热作模具钢在生产中的应用

热作模具材料在生产中的选用[摘要]本文简要介绍热作模具材料的工艺性能要求及应用,并阐述了热作模具钢在热作模具生产中的选用。关键词：热作模具钢、性能要求、分类及应用、在生产中的选用目录一、概述……………………………………………………………………………………………1二、热作模具材料的使用性能要求……………………………………………………………1三、热作模具材料的工艺性能要求………………………………………………………………1四、热作模具钢的分类及应用……………………………………………………………………21、低耐热高韧性热作模具钢性能及应用……………………………………………………22、中耐热韧性钢的性能及应用…………………………………………………………………33、高耐热性钢的性能及应用……………………………………………………………………34、特殊用途热作模具钢的性能及应用…………………………………………………………4（1）、奥氏体型热作模具钢的性能及应用…………………………………………………·…5（2）、硬质合金及钢结硬质合金的性能及应用………………………………………………5（3）、析出沉淀硬件化型热作模具钢的性能和应用…………………………………………6（4）、高速钢型耐热模具钢的性能及应用…………………………………………………6（5）、冷热兼用基体钢的性能及应用………………………………………………………7（6）、马氏体时效型耐热钢的性能及应用…………………………………………………7五、热作模具材料在生产中的选用…………………………………………………………81、热锻模材料的选用…………………………………………………………………………8（1）、普通热锻模材料的选用…………………………………………………………………9（2）、高速热锻模材料的选用………………………………………………………………92、热挤压模具材料的选用……………………………………………………………………93、压铸模具材料的选用………………………………………………………………………9（1）、锌基合金压铸模具材料的选择用………………………………………………………10（2）、铝、镁合金用压铸模具材料的选用……………………………………………………10（3）、铜合金压铸模具材料的选用……………………………………………………………104、热冲裁模具材料的选用……………………………………………………………………11六、结语…………………………………………………………………………………………11一、概述热作模具主要用于制造将加热到再结晶温度以上的金属或液态金属压制成工件的模具（即高温状态下进行压力加工使金属成形的模具）。热作（热变形）模具在反复受热和冷却条件下工作，不仅受到交变热应力的作用，面且还要承受一定的工作压力和冲击载荷等，所以要求模具有较高的热强性、热疲劳性和韧性，常选用中碳（Ｗc=0.3%~0.6%）合金钢。二、热作模具材料的使用性能要求用来评价热作模具钢的主要的使用性能要求有：1、高温下能保持较高的力学性能。如锻模工作时除承受较大原冲击负荷外，还受到很大的压应力、拉应力、弯曲应力以及炽热金属在锻模型腔中的变形所产生的强烈摩擦力；模腔与1000°C以上的工件接触，本身温度可达300~600°C。因此要求模具在较高温度下具有足够的强度、耐磨性、韧性、（冲击韧度和断裂韧度）等。2、良好的耐热疲劳性。热作模工作中反复受到炽热金属的加热和冷却剂（水、油、空气）的冷却，在交变热应力状态下容易形成热疲劳裂纹（龟裂）。故必须具有良好的耐热疲劳性（热疲劳抗力）。3、良好的导热性。导热性好，可将热量迅速传出，避免型腔表面温度过高。4、高的热稳定性和耐回火性。热稳定性是表征材料在受热过程中保持组织和性能稳定的能力；而耐回火性是指随回火温度的升高，材料强度和硬度下降的快慢程度中，即工件回火时抵抗回火软化的能力。这两者共同表明模具在高温下的变开抗力。5、较小的回火脆性倾向，较好的抗热磨损及抗氧化性能。