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1、第4章 热作模具钢及热处理,4.1热作模具钢性能要求 4.2热作模具钢及热处理规范,4.1.1热作模具钢的使用性能要求 热作模具在工作中既有力的作用又有温度的作用，从而使模具的工作条件复杂化，对模具材料的特性要求也更加严格#为了满足热作模具的使用要求，热作模具钢应具备下列基本特性： （1）较高的高温强度和良好的韧性。热作模具，尤其是热锻模!工作时会承受很大的冲击力，而且冲击频率很高，如果热作模具钢没有高的强度和良好的韧性，就容易开裂。 （2）良好的耐磨性能。由于热作模具工作时除受到毛坯变形时产生摩擦磨损之外，还受到高温氧化腐蚀和氧化铁屑的研磨，所以需要热作模具钢有较高的硬度和抗粘附性。,4.1
2、热作模具钢性能要求,下一页,返回,（3）高的热稳定性。热稳定性是指钢材在高温下可长时间保持其常温力学性能的能力。热作模具工作时，接触的是炽热的金属，甚至是液态金属，所以模具表面的温度很高，一般为400700。这就要求热作模具钢在高温下不发生软化，具有高的热稳定性，否则模具就会发生塑性变形，造成堆塌而失效。 （4）优良的耐热疲劳性。热作模具的工作特点是反复受热受冷，模具一时受热膨胀，一时又冷却收缩!形成很大的热应力，而且这种热应力是方向相反，交替产生#在反复热应力作用下，模具表面会形成网状裂纹，这种现象称为热疲劳，模具因热疲劳而过早地断裂，是热作模具失效的主要原因之一。所以热作模具钢必须要有良好
3、的热疲劳性。,4.1热作模具钢性能要求,下一页,返回,上一页,（5）高淬透性。热作模具一般尺寸比较大，热锻模尤其是这样，为了使整个模具截面的力学性能均匀，这就要求热作模具钢有高的淬透性能。 （6）良好的导热性。为了使模具不致积热过多，导致力学性能下降，要尽可能降低模面温度，减小模具内部的温差，这就要求热作模具钢要有良好的导热性能。 （7）良好的成形加工工艺性能，以满足加工成形的需要。 4.1.2 热作模具钢的成分特点 热作模具钢的成分与合金调质钢相似,一般碳的质量分数小于0.5%，并含有Cr、Mn、Ni、Si等合金元素。,4.1热作模具钢性能要求,下一页,返回,上一页,含碳量低可保证其具有足够
4、的韧性。合金元素的作用是强化铁素体和增加淬透性。为了防止回火脆性，还加入Mo、W等元素；为了提高高温强度和热疲劳抗力，需增加相当数量的Cr、W。这些元素提高了相变温度，使模面在交替受热与冷却过程中不致发生相变而发生较大的容积变化，从而提高其抗热疲劳的能力。另外，W、Mo、V等在回火时以碳化物形式析出而产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下仍保持相当高的硬度，这是热作模具钢正常工作的重要条件之一。,4.1热作模具钢性能要求,下一页,返回,上一页,4.1.3 热作模具钢的分类 根据工作温度、性能和用途可将通用热作模具钢分类如下： （1）按用途分类：热锻模用钢；热挤压模用钢；压铸模用钢；热冲裁模用钢
5、。 （2）按耐热性分：低耐热钢；中耐热钢高耐热钢。 （3）按特有性能分：高韧性热作模具钢；高热强热作模具钢；高耐磨热作模具钢。 （4）按合金元素分类可以分为：钨系热模钢；铬系热模钢；铬钼系；铬钨钼系热模钢。,4.1热作模具钢性能要求,返回,上一页,4.2.1 热锻模用钢 热锻模是在高温下通过冲击力或压力使炽热的金属坯料成形的模具，包括锤锻模、压力机锻模、热镦模、精锻模和高速锻模等，其中锤锻模最有代表性。热锻模用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。 热锻模在工作中受到高温、高压、高冲击负荷的作用。模具型腔与高温金属坯料相接触产生强烈地摩擦，使模具本身温度高达400600；锻
6、件取出后模腔还要用水、油或压缩空气进行冷却，如此受到反复加热和冷却，使模具表面产生较大的热应力。锤锻模的失效方式主要是，在交变的热应力作用下，,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,模具表面产生网状或放射状的热疲劳裂纹，以及模腔磨损或严重偏载、工艺性裂纹导致模具开裂。 因此，热锻模应具有较高的高温强度和韧性，良好的耐磨性和耐热疲劳性，由于锤锻模尺寸比较大，还要求锤锻模用钢具有高的淬透性。这就是热锻模的工作条件，正是这种工作条件，要求这类模具钢应具有下列基本性能： （1）淬透性高,以保证这种大型模具沿整个截面具有均匀一致的力学性能。 （2）冲击韧度好，热疲劳抗力高，以保证能承受冲击载荷及在
