属于莱氏体钢。），但仍属于莱氏体钢。这种钢适宜的淬火温度为这种钢适宜的淬火温度为11801200，在油、，在油、空气或盐浴中冷却，淬火后经空气或盐浴中冷却，淬火后经560580回火回火三次，硬度为（三次，硬度为（6063）HRC。由于这种钢有较好的加工性、较高的强度和韧性由于这种钢有较好的加工性、较高的强度和韧性以及较好的耐磨性，故用做冷挤压模比高
31、铬冷作以及较好的耐磨性，故用做冷挤压模比高铬冷作模具钢寿命长。模具钢寿命长。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢6Cr4W3Mo2VNb钢钢是在是在6-5-4-2钢淬火基钢淬火基体成分的基础上适当提高碳含量并用少量体成分的基础上适当提高碳含量并用少量Nb合金化而发展的（或者说是在低碳高速合金化而发展的（或者说是在低碳高速钢钢6W6Mo5Cr4V的基础上发展起来的钢种，的基础上发展起来的钢种，加入加入0.20%0.35%的的Nb，并稍提高，并稍提高C含量），含量），以改善钢的韧性、塑性和疲劳抗力。以改善钢的韧性、塑性和疲劳抗力。这种钢的淬火加热温度为这种钢的淬火
32、加热温度为10801180，然后在然后在520580回火两次，其抗弯强度和韧回火两次，其抗弯强度和韧性比通用高速钢高，适于制造形状复杂、受性比通用高速钢高，适于制造形状复杂、受冲击负荷较大和尺寸较大的冷作模具。冲击负荷较大和尺寸较大的冷作模具。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢50Cr4Mo3W2V（VascoMA）和）和55Cr4Mo5VCo8（Marrix II）相当于常用相当于常用的的6-5-4-2和和W2Mo9Cr4VCo8（M42）高速）高速钢的基体成分，属于过共析钢。钢的基体成分，属于过共析钢。经经11101120淬火后未溶碳化物的体积淬火后未溶碳
33、化物的体积分数约为分数约为5.0%，还有较多的残余奥氏体，回，还有较多的残余奥氏体，回火温度在火温度在510620范围，多次回火产生范围，多次回火产生二次硬化和消除残余奥氏体，硬度在二次硬化和消除残余奥氏体，硬度在6165HRC。在热处理到相同硬度时，基体。在热处理到相同硬度时，基体钢比相对应的高速钢做的模具具有较长的使钢比相对应的高速钢做的模具具有较长的使用寿命。用寿命。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢6Cr4Mo3Ni2WV（60Cr4Mo3Ni2WV(CG-2)）则是根据则是根据6-5-4-2钢淬火基体成分上适钢淬火基体成分上适当添加当添加2%Ni用以
34、改善韧性、塑性和疲劳用以改善韧性、塑性和疲劳抗力而考虑的。抗力而考虑的。这种钢既可以用于这种钢既可以用于冷作模具冷作模具，也可以兼作，也可以兼作热作模具热作模具。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢F对于对于冷作模具冷作模具，适宜的热处理工艺为，适宜的热处理工艺为450及及850两次预热，再加热到两次预热，再加热到1120保温后保温后油冷淬火，并进行油冷淬火，并进行520560回火两次，回火两次，回火后的硬度为回火后的硬度为5962HRC，冲击韧性（梅，冲击韧性（梅氏）可达（氏）可达（1520）J/cm2，适于制造要求变，适于制造要求变形小、韧性高的冷作模具；形
35、小、韧性高的冷作模具；F如用作如用作热作模具热作模具，则需要将回火温度升高到，则需要将回火温度升高到560或或600620，保温，保温2h回火两次，回回火两次，回火后的硬度为火后的硬度为5054HRC。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢5Cr4Mo3SiMnVAl(012Al)则采用了碳化则采用了碳化物元素物元素Cr、Mo、V与非碳化物形成元素与非碳化物形成元素Si、Al和弱碳化物形成元素和弱碳化物形成元素Mn相结合的综合合相结合的综合合金化的设计思路研制成功的。由于这种钢金化的设计思路研制成功的。由于这种钢的碳含量较低，能够较好地适应冷热变形的碳含量较低，