三、热作模具材料的工艺性能要求模具材料的工艺性好坏直接关系到模具的制造成本、使用性能、工作寿命及推广应用。第1页工艺性有：1、锻造性能。通常热作模大多经锻造成形，希望材料在锻造温度范围内变形抗力小，成形性好。2、热处理工艺性。希望材料的热处理工艺好，包括淬透性高。对于较大尺寸的锻模，高的淬透性可使整个截面上的力学性能基本均匀一致；也便于采用较为缓和的冷却介质淬火，避免或减少开裂畸变的倾向。另外，希望材料在热处理中氧化脱碳及晶粒长大的倾向小，热处理畸变小。3、良好的成形加工性。模具的型腔或附件大多需通过切削或电火花加工成形，要求材料具有良好的车、铣、钻、磨、镗削及电火花加工性能。另外，也要求材料有一定的可焊性，以便于修补。总之成形加工性好坏直接影响到模具的制造成本及应用推广。下面，根据热作模具钢的分类简要介绍热作模具钢在生产中的应用四、热作模具钢的分类及应用热作模具钢按合金元素含量及热处理后性能分为低耐热高韧性热作模具钢、中耐热高韧性热作模具钢、高耐热高韧性热作模具钢和特殊用途热作模具钢（奥氏体耐热钢、高速工具钢、马氏体时效钢、析出硬化型热作模具钢、冷热兼用基体钢等）。下面对其进行简单介绍。1、低耐热高韧性热作模具钢性能及应用低耐热高韧热作模具钢主要制造受冲击负荷较大的热作模具。传统性的热作模具钢只有5CrMnMo和5CrNiMo等。这类钢要求淬透性高、冲击韧度好、导热性能好、有较高的热疲劳性，以便模具在400°C左右下能承受急冷、急热的恶劣工作条件，同时该类钢还需要锻造、切削加工、热处理工艺性能好，并有良好的表面强化性能。但传统的热作模具钢5CrMnMo和5CrNiMo钢，其淬透性不能满足大截面锤锻模的要求，使用温度不能超过500℃。为解决这些问题，材料科技工作者通过对国内外热锻模钢的分析、对比和研究，研发了第2页合金元素含量更高的高淬透性、低耐热、高韧性热模具钢3Cr2MoWVNi、45Cr2NiMoVSi、5Cr2NiMoVS等钢，这些钢均是在5CrNiMo钢的基础上适当降低含碳量，提高了Cr和Mo的含量，并适量加入V和Si，提高了钢的淬透性。钢在回火时由于析出的Ｍ2C和MC型碳化物而呈现二次硬化，其热稳定性也较5CrNiMo钢有较大的提高，用此类钢制造的热作模具有使用寿命也有较大的提高。2、中耐热韧性钢的性能及应用中耐热韧性钢的特点是碳质量分数较低（一般为WC=0.3%~0.5%），合金元素含量中等，含有较多的Cr、W、Mo、V等碳化物型成元素。Cr含量较高，一般为Wsi=3%~5%、ＷMo＝１%~3%，Cr和Mo使钢的淬透性大大提高；含有V使钢具有较好的抗过热敏感性，对提高模具的热硬性热强性非常有效，在500~600°C时具有较高的硬度、热强性和耐磨性，最高可达到650°C。该类钢淬透性很好，对100mm厚工件空冷即能淬透，其综合性能好。在GB1299--2000标准中属此类的钢号有：4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV、4Cr3Mo3SiV、3Cr3Mo3W2V、4Cr5W2VSi等，这类钢分别用来制造热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等到，有良好的使用效果。3、高耐热性钢的性能及应用高耐热性能热作模具钢碳含量不高，但合金元素含量高，多数钢的合金元素质量分数为8%~10%，有的达11%，这类钢有高的耐热性，即高的高温强度和高温硬度，可以在600~700°C的高温下工作，同时具有高的耐热性，淬透性好，有强烈的二次硬化效果，好的回火抗力，较高的抗疲劳性断裂韧度。高耐热性钢的塑性、韧性和抗冷疲劳性低于中耐热韧性钢。高耐热性钢适用于要求高耐热性、耐磨性，韧性要求较低、形状不太复杂的模具。主要用于压力机镦锻模，挤压机上加工高强钢、不锈钢、钛合金、耐热合金等尺寸小于150mm第3页的模具、压铸模，以及较高工作温度（680~690°C）、高磨损条件下工作的热作模具。