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1、热作模具钢的选材及表面热处理技术,组员 :虞方 李斌 陈益鹏,一、热作模具钢的选材 为满足性能要求，热作模具钢都采用合金钢，在化学成分方面碳含量较低，通常在0.300.55%范围内，以获得优良的热疲劳性和导热性，同时经热处理后有较好的机械性能。而作为合金元素加入的Cr、W、Mo、V 等四种元素可与碳结合形成特殊碳化物。这些特殊碳化物对热作模具钢的抗回火能力、回火后的硬度和热稳定性有很大的影响。因此在热作模具钢中必须含有Cr、W、Mo、V 等元素。W虽然能提高钢的热强性,但含 W 量过多使热疲劳性敏感性增高，Mo也能提高钢的热强性增加。Mo含量也能降低钢的热疲劳抗力,但如以 Mo 代 W，则在获
2、得相同的热强性的条件下具有较高的抗热疲劳能力。这是目前国内一般压铸模已用含Mo的H11的H13(4G5MoV1Si)替代3G2W8V。但如考虑模具在高温下的热强性和抗变形能力，则3G2W8V优于H13或 H11。一些高温下工作的锻模和精模仍用3G2W8V。,热作模具钢的分类,二、热作模具钢的选材及热处理工艺举例,1主要热作模具的制造工艺路线 （1）锤锻模的制造工艺路线 下料锻造退火机械粗加工探伤成形加工淬火及回火钳修抛光。 （2）热挤压模的制造工艺路线 下料锻造预先热处理机械加工成形淬火及回火研磨抛光。 （3）压铸模的制造工艺路线 锻造退火机械粗加工稳定化处理精加工成形淬火及回火钳工修配发蓝。
3、 （4）形状复杂、精度要求高的压铸模的制造工艺路线 锻造退火粗加工调质精加工成形钳工修磨渗氮（或碳氮共渗）研磨抛光。,锤锻模具热处理,1.锤锻模：受冲击负荷，韧性要求较高。 锤锻模具钢的选用： 小型模块：选用5CrMnMo钢 大、中型模块：选用5CrNiMo钢 大截面锤锻模：5Cr2NiMoVSi钢 4CrMnSiMoV钢：适于制造各种类型的锤锻模。,1.退火工艺,四种锤锻模具钢的退火工艺,淬火工艺 加热：Ac3+（5080）,表3-8 几种锤锻模具钢的淬火温度与硬度,冷却：空气中预冷至750780，入油冷却，冷到150180时立即回火,表3-9 模具淬火冷却时间,2.淬火工艺,注意： 1.淬
4、火加热保护:将模具放入铁盘，用保护剂填满，用耐火泥或黄泥密封。 2.避免淬火开裂： 油冷不能冷到室温 3.避免形成上贝氏体： 增加大型模具心部冷速 不在350500 缓冷 4.油淬组织硬度： 针状马氏体+少量残余奥氏体 5258HRC,图3-3 5CrNiMo钢奥氏体等温转变曲线,3.回火工艺 （1）淬火后应立即进行高温回火，以消除淬火应力，获得较好的韧性。 （2）回火后采用油冷，以免产生回火脆。油中不能冷却到室温，以免开裂。 （3）回火保温时间系数为3 min/mm，且回火保温时间不少于2 h。 （4）小型模具采用较低的回火温度，大型模具采用较高的回火温度。 （5）回火后的组织：回火索氏体+
5、回火托氏体。 表3-10 不同尺寸模具回火温度与回火后的硬度,热挤压模具的工作特点是加载速度较慢，因此，型腔受热温度较高，通常可达500800。对这类钢的使用性能要求应以耐磨性、高的回火稳定性和抗热疲劳性能为主。 轻合金挤压:选用韧性较好的热作模具钢，如4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢。 钢、铜和铜合金挤压:除了选用4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢外，也可选用高温强度较好的热作模具钢，如3Cr2W8V钢。5Cr4W5Mo2V钢是新型的热作模具钢，该钢具有较高的红硬性，高温强度和较高的耐磨性，可进行一般的热处理或化学热处理，可代替3Cr2W8V钢制造某些热挤压模具，使用寿命较
