1、第四部分第四部分 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，使加热的金属或液态金属获得所需要的形状。加热的金属或液态金属获得所需要的形状。? 按用途可分为按用途可分为热锻模热锻模、热镦模热镦模、热挤压模热挤压模、压压铸模铸模和和高速成形模具高速成形模具等。等。? 通常在反复受热和和冷却的条件下工作，变形加的条件下工作，变形加上的时间越长，受热就越严重。模具表面温升上的时间越长，受热就越严重。模具表面温升常达300一一700oC之间，要求有较高的热强性、热疲劳性和韧性，常选用中碳热疲劳性和韧性，常选用中碳(wc0.3
2、一0.6)合金钢来制作。合金钢来制作。第一节第一节 热作模具材料的主要性能要求热作模具材料的主要性能要求? 工作特点工作特点：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(350一370oC)、中耐热韧性钢(550一600oC)、高耐热钢(600一650oC)等。有特殊要求的热作等。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。一、热作模具材料的使用性能要求一、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
3、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：（1）硬度热作模具钢的硬度为40-52HRC。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：应该指出的是：钢的最佳淬火温度要通过该钢的要通过该钢的“淬火温度淬火温度晶粒度硬度”关系曲线来选择；马氏体中的二次硬化马氏体中的二次硬化则与钢则与钢的合金化程度有关系，随着回火温度的升高，马氏休中的碳含量温度的升高，马氏休中的碳含量虽然降低，但如果特殊碳化物呈弥散析出并促使残余奥氏体转变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成马氏体，则模具钢的高温硬度将会提高。（2）强度强度是模具整个截面或
4、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，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(ak)越高，热疲劳强度也会越高。所以，应采用合理的锻造及热处理方法和工艺参防止碳化物偏析和品粒粗大，减少淬火应力，提高钢的
5、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，钢的热稳定性可用回火保温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）回火稳定性回火稳定性是指随回火温度的升高，材料的强度和硬度下降的快慢程度，也称为抗回大软化能力。通常以钢的“回火温度硬度”变化曲线表示。它与热稳定件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
6、寿命和萌生后的扩展速率：热疲劳通常以20一750oC条件下反复加热冷却时所发生裂纹的循环次数或当循环一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）抗热磨损与抗氧化性能抗热磨损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，并在模具表面产生腐蚀沟，成为热疲劳裂纹的起源。因此要求模具材料具有在工作温度下的抗氧化性能。二、热作模具材料的工艺性能要求模具的加工费用
7、约占普通模具成本的一半以上，模具材料的工艺性好坏，直接关系到模具材料的推广和应用。1锻造工艺性钢的高温强度越低，伸长率越大，材料的锻造变形抗力越小，成形工艺性越好。2淬火工艺性淬火工艺性好的模具材料容易保证淬火质量，从而允分发挥材料的性能潜力，达到设计的使用寿命要求。3切削工艺性切削加工费用约占模具加工成本的90，切削加工的难易程度将直接影响钢种的推广采用。第二节第二节 热作模具材料及热处理热作模具材料及热处理一、低耐热高韧性热作模具钢及热处理这类钢主要用于各种尺寸的锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻模等，是在高温下通过冲击加压强迫金属成形的工具，锻模型腔与炽热的工件表面会产生剧烈摩擦。由于在锻
8、造过程中，模具型腔表面与被加热到很高温度的锻坯接触，使模具表面常生温到300一400oC，有时局部可达500一600oC。锻模的截面较大而型腔形状复杂，因此要求钢具有一定的高温强度和良好的冲击韧度、高的硬度与耐磨件、耐热疲劳性好、淬透性大，并具有良好的导热性以利于散热，避免型腔表面温度过高而降低力学性能，此外还应具有良好的工艺性和抗氧化性。为了满足上述性能，高韧性热作模具钢中不能含有太高的碳及碳化物形成元素，碳的质量分数应控制在0.3一0.5，同时加入少量的Cr、Mo、V、Ni、Mn、Si等以提高淬透性及热强性，加入少量的Mo、W有助于消除高温回火脆性。常用的高韧性热作模具钢有5CrNiMo、
9、5CrMnMo、4CrMnSiMoV三种，试用的有5Cr2NiMoV及45Cr2NiMoVSi等。(一) 5CrNiMo钢1力学性能5CrNiMo钢是20世纪30年代初应用至今的传统热锻模具钢，国内应用广泛。它具有很高的淬透性，如截面300mm? 400mm的锻模，自820oC油淬和560oC回火后，截面各处的硬度比表面仅低l0一20HBS。5CrNiMo钢的塑性、韧性良好，尺寸效应不敏感。由于碳化物形成元素含量不高，二次硬化效应弱故热稳定性较差，热强性不高，通常在400oC以下工作可保持较高的强度，超过400oC时强度便急剧下降，模具温升到550oC时，?b与温室比较下降近一半。2工艺性能5
