1、模具材料模具材料湖南工程学院湖南工程学院：高为国高为国Mold Materials第四章第四章 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，按用途可分为热锻模、热属或液态金属获得所需要的形状，按用途可分为热锻模、热镦模、热挤压模、压铸模和高速成形模等。镦模、热挤压模、压铸模和高速成形模等。热作模具的工作特点就是具有间歇性，每次使热态金属热作模具的工作特点就是具有间歇性，每次使热态金属成形后，都要使用冷却介质对模具的型腔表面进行冷却，致成形后，都要使用冷却介质对模具的型腔表
2、面进行冷却，致使模具表面形成较大的热应力，从而容易引起型腔表面出现使模具表面形成较大的热应力，从而容易引起型腔表面出现热疲劳裂纹，因而要求其应具有较高的热强性、热疲劳性和热疲劳裂纹，因而要求其应具有较高的热强性、热疲劳性和韧性，韧性，常选用中碳常选用中碳（0.3%0.6%）合金钢制作。合金钢制作。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 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（热高韧性钢（350370）、中耐热韧性钢（）、中耐热韧性钢（550600）、高）、高耐热钢（耐热钢（600650）等。
3、）等。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1.硬度：硬度：一般为一般为4052HRC。2.强度：强度：常用指标一般为常用指标一般为ReL、Rm、bb 等。等。3.冲击韧度和断裂韧度：冲击韧度和断裂韧度：包括包括ak 等。等。4.热稳定性：热稳定性：通常可用回火保温通常可用回火保温4h，硬度降到，硬度降到45HRC时的时的最高加热温度表示；对于原始硬度低些的材料，也可用保温最高加热温度表示；对于原始硬度低些的材料，也可用保温2h，硬度降到硬度降到35HRC的最高加热温度表示。的最高加热温度表示。二、热作模具材料的工艺性能要求二、热作模具材料的工艺性能要求1 1锻造工艺性：
4、锻造工艺性：钢的高温强度越低钢的高温强度越低,伸长率越大伸长率越大,材料的锻材料的锻造变形抗力越小造变形抗力越小,成形工艺性越好。成形工艺性越好。2 2淬火工艺性：淬火工艺性：淬火工艺性好的模具材料容易保证淬火质淬火工艺性好的模具材料容易保证淬火质量量,从而充分发挥材料的性能潜力从而充分发挥材料的性能潜力,达到设计的使用寿命要求。达到设计的使用寿命要求。3 3切削工艺性：切削工艺性：切削加工费用约占模具加工成本的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。切削加工的难易程度将直接影响钢种的推广采用。5 5回火稳定性回火稳定性：常以钢的常以钢的“回火温度回火
5、温度硬度硬度”曲线表示。曲线表示。6 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。命和萌生后的扩展速率。7 7高温磨损与抗氧化性能高温磨损与抗氧化性能：要求模具材料具有在工作温要求模具材料具有在工作温度下的抗氧化性能。度下的抗氧化性能。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一、低耐热高韧性热作模具钢及热处理 主要用于各种锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻模等。主要用于各种锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻模等。截面较大而型腔形状复杂的截面较大而型腔形状复杂的热热锻模，要求锻模，