6、高。,热挤压模具用钢的选用,1.退火工艺 表3-12 两种热挤压模具钢的退火工艺,注意： 1.最好在可控气氛炉中进行加热，以避免模具氧化、脱碳。 2. 球化退火火后得到球化珠光体和少量碳化物。 3.大型的形状复杂的模具粗加工后应进行去应力退火：73076024h，炉冷。,2.淬火工艺,表3-13 两种热挤压模具钢的淬火温度与淬火硬度,（1）预热：为减少变形，应采用550和850两段预热，时间系数为0.5 min/mm。 在550预热时加热速度必须缓慢，在850预热时加热速度可以快些。 （2）加热：如表3-13所示，保温时间系数为0.51 min/mm。 为减少氧化、脱碳，最好采用可控气氛炉、盐
7、浴炉或真空炉进行加热。 （3）冷却：油冷、空冷都可以，还可以采用350500分级冷却。 空冷或分级冷却时应保证不析出碳化物，模具心部不出现上贝氏体。,2.淬火工艺,注意： 大型模具空冷或500以上分级冷却时，容易析出碳化物，并且模具心部出现贝氏体。4Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变曲线如图3-3所示。4Cr5MoSiV1钢经过高温奥氏体化后，如果冷却速度缓慢，在500以上会析出先共析碳化物。所以在冷却时，应该快速冷却至450，以避免析出先共析碳化物，影响性能。,图3-3 4Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变曲线,3.回火工艺 （1）采用550650高温回火，回火温度根据硬度要求参考表3-14
8、确定。 热作模具钢在500左右回火时，出现二次硬化现象，回火硬度最高，但是回火韧性最差，所以应避免在500附近回火。 表3-14 两种热作模具钢的回火硬度与对应的回火温度,（2）回火保温时间系数为3 min/mm，并且不能少于2 h。 （3）两次回火，第二次回火比第一次回火温度低20 。 热作模具钢淬火后有一些残余奥氏体，一次回火后残余奥氏体分解，其转变产物韧性差，比较脆，容易造成模具开裂，必须两次回火。 （4）4Cr5MoSiV1钢在630高温回火后得到回火索氏体+回火托氏体。,热切边模的热处理 以8Cr3钢制汽轮机叶片热切边模为例 （1）模具的退火工艺 为获得良好的切削加工性能，并使淬火、
9、回火后具有良好的组织和性能，8Cr3钢锻造后必须进行退火，退火加热温度780800，保温时间12min/mm，500出炉空冷。退火后的硬度一般为HB255。 （2）淬火、回火工艺 8Cr3钢制热切边模的淬火温度为840820。为防止氧化脱碳，在加热时需保护。 模具的淬火冷却在油中进行。为避免开裂及变形，在入油前可在空中预冷至780。在油中冷却到150200时出油，并立即进行回火。,5.热作模具钢的选材、强化处理及使用寿 命关系的比较 （1）热冲头 材料为3Cr2W8V，原热处理工艺为10501100淬火，630回火两次，硬度值为4547HRC，生产200350件后，软化变形和开裂；现行热处理工艺为1275加热，300320等温淬火，4648HRC，生产15002200件不再开裂。 (2)热挤压模具 材料为3Cr2W8V，原热处理工艺为10501100淬火，620回火两次，硬度值为4548HRC，生产1200件后早期开裂；现行热处理工艺为1200加热，680回火两次，硬度值为4045HRC,生产3300件变形或疲劳。 （3）锤锻模 材料采用5CrMnMo，经860880淬火，燕尾油冷，480回火，硬度达3235HRC，可生产2500件后燕尾开裂；当经880加热，450等温淬火，480回火后，燕尾不再开裂，可生产6000100000件。,谢谢观看,