10、CrNiMo钢的临界点：Ac1为730oC；Ac3为780oC；Ms为230oC。(1)锻造：市场上供应的钢材存在着纤维组织，直径越大，偏析就越严重。对于制造承受高负荷或大型模具的坯料，要经过各向锻造的过程并进行锻粗和拔长，其交替进行的次数应不少于2 3次。锻坯的加热温度为1100oC1150oC，始锻温度为1050l100oC，终锻温度为800 850oC，砂冷或坑冷。(2)退火退火退火工艺曲线如图4 1和图4 2所示。图4-1 5CrNiMo钢图4-2 5CrNiMo钢锻轧后一般退火工艺锻轧后等温退火工艺(3)淬火淬火经600 650oC温度预热后加热到830一860oC，保温后油淬。5C
11、rNiMo钢的模块如果出油温度低，容易淬裂，常在200o C左右出油，但心部未转变成马氏体的过冷奥氏体，在回火时会转变成上贝氏体组织，冲击韧度极低，寿命短。为此可采用等温处理的方法，先将模具淬入150oC的油中，再转入280一300oC硝盐浴中停留2 3h，获得“马氏体+下贝氏体+少量残余碳化物”组织，这样模具的寿命会明显提高。(4)回火回火淬火后的模具应立即移入回火炉中进行回火，回火工艺如表4 1所示。热锻模的燕尾与模体应以不同温度回火，保证燕尾部分的韧性，避免燕尾的开裂失效。表4-1 5CrNiMo钢的回火工艺3应用很多国家在大型热镊模方面主要使用5CrNiMo钢，通用性强，大、中、小模块
12、、深浅槽的模块均可用5CrNiMo。目前国内主要用于制造形状复杂、冲击载荷较重的大型及特大型锻模(最小边长400mm)。由于5CrMnMo及新钢种的研制成功，5CrNiMo的应用范围在逐渐缩小，此钢的热强性和耐磨性也不如高强度热作模具钢，故不适宜制作受冲击力大的中、小型锻模。(二)5CrMnMo钢1力学性能考虑到我国的资源情况，为节省镍而研制成的5CrMnMo钢。其强度略高于CrNiMo钢，但用锰代镍降低了其在常温及较高温度下的塑性和韧性，而且5CrMnMo钢的淬透性比5CrNiMo钢的淬透性要低，过热敏感性稍大，在高温下工作时，其热疲劳性能也较差。2工艺性能5CrMnMo钢的临界点；Ac1为
13、710oC;Ac3为760oC;Ms为220oC。(1)锻造：5CrMnMo钢锻造工艺参数和5CrNiMo钢相同，注意须防止模具开裂：(2)退火：等温退火加热温度为850 870oC，等温温度为680oC。退火后店硬度为197 24lHBS。(3)淬火；在加热温度为840oC一860oC时油淬，冷却至150 180oC出油并立即四火。为减少变形及开裂淬火时最好延时冷却，即先空冷到暗红色大约740一780oC左右灭人油淬火。(4)回火：回火工艺如友4 2所示。表表4-2 5CrMnMo钢的回火工艺钢的回火工艺3应用与5CrNiMo钢相比，由于5CrMnMo钢的淬透性及韧性均较低，只适用于制造一些
14、对强度和耐磨性要求较高，而韧性要求不甚高的各种少、小型锤锻模具及部分压力机模块(最大边长400mm)。也可用于工作温度低于500oC的其他小型热作模具。（三）4CrMnSiMoV钢1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。该钢无镍，但具有较高的强度、耐磨性、冲击韧度及断裂韧度，其冲击韧度与5CrNiMo相近或稍低，而高温性能、抗回火稳定性、热疲劳抗力好于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5CrNiMo钢。2工艺性能4CrMnSiM
15、oV钢的临界点：Ac1为792oC；Ac3为855oC；Ms为330oC。(1)锻造钢坯加热温度为ll00一l140oC，始锻温度为10501100oC，终锻温度850oC，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600oC的炉内，待温度均匀后，再冷却至150 200oC，然后出炉空冷。(2)退火等温退火加热温度为840 860oC，等温温度为700一720oC。(3)淬火大型锻模的淬火温度为870一900oC，中、小型锻模的淬火温度为900 930oC。(4)回火回火工艺如表4 3所示。表4-3 4CrMnSiMoV钢的回火工艺如果制作大型锻模，
16、由于尺寸很大，淬如果制作大型锻模，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5CrNiMo钢高。例如制作连杆模、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0.1 0.8倍不等，用作矫正模、弯曲倍不等，用作矫正模、弯曲模和平锻机锻模，一般寿命都比模和平锻机锻模，一般寿命都比5CrNiMo高出0.5倍。（四）（四）5NiCrMoV钢和5Cr2NiMoVSi钢钢从从20世纪50年代以来，我国厚度小于250mm的模块多采用5C
17、rMnMo钢制造，大于250mm的模块一直都用5CrNiMo钢制作。与西方国家的常钢制作。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，钢中不含钒，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钒和硅，钢主要添加了一定量的钒和硅，将碳、镍、铬、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500oC以下时，5Cr2NiM