36、能够较好地适应冷热变形模具的不同要求。模具的不同要求。也可以既用于也可以既用于冷作模具冷作模具，又可以用作，又可以用作热作热作模具模具。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢F对于对于冷作模具冷作模具，适宜的热处理工艺为，适宜的热处理工艺为500及及850两次预热，再加热到两次预热，再加热到10901120h保温后油冷淬火，并进行保温后油冷淬火，并进行5102h回火两次，回火两次，回火后的硬度为回火后的硬度为6062HRC；F如用作如用作热作模具热作模具，则需要将回火温度升高，则需要将回火温度升高到到560或或600620，保温，保温2h回火两次，回火两次，回火后
37、的硬度为回火后的硬度为5254HRC。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢4新型冷作模具钢新型冷作模具钢为了适应冷镦模和厚板冲剪模的工作要求，为了适应冷镦模和厚板冲剪模的工作要求，既要有良好的耐磨性，又有较高的韧性，既要有良好的耐磨性，又有较高的韧性，现已发展了一系列高韧性、高耐磨性的冷现已发展了一系列高韧性、高耐磨性的冷作模具钢。作模具钢。l高韧性、高耐磨性的冷作模具钢高韧性、高耐磨性的冷作模具钢典型的钢种有典型的钢种有8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2V2WSi、7Cr7Mo2V2Si等。等。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金
38、模具钢我国常用的是我国常用的是7Cr7Mo2V2Si钢，钢，主要成分主要成分为：为：0.75%C，1.0%Si，7.0%Cr，2.5%Mo，2.0%V。这类钢的合金元素含量（质量分数）。这类钢的合金元素含量（质量分数）约为约为12%左右，有较好的淬透性，热处理变左右，有较好的淬透性，热处理变形小。在退火状态，钢中碳化物以形小。在退火状态，钢中碳化物以VC为主，为主，还有少量还有少量M23C6和和M6C。随淬火温度升高，。随淬火温度升高，碳化物逐渐溶于奥氏体。碳化物逐渐溶于奥氏体。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢7Cr7Mo2V2Si钢的钢的淬火淬火温度应在温
39、度应在1100 1150。此时剩余碳化物量为。此时剩余碳化物量为3%VC，由于，由于VC的硬度高达的硬度高达2093HV，提高了钢的耐磨性。，提高了钢的耐磨性。由于剩余碳化物总量不高，钢的韧性较好。由于剩余碳化物总量不高，钢的韧性较好。温度过高，奥氏体晶粒明显长大。经温度过高，奥氏体晶粒明显长大。经1150淬火，淬火， 7Cr7Mo2V2Si钢中含有不超过钢中含有不超过15%（体积分数）的残余奥氏体。（体积分数）的残余奥氏体。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢淬火淬火回火回火时在时在500550间出现二次硬化间出现二次硬化峰，这是由于峰，这是由于VC析出和残余
40、奥氏体分解产析出和残余奥氏体分解产生的。生的。u对要求强韧性好的模具，采用低淬火温度对要求强韧性好的模具，采用低淬火温度1100加热，加热，550回火回火23次。次。u若要求高耐磨性和冲击负荷下工作的模具，若要求高耐磨性和冲击负荷下工作的模具，用高温用高温1150淬火，淬火，560回火回火23次。次。这类钢用来制造冷镦模、冷冲模及冲头、冲这类钢用来制造冷镦模、冷冲模及冲头、冲剪模、冷挤压模等。剪模、冷挤压模等。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢l粉末冶金冷作模具钢粉末冶金冷作模具钢采用粉末冶金法（如雾化法）将钢水雾化成采用粉末冶金法（如雾化法）将钢水雾化成细小