6、要求材料材料具有具有较高的较高的高温强度高温强度、良好的冲击韧性、高的硬度与耐磨性、耐热疲劳性良好的冲击韧性、高的硬度与耐磨性、耐热疲劳性好、淬透性大；并有良好的导热性以利于散热，避免型腔表面好、淬透性大；并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；以及良好的工艺性和抗氧化性。温度过高而降低力学性能；以及良好的工艺性和抗氧化性。低耐热高韧性热作模具钢中的碳含量为低耐热高韧性热作模具钢中的碳含量为0.3%0.5%，加，加入少量入少量Cr、Mo、V、Ni、Mn、Si等元素，以提高淬透性及热等元素，以提高淬透性及热强性，加入少量强性，加入少量Mo、W有助于消除高温回火脆性。常用的
7、有助于消除高温回火脆性。常用的低低耐热耐热高韧性热模钢有高韧性热模钢有5CrNiMo、5CrMnMo、5Cr2NiMoVSi、4CrMnSiMoV、5NiCrMoV等。等。以以5CrNiMo为例：为例：1力学性能：力学性能：具有很高的淬透性，塑性、韧性良好具有很高的淬透性，塑性、韧性良好，尺尺寸效应不敏感，热稳定性较差，热强性不高，通常只在寸效应不敏感，热稳定性较差，热强性不高，通常只在400以下工作。以下工作。2工艺性能工艺性能：（1）锻造：锻坯的加热温度）锻造：锻坯的加热温度11001150，始锻温度，始锻温度10501100，终锻温度，终锻温度800850，砂冷或坑冷。，砂冷或坑冷。（2
8、）退火：）退火：两种退火工艺曲线。两种退火工艺曲线。（3）淬火：）淬火：600650预热预热，加热到加热到830860，保温保温后油淬。淬火后常在后油淬。淬火后常在200左右出油，如果出油温度低，容易左右出油，如果出油温度低，容易淬裂，但心部未转变成马氏体的过冷奥氏体，在回火时会转变淬裂，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，冲击韧性极低，寿命短。可采用等温处理方成上贝氏体组织，冲击韧性极低，寿命短。可采用等温处理方法，先将模具淬入法，先将模具淬入150 油中，再转入油中，再转入280300 硝盐浴中停硝盐浴中停留留23h，获得获得“马氏体马氏体+下贝氏体下贝氏体+少
9、量少量残留残留碳化物碳化物”组织，组织，模具寿命明显提高。模具寿命明显提高。（4）回火：）回火：淬火后的模具应立即移入回火炉中进行回火，淬火后的模具应立即移入回火炉中进行回火，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，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。避免燕尾的开裂失效。应用：应用：主要用于制造形状复杂的、冲击负荷较重的大型及主要用于制造形状复杂的、冲击负荷较重的大型及特大型锻模（最小边长特大型锻模（最小边长400mm）。）。二、中耐热二、中耐热韧韧性热作模具钢性热作模具钢及热处理及热处理 某些热挤压模、热镦锻模、精锻模以及锻压机、高速锤
10、某些热挤压模、热镦锻模、精锻模以及锻压机、高速锤上的模具是在繁重的条件下工作的。这些模具工作时需较长上的模具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要求变形加工的金属接触，受热温度往往比锤锻模时间与被要求变形加工的金属接触，受热温度往往比锤锻模具要高，所以有高的热稳定性、比较高的高温强度、耐热疲具要高，所以有高的热稳定性、比较高的高温强度、耐热疲劳性以及高的耐磨性。劳性以及高的耐磨性。主要有主要有5%5%铬型热作模具钢和铬钼系热作模具钢，含有较铬型热作模具钢和铬钼系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化物形成元素，其韧性及耐热性介于高多的铬、钼、钒等碳化物形成元素，其韧性及耐热性介