18、oVSi 钢的高温强度与5CrNiMo钢相近；而当高于600oC时，5Cr2NiMoVSi钢的强度却高出一倍以上。热稳定性温度提高150 170oC。对于500mm x 500mm截面的锻模，心部硬度较5CrNiMo钢高出13HRC。2工艺性能5Cr2NiMoVSi 钢的临界点：Ac1为750oC;Ac3为874oC; Ms为243oC。(1)锻造：始锻温度为1200oC，终锻温度为900oC，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800oC，等温温度为720oC。(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960一980oC，型腔回火温度为63
19、0一670oC，燕尾回火温度为680一700oC。表4 4 5Cr2NiMoVSi钢淬火、回火工艺3应用应用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0.5 1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。二、中耐热韧性热作模具钢及热处理二、中耐热韧性热作模具钢及热处理许多热挤压模、热镦锻模、精锻模以及锻压机、高许多热挤压模、热镦锻模、精锻模以及锻压机、高速锤上的模具等都是在繁重的
20、条件下工作的。这些模具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，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。高温强度和耐热
21、疲劳性以及高的耐磨性。中等耐磨性韧性钢中等耐磨性韧性钢，主要有，主要有5wt.的铬型热作模具的铬型热作模具钢和铬钼系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化钢和铬钼系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化物形成元素，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。我国从作模具钢之间。我国从20世纪世纪60年代开始引进开发这类年代开始引进开发这类钢号，用量逐渐扩大，钢号，用量逐渐扩大，现已成为主要的热作模具钢现已成为主要的热作模具钢。(一)含5wt.铬的铬系热作模具钢1H11钢(4Cr5MoSiV) 4Cr5MoSiV钢中wv0.4左右，简称H11
22、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。(1)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750oC,再快速加热到I120 1150oC的锻造温度，减少氧化和脱碳；始锻温度为1080l120oC，终锻温度850oC，锻后缓冷并及时退火。(2)退火：加热温度为880oC，等温温度为750oC，炉冷到500oC以下出炉空冷，获得粒状珠光体组织，退火硬度为192 235 HBS，最好在可控气氛炉中
23、进行。(3)淬火、回火：淬火时不需预热，可直接加热到1000一1020oC油淬或分级淬火，硬度约50 52HRC，经540 600oC回火，模具硬度在40一50HRC范围内。该钢在200oC以上随回火温度升高，aK值下降，在500oC左右冲击韧度最低，所以应避免在500oC附近回火或进行化学热处理。2H13钢(4Cr5MoSiV1)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JISSKD61，我国在“八五”期间将H13钢列为国家重点推广的钢种，目前国内已经有多家钢厂在生产。H13钠比H11钢的钒含量高，其质量分数一般在1左右，热强性和热稳定性高于
24、H11钢。具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不易扩展(K?Kc)。可以制作热锻模或模腔温升不超过600oC的压铸模。H13钢的临界点：Ac1为853oC; Ac3为912oC；Ms为310oC。(1)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800oC，保温2h，降温至750oC等温2 4h，炉冷到500oC出炉空冷，硬度为192 229HBS，锻后必须立即进行球化退火。(3)淬火和回火；H13钢与H11钢的不同之处在于，淬火前需经二次预热，然后加热到1020一l050oC，油淬的硬度为53 55
25、HRC；也可以采用空淬或分级淬火，经560 630oC回火，可获得硬度40 50HRC。H13钢的回火或化学热处理温度同样要避开500oC，但不宜超过650oC。34Cr5W2SiV钢(958) 4Cr5W2SiV钢的钒含量wv0.6一1.0，用2wt.的钨代替1wt.的钼，从4Cr5MoSiV1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。wcr5的铬系热作模具钢，在500一600oC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等高耐热模具钢，含有硅和铬,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H1