41、的粉末。由于快速凝固，使得每颗粉粒细小的粉末。由于快速凝固，使得每颗粉粒中的高合金莱氏体得到了细化，显著改善烧中的高合金莱氏体得到了细化，显著改善烧结后钢的韧性；结后钢的韧性；同时这种方法还可以生产用传统方法难以获同时这种方法还可以生产用传统方法难以获得的高碳高合金冷作模具钢。如用粉末冶金得的高碳高合金冷作模具钢。如用粉末冶金法可使高碳高钒冷作模具钢（法可使高碳高钒冷作模具钢（2.45%C，10%V，5%Cr，1.3%Mo）中含有更多的硬）中含有更多的硬质碳化物质碳化物VC，从而具有更高的耐磨性。，从而具有更高的耐磨性。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢u粉末
42、冶金冷作模具钢的另一个类型是粉末冶金冷作模具钢的另一个类型是钢结硬钢结硬质合金质合金。所谓钢结硬质合金是以钢基体为粘所谓钢结硬质合金是以钢基体为粘结剂，以一种或几种碳化物为硬质相，经配结剂，以一种或几种碳化物为硬质相，经配料、压制和烧结而成的料、压制和烧结而成的。它兼有硬质合金和钢的优点，可以克服硬质它兼有硬质合金和钢的优点，可以克服硬质合金加工困难、韧性差等缺点，在退火后可合金加工困难、韧性差等缺点，在退火后可以进行切削加工，也可以进行锻造或焊接等。以进行切削加工，也可以进行锻造或焊接等。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢钢结硬质合金既有较高的强度和韧性，又
43、有钢结硬质合金既有较高的强度和韧性，又有类似硬质合金的高硬度和高耐磨性等优点。类似硬质合金的高硬度和高耐磨性等优点。可以用于制造标准件的冷锻模及硅钢片冲模可以用于制造标准件的冷锻模及硅钢片冲模等，与钢相比其寿命可提高几倍到几十倍。等，与钢相比其寿命可提高几倍到几十倍。钢结硬质合金按硬化相的不同可分为钢结硬质合金按硬化相的不同可分为WC系系和和TiC系两大系列。系两大系列。常用的基体成分有碳钢、钼钢、铬常用的基体成分有碳钢、钼钢、铬-钼钢、奥钼钢、奥氏体不锈钢和高速钢等。氏体不锈钢和高速钢等。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢二、热作模具钢二、热作模具钢背景背
44、景l金属热成型的途径金属热成型的途径锤锻成型锤锻成型挤压成型挤压成型压铸成型压铸成型Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢l热作模具的类型热作模具的类型锤锻模锤锻模热挤压模热挤压模压铸模压铸模 l热作模具服役条件：热作模具服役条件：热作模具服役条件的主要共同热作模具服役条件的主要共同特点是与热态金属直接接触。特点是与热态金属直接接触。一是模腔表面金属受热（锤锻模模腔表面可达一是模腔表面金属受热（锤锻模模腔表面可达300400，热挤压模可达，热挤压模可达500800，压铸模模，压铸模模腔温度与压铸材料的熔点及浇注温度有关，对于黑腔温度与压铸材料的熔点及浇注温度有关，
45、对于黑色金属高达色金属高达1000以上），使模腔表面硬度和强度以上），使模腔表面硬度和强度显著降低；显著降低；二是模腔表面金属在承受反复热、冷的作用下出现二是模腔表面金属在承受反复热、冷的作用下出现热疲劳（龟裂）。因此对热作模具钢的性能要求一热疲劳（龟裂）。因此对热作模具钢的性能要求一方面是高的高温硬度、高的热塑性变形抗力，实际方面是高的高温硬度、高的热塑性变形抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性；另一方面是要求钢具上反映了钢的高回火稳定性；另一方面是要求钢具有高的热疲劳抗力。有高的热疲劳抗力。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢1热作模具钢的化学成分、热处理工