7、急冷急热反复热冲击下，不至于发生龟裂。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,（3）导热性好，以保证模具型腔表面的热量尽快传导外散，降低模具的温升，有利于减少热磨损及热疲劳损伤。 （4）较高的抗回火稳定性及高温强度，以减少热塑性变形。 （5）较好的抗氧化性能和加工艺性能。为满足上述性能，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，通常碳质量分数w（c）在0.3%0.5%为提高淬透性及热强性加入少量铬、钼、钒、镍、锰、硅等，加入少量钼或钨有助于清除高温回火脆性。 1.5CrMnMo钢 5CrMnMo钢是传统的热锻模具钢，钢中加入Cr可以提高淬透性、高温强度和抗氧化能力；,4
8、.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,加入Mo主要是为了抑制回火脆性，提高耐回火性。该钢与5CrNiMo钢的各种性能类似，是在考虑我国资源情况的基础上，为节约镍而以锰代镍研制的，淬透性稍差，高温工作时的耐热疲劳性也低于5CrMnMo钢。5CrMnMo钢适用于制造要求较高强度和高耐磨性的各种类型锻模。要求韧性较高时，可以采用电渣重熔钢。 2.5CrNiMo 5CrNiMo钢和5CrMnMo钢一样都是传统的热锻模具钢，但5CrNiMo钢具有良好的韧性，同时具有良好的强度和高耐磨性，室温力学性能与在500600时几乎相同，在加热到500时，仍能保持300HBS左右的硬度。,4.2热作模具
9、钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,由于5CrNiMo钢中含有Mo，因而对回火脆性并不敏感，但由于碳化物形成元素含量低，二次硬化效应微弱，所以热稳定性不高。 5CrNiMo钢具有良好的淬透性。300mm400mm300mm的大块钢料经820油淬和560回火后，断面各部分的硬度几乎一致。钢多用来制造大、中型锻模。 5CrNiMo钢在空气中冷却即能淬硬，并易形成白点，因此锻造后应缓慢冷却。对于大型锻件必须放到600的炉中，待温度一致以后再缓慢冷却到150200，然后再在空气中冷却。对于较大的锻件建议在冷却到150200以后，立即进行回火加热。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,
10、3. 4CrMnSiMoV钢 4CrMnSiMoV钢是近20年来我国在低合金大截面热作模具钢领域发展的钢种之一，是原冶金部标准中推荐使用的5CrMnSiMoV钢的改进型。该钢具有较高的强度、耐磨性，良好的冲击韧度、淬透性，并有较高的抗回火性以及好的高温强度和耐热疲劳性能。其高温性 能、抗回火稳定性、热疲劳性均比5CrMnMo、5CrNiMo钢好，可以用来代替5CrNiMo钢。4CrMnSiMoV钢的冷、热加工性能好，适于制造各种类型的锤锻和压力机锻模。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,4.2.2 热挤压模用钢（高热强热、中合金） 热挤压模的工作条件相当繁重#既承受压缩应力和
11、弯曲应力，脱模时也承受一定的拉应力。另外还受到冲击负荷的作用。模具与炽热金属接触时间较长，使其受热温度比热锻模更高，尤其是用于加工钢铁材料和难熔金属时，工作温度高达600800。热挤压模的失效形式主要是模腔过量塑性变形、开裂、热疲劳和热磨损。但这类模具的尺寸一般比热锻模小，因此，对于这类模具特别要求具有高的热稳定性、较高的高温强度和足够的韧性，良好的耐热疲劳性和高的耐磨性。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,常用的热挤压模具用钢是钨系热作模具钢和铬系热作模具钢，还有铬钼系、钨钼系和铬钼钨系等新型的热作模具钢以及基体钢等。 钨系热作模具钢的代表性钢种为传统的3Cr2W8V钢，由
12、于其耐热疲劳性较差，在热挤压模方面的应用将逐渐会减少，但在压铸模方面的应用较多，故在压铸模用钢中对其作详细介绍。 铬系热作模具钢的代表性钢种有4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1和4Cr5W2VSi.前两种相当于美国的H11和H13钢，4Cr5MoSiV则由4Cr5MoSiV钢演变而来，由w（w）=2%代替w（Mo）=1%。这3种钢碳的质量分数均为5%左右，属于中碳中铬钢。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,1. 4Cr5MoSiV（H11）钢 H11钢是一种空冷硬化的热作模具钢，在中温条件下具有很好的韧性，有较好的热强度、热疲劳性能和一定的耐磨性。在较低的奥氏体化温度条