26、3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3 5倍，用于机锻模的H11和H13钢代替5CrNiMo及3Cr2W8V钢，模具寿命提高2 3倍，用作辊锻模具，最高寿命己达5万件,比原用3Cr2W8V钢高出3倍，在轴承行业中代替3Cr2W8V制造碾压辊，寿命提高2一3倍。(二)铬钼系热作模具钢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铬系钢，冲击韧ak和断裂切度Kc高于3Cr2W8V钢。l .HM一1钢(3Cr3Mo3W2V)和HM一3钢(25Cr3Mo3VNb) HM一1钢是参照国外H10钢(4Cr3
27、Mo3SiV)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.的钨形成HMl钢。HM一3钢则是在碳含量较低(wc0.25)的模具钢基础上加入了微量的元素铝(wNb0.08一0.15)，使钢保持高的强度和热稳定性。HM一1钢的冷热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多，同时还有较高的韧性。HM一3钢在600oC以上的高温强度高于4Cr5W2SiV钢，但当试验温度低干600oC时强度不如4Cr5W2SiV钢。HM一1钢的临界点：Ac1为842oC;Ac3为922oC; Ms为373oC。HM一3钢的临界点：Ac1为825oC; Ac3为920oC; Ms为355oC。(1)锻造：
28、加热温度为l150 l180oC，始锻温度为11201150oC，终锻温度?850oC。对HM一1钢要求锻后必须缓冷，并及时进行退火。(2)退火；HMl钢采用等温球化退火，其加热温度为870oC ，等温温度为730oC，炉冷到550oC 以下出炉空冷，退火后硬度为207 225HBS。HM一3钢采用等温球化退火，其加热温度为860oC ，等温温度为710oC ，炉冷到550oC以下出炉空冷。(3)淬火和回火：HMl钢在1030l120oC范围内淬火时，可获得52 55HRC的硬度，具体工艺可根据工件要求选用。回火温度在580一620oC之间选择，回火二次，每次2h。HM一3钢的淬火温度为108
29、0oC，回火温度为560一630oC，回火二次。25Cr3Mo3VNb钢(HM一3)对热锻成形凹模、连杆辊锻模、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一3钢模具寿命比3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5W2VSi钢制模具提高2一i0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一1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一1钢用作轴承套圈毛坯热挤压凸模、凹模，碾压辊及辊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、5CrMnMo钢等模具寿
30、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析小硬化型热作模具钢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。为了具有良好的切削加工性能，PH钠中加入了0.05一0.12的锆等微量合金元素，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
31、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：Ac1为776oC，Ac3为851oC，Ms为672oC。(1)锻造：始锻温度为1000一1100oC，终锻温度?850oC ，锻后炉冷。(2)退火：780oC 加热?40o C/h的速度冷却到680oC后随炉冷却，退火后硬度为217 229HBS：(3)淬火及回火：淬火加热温度为990 1020oC，截面边长? 100mm时采用空冷，截面边长大于100mm时采用油冷。在370 400oC回火一次，硬度在45HRC左右。PH钢适用于在5()() 600oC范围内工作的热锻模具，如果模具工作表面升温至525 550oC，析出硬化后的硬
32、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钢提高倍。三、高耐热热作模县钢及热处理三、高耐热热作模县钢及热处理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回火抗力及热稳定性。属于此类的钢中应用得较多较早的有3个钢号：3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V(RM一2)、5Cr4Mo3SiMnVAl(012A1)钢。另外还有几个试用得较好的钢号：4Cr3MoW4VNb(GB)、6Cr4Mo3Ni2WV(C
33、G一2) 、4Cr3Mo2NiVNbBHD)、奥氏体耐热钢等。这类钢的钨、钼含量较高，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。（一)3Cr2W8V钢3Cr2W8V钢是钨系高耐热热作模具钢的代表钢号。早在20世纪20年代开始就用于生产，由于钨含量高，在温度不小于600oC时，钢的高温强度和硬度明显要高于铬系热作模具钢。1力学性能3Cr2W8V钢的主加元素刚好是W18Cr4V高速钢的一半因此又称为半高速钢。含钨越高，钢的热稳定性越高，耐磨性越好。铬能增加钢的淬透性，虽因冷热疲劳抗力差，在急冷、急热条件下工作时容易产生冷热疲