传统的热作模具钢3Cr2W8V钢具有以上特性，能在600~65°C条件下长期服役，因此广泛应用于高耐热热作模具。但是该钢如果冶炼不当、铸锭较大、铸模温度过高及钢液过热时，3Cr2W8V钢锭中的元素偏析特别严重，共晶碳化物的数量会增多，因此造成模具脆裂报废的事故时有发生。而且高钨钢有脱碳倾向，这是模具磨损快、粘模严重、表面早期出现热疲劳裂隙纹的原因之一。为解决此类问题，国内研发了一些新的钢种：如HD钢和Y系列钢。4Cr3Mo2NiVNb(HD)钢是为了适应700°C左右工作温度而研制的新型高耐热性钢，HD钢是在4Cr3Mo3V钢的基础上，适当降低钢中Mo、V的含量，加入量为ＷNi=1%、ＷNb=0.15%，提高了钢的室温、高温韧性及热稳定性，在700°C仍可以保持40HRC的硬度。在硬度相同的条件下，HD钢比3Cr2W8V钢的断裂韧度高50%，700°C高温时抗拉强度高70%，冷热疲劳抗力和热磨损性能分别高出1倍和50%，用其制作的热挤压模具使用寿命也高于3Cr2W8V钢。Y系列模具钢提针对压铸模特点结合我国矿产资源而研制的新钢种。Y10（4Cr5Mo—2MnVSi）钢淬透性好，钼、钒分别以M6C和MC型碳化物存在，对细化晶粒、提高热强性和回火稳定性有较大作用，加入硅、锰的目的是提高基体强度。该模具钢主要用于铝合金压铸模。与Y10钢相比Y4（4Cr3Mo2MnVNbB）钢中的铬、硅含量下降了，碳化物不均匀性下降，同时以硼来提高淬透性热强性，加入微量铌可提高M6C和MC型碳化物的稳定性，因此能细化晶粒，降低过热敏感性，提高热强性和热稳定性，可用于熔液温度为880~960°C的铜合金热压铸模。Y系列钢用于压铸模上，其使用寿命较3Cr2W8V钢有很大提高。4、特殊用途热作模具钢的性能及应用新技术、新工艺的发展对模具提出了更高的要求，一些普通热作模具钢己不能满足其第4页使用要求，必须采用特殊性能钢种来制作热作模具，才能使模具达到其技术要求并使其使用寿命大大地提高。（1）、奥氏体型热作模具钢的性能及应用，近年来，为了满足耐高温、耐蚀、抗氧化要求而引入的奥氏体型号耐热钢，作为热作模具材料，己经逐渐获得了广泛的应用。这类钢一般都含有较高的Cr、Ni、Mn等合金元素，同时加入了一定量的C、N、V等元素，使奥氏体变得更加稳定，钢中始终保持奥氏体组织，其中Cr14Ni25Co2V、4Cr14Ni14W2Mo钢属铬镍系奥氏体不锈耐热钢，而5Mn15Cr8Ni5Mo3V、7Mn10Cr8Ni10Mo3V、7Mn15Cr—2A1V2WMo钢为高锰系奥氏体钢。奥氏体钢的优点是组织比较稳定，在加热和冷却过程中均不发生相变，具有很高的高温强度和耐热性；缺点是线膨胀系数大、导热性差，降低了钢的热疲劳性能，不适合作为强烈水冷的模具材料。铬镍奥氏体不锈耐热钢抗氧化性好，可用于钛合金蠕变成形模、强腐蚀性的玻璃成形模，以及压铸用型芯等到热作模具。高锰系奥氏体耐热钢适于制造使用温度高于700°C，但低于900°C、工作应力较高、形状简单的模具，例如铜合金挤压模、钢或高温合金挤压模、粉末烧结模等。（2）、硬质合金及钢结硬质合金的性能及应用硬质合金是用难熔高硬度碳化物的粉末与少量的粘结剂粉末混合后加压成形，再经烧结而成的粉末冶金材料。硬质合金的工温度可达800~1000°C，硬度很高，耐磨性很好，具有很高的弹性模量，较小的膨胀数及良好的化学稳定性，用来制作某些热作模具，寿命比模具钢高10倍以上。但是硬件质合金较脆，抗弯强度和韧性较差，且不能进行机械加工。该类硬质合金模具直接烧结成形，无需机械加工和热处理。钢结硬质合金是介于硬件质合金和工模具钢之间的一种新模具材料，是以TiC、WC等为硬质相，以合金钢粉末为粘结剂，经混合压制烧结而成的粉末冶金材料，其性能介于钢和第5页硬质合金之间，既具有钢的高强韧性，又具有硬质合金的高硬件度、高耐磨性。钢结硬质合金可以通过热处理来改变其性能，并可以进行各种机械加工及热加工，因此更适合制造各种热作模具。由于硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，还有良的热稳