46、艺特点热作模具钢的化学成分、热处理工艺特点热作模具钢的化学成分热作模具钢的化学成分一般采用一般采用中碳钢（中碳钢（0.3%C0.6%C）。中碳。中碳可以保证钢具有足够的韧性：可以保证钢具有足够的韧性：F碳含量过低会导致钢的硬度和强度下降；碳含量过低会导致钢的硬度和强度下降；F碳含量过高，钢的导热性能低，对抗热疲碳含量过高，钢的导热性能低，对抗热疲劳不利。劳不利。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢加入加入Cr、Mn、Ni、Si、W、V等合金元素：等合金元素：F一方面可以强化铁素体基体和增加淬透性，一方面可以强化铁素体基体和增加淬透性，另一方面提高钢的回火稳定性
47、，并在回火过另一方面提高钢的回火稳定性，并在回火过程中产生二次硬化效应，从而提高钢的高温程中产生二次硬化效应，从而提高钢的高温强度、高的热塑性变形抗力；强度、高的热塑性变形抗力；F提高钢的临界点，并使模面在交替受热与冷提高钢的临界点，并使模面在交替受热与冷却过程中不致发生容积变化较大的相变，从却过程中不致发生容积变化较大的相变，从而提高钢的热疲劳抗力。而提高钢的热疲劳抗力。由于这类钢的最终热处理是淬火加高温回火。由于这类钢的最终热处理是淬火加高温回火。因此为了防止回火脆性，钢种还常加入因此为了防止回火脆性，钢种还常加入Mo、W等合金元素。等合金元素。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4
48、.3 合金模具钢合金模具钢热作模具钢的热处理热作模具钢的热处理热处理工艺：热处理工艺：热作模具钢的一般为亚共析钢热作模具钢的一般为亚共析钢（合金元素含量高的已属于过共析钢），为（合金元素含量高的已属于过共析钢），为了获得热作模具所要求的力学性能，要进行了获得热作模具所要求的力学性能，要进行淬火及高温回火。淬火及高温回火。热处理后钢的组织：热处理后钢的组织：经淬火及高温回火后，经淬火及高温回火后，基体组织为回火屈氏体或回火索氏体组织，基体组织为回火屈氏体或回火索氏体组织，以保证较高的韧性；合金元素以保证较高的韧性；合金元素W、Mo、V等碳化物在回火过程中析出，产生二次硬化，等碳化物在回火过程中析
49、出，产生二次硬化，使模具钢在较高的温度下仍能保持相当高的使模具钢在较高的温度下仍能保持相当高的硬度。硬度。 Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢2典型的热作模具钢及应用典型的热作模具钢及应用锤锻模具用钢：锤锻模具用钢：l锤锻模具服役时的特点：锤锻模具服役时的特点：一是承受冲击负荷作用；一是承受冲击负荷作用；二是锤锻模的截面尺寸相对较大（可达二是锤锻模的截面尺寸相对较大（可达400mm）。因此这类钢对力学性能要求较高，）。因此这类钢对力学性能要求较高，特别是对塑性变形抗力及韧性要求较高；同特别是对塑性变形抗力及韧性要求较高；同时要求钢有较高的淬透性，以保证整个模具
50、时要求钢有较高的淬透性，以保证整个模具组织和性能均匀。组织和性能均匀。Chapter 4 合金工具钢合金工具钢4.3 合金模具钢合金模具钢l常用的锤锻模钢：常用的锤锻模钢：5CrNiMo、5CrMnMo及及4CrMnSiMoV等，等，与调质钢相比，强度和硬度要求更高些，与调质钢相比，强度和硬度要求更高些，因此需要将钢的碳含量作适当提高。因此需要将钢的碳含量作适当提高。F5CrMnMo钢与钢与5CrNiMo钢的性能相近，但钢的性能相近，但韧性稍低（韧性稍低（k2040J/cm2）。此外，）。此外，5CrMnMo钢的淬透性和热疲劳性能也稍差，钢的淬透性和热疲劳性能也稍差，它适于代替它适于代替5Cr