34、劳裂纹而失效，但其抗回火能力较高，在550oC回火时会出现二次硬化峰，淬火温度越高，二次硬化峰值的硬度越高，热强性越好。由于W2C的析出，在650oC时，冲击韧度最低，因此高温韧性较差。2工艺性能工艺性能3Cr2W8V钢的临界点：Ac1为830oC，Ac3为920oC，Ms为350oC。(1)锻造：钢坯加热温度为1130一1160oC ，始锻温度为10801120oC，终锻温度为900一850oC，锻后先在空气中冷却到约700oC，随后缓冲(砂冷或炉冷)。(2)退火：等温退火的加热温度为840一880oC，等温温度为720 740oC，退火状态的组织为铁素体基体上分布着Fe3W3C和Cr23C
35、6，退火硬度不大于241HBS。(3)淬火及回火：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l140 11500oC淬火，650 680oC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1050一1100oC常规淬火工艺，油淬硬度为50 54HRC，550 650oC回火两次，每次2h，回火后硬度为40 50HRC。3应用应用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
36、火、高温回火：提高淬火温度，能使合金碳化物进一步溶解，奥氏体的钨含量增加，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l050一l100oC淬火，600一620oC回火硬度为47 49HRC，使用寿命仅500 2000件；改用1150oC淬火后660 680oC高温回火硬度为39 4lHRC，模具寿命达7000一10000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：1080oC油淬，580一610oC二次回火，硬度为45
37、 48HRC，平均寿命仅4500件；改用l100oC加热，340一350oC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10003000kN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46 48HRC，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。(二
38、)RM-2钢(5Cr4W5Mo2V)1力学性能该钢碳的质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Fe3W3C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700oC，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：Ac1为836oC，Ac3为893oC，Ms为250oC。(1)锻造：加热温度为11701190oC，始锻温度为11201150oC，终锻温度?850oC，锻后在850一600oC区间应该快冷，以避免网状碳化物的形成，在600oC以下缓冷。(2)退火：加热温度为870oC，等温温
39、度为730oC，炉冷到500oC以下出炉空冷。(3)淬火及回火：1130oC淬火并在不同温度回火后的硬度如表4 5所示。当550oC回火时出现二次硬化峰值，700oC回火时仍保持40.5HRC的硬度。淬火温度超过1150oC时晶粒会明显增大，超过1200oC时显著增大。表4-5 5Cr4W5Mo2V的回火硬度(1130oC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、热挤压凸模及辊锻模等，使用寿命比3Cr2W8V钢普遍延长2 3倍，个别模具可延长10一20倍。(三)012Al钢(5Cr4Mo3
40、SiMnVAl)012A1钢是冷、热作兼用模具钢，关于该钢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4 6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012A1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辊上应用，比3Cr2w8v钢提高寿命2 3倍。表4-4 012Al钢的热稳定性(四)CG-2钢(6Cr4
41、Mo3Ni2WV)CG-2钢是在高速钢的基体钢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Ni，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：Ac1为737oC,Ac3为822oC ,Ms为180oC。(1)锻造：始锻温度为l140 l160oC，终锻温度?950oC。此钢锻造性能稍差，要求反复镦拨三次以上，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：CG一2
42、钢不易退火，故须采用球化退火，加热温度为810oC，等温温度为670oC，炉冷至400oC以下出炉空冷，退火硬度为220一40HBS。(3)淬火及回火：淬火加热温度为11001130oC，油冷。回火温度在630oC，回火二次，每次2h，硬度为51 53HRC。若用作冷作模具，在540oC回火二次，硬度为59 62HRC。3应用CG一2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。CG一2钢可用于冷作模具，制作标准件及轴承滚子的冷镦模、缝纫机零件冷镦模，比Crl