11、于高韧性及高热强性热模钢之间。韧性及高热强性热模钢之间。常用的常用的中耐热中耐热韧韧性热作模具钢性热作模具钢主要有主要有4Cr5MoSiV（H11）钢、钢、4Cr5MoSiV1（H13）钢、）钢、3Cr3Mo3W2V（HM1）钢、）钢、4Cr5W2SiV（958）钢、）钢、3Cr3Mo3VNb（HM3）钢、）钢、2Cr3Mo2NiVSi（PH）钢等。）钢等。以以4Cr5MoSiV1（H13）钢为例：）钢为例：H13临界温度：临界温度：AC1 为为853；AC3为为 912；MS为为310。锻造：锻造：先缓慢加热到先缓慢加热到750，再快速加热到，再快速加热到11201150锻造温度，减少氧化脱
12、碳；始锻温度锻造温度，减少氧化脱碳；始锻温度10801120，终锻温度，终锻温度850，要求锻造比大于要求锻造比大于4,锻后缓冷，及时退火。锻后缓冷，及时退火。退火：退火：等温退火加热等温退火加热800，保温，保温2h，降温至，降温至750等温等温24h，炉冷到，炉冷到500出炉空冷，硬度出炉空冷，硬度192229HBS，锻后必须，锻后必须立即球化退火。立即球化退火。淬火和回火：淬火和回火：淬火前需经二次预热，然后加热到淬火前需经二次预热，然后加热到10201050，油淬的硬度为，油淬的硬度为5355HRC，也可以采用空淬或分级，也可以采用空淬或分级淬火，经淬火，经560630回火，可获得硬度
13、回火，可获得硬度4050HRC。主要钢号有主要钢号有3Cr2W8V、5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）、）、6Cr4Mo3Ni2WV（CG2）、）、4Cr3Mo2NiVNbB（HD）、）、5Cr4W5Mo2V（RM2）、）、4Cr3MoW4VNb（GR）钢等。）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强度、硬度和耐磨性、组织稳定性，但其韧性和抗热疲有更高强度、硬度和耐磨性、组织稳定性，但其韧性和抗热疲劳性能不及低耐热韧性热作模具钢。劳性能不及低耐热韧性热作模具钢。三、高耐热热作模具钢及热处理三、高耐热热作模具钢及热
14、处理高耐热性热作模具钢主要应用于较高温度下工作的热顶锻高耐热性热作模具钢主要应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。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，压铸其中压力铸造是在高的压力下，使熔融的金属挤满型腔，压铸成型，在工作过程中模具反复与炽热金属接触，因此，要求有成型，在工作过程中模具反复与炽热金属接触，因此，要求有较高的回火抗力及热稳定性。较高的回火抗力及热稳定性。以以3Cr2W8V钢为例：钢为例：1力学性能力学性能 3Cr2W8V钢是钨系高热强热作模具钢的代表钢号，含钨钢是钨系
15、高热强热作模具钢的代表钢号，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；越高，钢的热稳定性越高，耐磨性越好，铬能增加钢的淬透性；冷热疲劳抗力差，抗回火能力较高，在冷热疲劳抗力差，抗回火能力较高，在5500C回火出现二次硬回火出现二次硬化峰，淬火温度越高，二次硬化峰值硬度越高，热强性好。化峰，淬火温度越高，二次硬化峰值硬度越高，热强性好。2工艺性能工艺性能 3Cr2W8V临界温度：临界温度：AC1 为为830；AC3 为为920；MS 为为350。锻造：锻造：钢坯加热温度钢坯加热温度11301160，始锻温度，始锻温度10801120，终锻温度，终锻温度900850，锻后先在空气
16、中较快地冷却到，锻后先在空气中较快地冷却到约约700随后缓冷（砂冷或炉冷）。随后缓冷（砂冷或炉冷）。退火：退火：等温退火加热温度等温退火加热温度840880，等温温度，等温温度720740，退火态组织为：铁素体基体上分布着，退火态组织为：铁素体基体上分布着Fe3W3C和和Cr23C6，退火硬度不大于退火硬度不大于241HBS。淬火及回火：淬火及回火：为了提高模具的强韧性，可以采用高淬高回为了提高模具的强韧性，可以采用高淬高回工艺：工艺：11401150淬火，淬火，650680回火，适用于承受动载回火，适用于承受动载荷较小的模具。对于在动负荷下工作的小模具或大型模具，可荷较小的模具。对于在动负荷