13、件下空淬，热处理变形小，空淬时产生氧化皮倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。H11钢通常用于制造加工铝铸件用的压铸模，热挤压模，穿孔用的工具，芯棒、压力机锻模以及塑料模等。此外由于H11钢具有好的中温强度，因此亦被用于制造耐400500工作温度的飞机、火箭上的结构件。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,2. 4Cr5MoSiV1（H13）钢 4Cr5MoSiV1钢，即美国钢号（H13）AISI是国际上广泛应用的一种空冷硬化热作模具钢，是引进钢种，“八五”期间作为国家的重点推广钢种。与4Cr5MoSiV钢相比，H13钢具有较高的热强度和硬度，在中温条件下具有很好的韧性、热疲劳
14、性能和一定的耐磨性。在较低的奥氏体化温度下空淬!热处理变形小，空淬时产生氧化皮倾向小，可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。该钢广泛用于制造热挤压模具、芯棒、模锻锤的锤模、锻造压力机模具、精锻机用模具以及铝、铜及其合金的压铸模。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,3. 3Cr3Mo3W2V（HM1）钢 HM1钢是在对比3Cr3Mo3V钢及3Cr2Mo3Co3V钢性能及使用寿命后，结合我国资源条件而研制成功的新型热作模具钢，其冷加工、热加工性能良好，淬火温度范围较宽，具有较高的热强性、热疲劳性能，良好的耐磨性和耐回火性等特点，是综合性能优良的高强韧性热作模具钢。HM1钢适合制造镦锻、压力机
15、锻造、挤压等热作模具，模具的使用寿命较高，是目前国内研制的工艺性能好，使用面广，具有较广应用前景的新钢种之一。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,4. 3Cr3Mo3VNb（HN3）钢 NH3钢是参照国外H10钢和3Cr3Mo系热作模具钢，结合我国资源情况研制而成的新型高强韧性热锻模具钢。其特点是在含碳量较低的情况下加入微量元素Nb，使钢具有更高的耐回火性、热强性，有明显的回火二次硬化效果。HN3钢的缺点为有脱碳倾向。生产实践表明：对于耐热钢、不锈钢及高温合金等成形用模具，5CrNiMo钢、3Cr2W8V钢和4Cr5W2VSi钢都不能满足生产要求，而HN3钢则可以使锻模的使用
16、寿命有明显提高。NH3钢应用于热锻成形凹模、连杆辊锻模、轴承套圈毛坯热挤压凹模、高强钢精锻模、小型机锻模和铝合金压铸模等模具上均有良好的效果。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,NH3钢模具寿命比3Cr2W8V钢、5CrNiMo钢及4Cr5W2VSi钢等模具寿命提高210倍，可以有效地克服模具因热磨损、热疲劳、热裂等引起的早期失效。 5.4Cr3Mo3SiV（H10）钢 H10钢是近年来从美国引进的热作模具钢，含碳量的质量分数为0.4%，Cr和Mo的质量分数均为3%左右H10钢。含有较多的Cr、Mo、V等碳化物形成元素，在较小截面时与5CrNiMo钢具有相近的韧性，而在工作温
17、度500600时具有更高的硬度，热强性和耐磨性。H10钢具有非常好的淬透性及很高的韧性，回火抗力及热稳定性高于3Cr2W8V钢，冲击韧度及断裂韧度高于3Cr2W8V钢，当回火温度超过260时，钢的硬度高于H13钢。,4.2热作模具钢及热处理规范,下一页,返回,上一页,H10钢可以制造热挤压模，热冲模、热锻模及塑压模等模具，主要用于铝合金压铸模。 4.2.3压铸模用钢（高热强热、 中合金） 压铸模用钢用于制造压力铸造和挤压铸造模具。根据被压铸材料的性质压铸模可分为锌合金压铸模、铝合金压铸模、铜合金压铸模。压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热的温度比热锻模要高，同时承受很高的压力；此外还受到反复加热和冷却以及金属液流的高速冲刷而产生磨损和腐蚀。因此，热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀是压铸模常见的失效形式。所以对压铸模的性能要求是：较高的耐热性和良好的高温力学性能，,