43、2MoV钢模具寿命明显延长。（五)GR钢(4Cr3Mo3W4VNb)1力学性能GR钢属于钨钢系热作模具钢，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4-8所示，4Cr3Mo3W4VNb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)2工艺性能GR钢的临界点：Ac1为821oC，Ac3为880oC，Ar1为752oC，Ar3为850oC。(1)锻造始锻温度为1150o
44、C，终锻温度?900oC，锻后缓冷及时退火。(2)退火等温退火加热温度为850oC，等温温度为720oC，冷却到550oC以下出炉空冷。(3)淬火及回火淬火及回火淬火温度在l160 1200oC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630oC和600oC，回火两次，每次2-3h，形状复杂的模具，可进行三次回火，回火后的硬度约为50一54HRC。3应用GR钢主要用于制作热镦和精锻模具，已成功地应用在齿轮高速锻模具、精密锻造、轴承套圈热挤压、自行车零件及螺母热镦锻、小型机锻模、辊锻模上，与3Cr2W8V钢相比，寿命提高数倍至数十倍，效
45、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700oC左右，在此条件下，国内广泛使用的3Cr2W8V钢及铬系热作模具钢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700oC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l130oC淬火，650oC回火后，于650oC及700oC进行测量，高温下的屈服强度、塑性和韧性如表4-9所示；经1130oC淬火，不同温度回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。
46、在相同的硬度条件下，HD钢的断裂韧度Kc比3Cr2W8V钢高50，在700oC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。表4-9 HD钢的高温力学性能表4-10 不同回火温度时的硬度值(1130oC加热淬火) (单位：HRC)2工艺性能HD钢的临界点：Ac1为770oC，Ms为320oC。(1)锻造：加热温度1100l150oC，始锻温度为1000-1050oC，终锻温度为850oC。(2)退火退火：加热温度为850oC，保温4h，炉冷到550oC以下出炉空冷。(3)淬火、回火；淬火加热温度为1130oC，回火温度为650一700oC。3应用HD钢
47、常用于钢质药筒热挤压凸模、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-l-1铁白铜、低碳钢、4Cr9Si2钢、GCr15钢等材料，比3Cr2W8V钢制模具的使用寿命提高l2倍。(七）Y10钢(4Cr5Mo2MnVSi)和Y4钢(4Cr3Mo2MnVNbB)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580一740oC，Y10钢是在H13钢的基础上适当提高钒、锰、硅的含量，属于含5wt.铬的铬系高强韧性热作模具钢。铜合金的熔点温度较高，约在850一920oC，Y4是属于成分接近3Cr3Mo的铬铝系热作模
48、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1一10倍，也可用于热挤压模、精锻模。2工艺性能Y10钢的临界点：Ac1为815oC，Ac3为893oC，Ms为271oC。Y4钢的临界点：Ac1为789oC、Ac3为910oC，Ms为263oC。(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l020 l120oC，回火温度为600一
49、630oC，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。具。（一（一)奥氏体热作模具钢因为马氏体型热作模只钢在650oC以上会发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750oC以上能耐高温、耐腐蚀、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。现在主要有铬镍系奥氏休钢和高锰系奥氏体钢两类。1高锰系奥氏体钢此钢
50、又分为高锰系奥氏体模具钢和高锰奥氏体无磁模具钢。(1)高锰系奥氏体模具钢5Mnl5Cr8Ni5Mo3V2和7Mn10Cr8Ni10Mo3V2是高锰系奥氏休钢，在加热和冷却过程中不发生相变，始终保持奥氏体组织，经11501180oC固溶处理和700oC时效后具有较好的综合力学性能，硬度为45-46HRC，但时效软化抗力很高直到800oC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。表表4-11 奥氏体钢室温力学性能高锰奥氏体耐热模具钢主要用于制造工作应高锰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700一800oC的高温热作模