17、下工作的小模具或大型模具，可选用选用10501100常规淬火工艺，油淬硬度常规淬火工艺，油淬硬度5054HRC，550650回火两次，每次回火两次，每次2h，回火后硬度，回火后硬度4050HRC。3应用应用3Cr2W8V钢在淬火加热中的脱碳变形倾向较小，热处理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、镦锻模、压铸模、剪切刀上。模、热挤压模、镦锻模、压铸模、剪切刀上。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1.奥氏体热作模具钢：奥氏体热作模具钢：主要有高
18、锰系奥氏体模具钢主要有高锰系奥氏体模具钢 （5Mn15Cr8Ni5Mo3V2、7Mn10Cr8Ni10Mo3V2）、铬镍系奥）、铬镍系奥氏体模具钢（氏体模具钢（4Cr14Ni14W2Mo、Cr14Ni25Co2V）和高锰奥）和高锰奥氏体无磁模具钢（氏体无磁模具钢（7Mn15Cr2Al3V2WMo）等。通常在）等。通常在“固溶固溶处理后和时效处理处理后和时效处理”后进行使用，其使用温度一般可达后进行使用，其使用温度一般可达700800。2.高温合金高温合金3.硬质合金硬质合金4.难熔合金难熔合金5.压铸模用铜合金压铸模用铜合金第三节第三节 热作模具材料及热处理工艺实例热作模具材料及热处理工艺实例
19、 一、热锻模具钢选用及热处理工艺一、热锻模具钢选用及热处理工艺 服役条件：服役条件：高温、高压、高冲击载荷，反复加热和冷却。高温、高压、高冲击载荷，反复加热和冷却。性能要求：性能要求：高的冲击韧度和断裂韧性高的冲击韧度和断裂韧性、较高的高温硬度和较高的高温硬度和高温强度。高温强度。良好的淬透性、高的热疲劳抗力和回火稳定性、良良好的淬透性、高的热疲劳抗力和回火稳定性、良好的工艺性能及抗氧化性。好的工艺性能及抗氧化性。热处理工艺：热处理工艺：锤锻模要求的硬度和机械加工与最终热处理锤锻模要求的硬度和机械加工与最终热处理工序的安排视模子的大小、形状及服役条件而定。工序的安排视模子的大小、形状及服役条件
20、而定。叉形轴锻模属于小型锻模，选用叉形轴锻模属于小型锻模，选用4Cr5MoSiV 钢制造，模面硬度要求为钢制造，模面硬度要求为40 45HRC，经加工和淬火、回火，经加工和淬火、回火后采用辉光离子渗氮，要求渗氮层深后采用辉光离子渗氮，要求渗氮层深度为度为0.20.30mm。二、热挤压模具钢选用及表面处理工艺二、热挤压模具钢选用及表面处理工艺服役条件：服役条件：冲击载荷比热锻模小，但其工作时与炽热金属冲击载荷比热锻模小，但其工作时与炽热金属接触时间比热锻模长，工作表面温升达接触时间比热锻模长，工作表面温升达800850。性能要求：性能要求：具有更高的室温及高温硬度和热稳定性、较高具有更高的室温及
21、高温硬度和热稳定性、较高的抗氧化能力、高的高温强度及回火抗力。的抗氧化能力、高的高温强度及回火抗力。常用的化学热处理方法：常用的化学热处理方法：渗碳、渗硼、离子氮化、氮碳共渗碳、渗硼、离子氮化、氮碳共渗、渗金属及复合渗等方法。渗、渗金属及复合渗等方法。铝合金连续挤压模凸模，选铝合金连续挤压模凸模，选用用4Cr5MoSiV1（H13）钢制造，）钢制造，经经800 退火，退火，1020 1050 分分级淬火后经级淬火后经600 回火，硬度为回火，硬度为4247HRC，再进行硼氮复合渗。，再进行硼氮复合渗。三、热切边模、热镦模用钢及热处理工艺三、热切边模、热镦模用钢及热处理工艺 1 1热切边模具用钢
22、及热处理热切边模具用钢及热处理切边模在服役过程中承受一定的冲击载荷，剪切过程中，切边模在服役过程中承受一定的冲击载荷，剪切过程中，凹模刃口与毛坯相摩擦，还会受热而升温。要求热切边模具凹模刃口与毛坯相摩擦，还会受热而升温。要求热切边模具材料具有高的硬度、耐磨性及热硬性，一定的强韧性及良好材料具有高的硬度、耐磨性及热硬性，一定的强韧性及良好的工艺性能。的工艺性能。常用的热切边凹模有常用的热切边凹模有8Cr3、7Cr3、4CrW2Si和和5CrNiMo、5CrMnMo等，热切边凸模常用等，热切边凸模常用8Cr3和和7Cr3。8Cr3钢的热处理工艺：钢的热处理工艺：780800炉冷退火，硬度炉冷退火，
23、硬度255HBS；820840加热、油冷淬火至加热、油冷淬火至150200出油，进行出油，进行470520回火。回火。2热镦模具用钢及热处理工艺热镦模具用钢及热处理工艺有些端部需要局部镦粗成型的杆状零件，采用热镦工艺，有些端部需要局部镦粗成型的杆状零件，采用热镦工艺，热镦的频率根据被镦锻件的形状和所用设备不同，为热镦的频率根据被镦锻件的形状和所用设备不同，为3060次次/min不等。对于镦锻模具用钢的性能要求，既要有较高的热强不等。对于镦锻模具用钢的性能要求，既要有较高的热强性和韧性，又要有较好的耐磨性，以防止过早的热磨损和堆塌性和韧性，又要有较好的耐磨性，以防止过早的热磨损和堆塌变形，高耐热
24、热作模具钢变形，高耐热热作模具钢HM1、012Al、GR、HM3以及以及3Cr2W8V钢等，都可用作热镦模具钢。钢等，都可用作热镦模具钢。汽车后桥半轴法兰盘的锻造终成形凹模，原用汽车后桥半轴法兰盘的锻造终成形凹模，原用3Cr2W8V钢制，使用寿命钢制，使用寿命2000件；对使用条件较为苛刻的平锻机热镦模件；对使用条件较为苛刻的平锻机热镦模采用采用25Cr3Mo3VNb（HM3）钢制造，并可用离子氮碳共渗处）钢制造，并可用离子氮碳共渗处理，以提高模具表面的耐磨性和抗粘着能力，使用寿命超过理，以提高模具表面的耐磨性和抗粘着能力，使用寿命超过40006000件。件。四、压铸模具材料及热处理工艺四、压
25、铸模具材料及热处理工艺压铸生产可以将熔化的金属液直接压铸成各种结构复杂、压铸生产可以将熔化的金属液直接压铸成各种结构复杂、尺寸精确、表面光洁、组织致密以及用其它方法难以加工的零尺寸精确、表面光洁、组织致密以及用其它方法难以加工的零件，如薄壁、小孔、凸缘、花纹、齿轮、螺纹、字体以及镶衬件，如薄壁、小孔、凸缘、花纹、齿轮、螺纹、字体以及镶衬组合等零件。近年来，压铸成形已广泛应用于汽车拖拉机、仪组合等零件。近年来，压铸成形已广泛应用于汽车拖拉机、仪器仪表、航海航空、电机制造、日用五金等行业。器仪表、航海航空、电机制造、日用五金等行业。压铸模具是在高的压应力（压铸模具是在高的压应力（30150MPa）
26、下将）下将4001600的熔融金属压铸成型，的熔融金属压铸成型，在成形过程中，模具周期性地在成形过程中，模具周期性地与炽热的金属接触，反复经受加热和冷却，且受到高速喷入的与炽热的金属接触，反复经受加热和冷却，且受到高速喷入的金属液的冲刷和腐蚀。因此，压铸模用钢要求有较高的热疲劳金属液的冲刷和腐蚀。因此，压铸模用钢要求有较高的热疲劳抗力、导热性及良好的耐磨性、耐蚀性、高温力学性能。抗力、导热性及良好的耐磨性、耐蚀性、高温力学性能。以铝合金压铸模为例：以铝合金压铸模为例：铝合金压铸模的服役条件较为苛刻，铝合金液的温度通常铝合金压铸模的服役条件较为苛刻，铝合金液的温度通常为为650700，并以，并以40 180m/s 的速度压入模具型腔，在的速度压入模具型腔，在20 120MPa 压力下保压压力下保压5 20s，每次压射间隔为，每次压射间隔为20 75s。铝合金压铸模的常用钢为铝合金压铸模的常用钢为4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV、3Cr2W8V 及新钢种及新钢种4Cr5Mo2MnVSi、3Cr3Mo3VNb 等。等。铝合金压铸模的模块制造铝合金压铸模的模块制造工艺流程是：锻造工艺流程是：锻造球化退火球化退火粗加工粗加工精加工精加工淬火、回淬火、回火火钳修钳修抛光抛光离子渗氮离子渗氮（或离子氮碳共渗）（或离子氮碳共渗）装配。装配。
