119第三章热作模具材料

小结冷作模具钢强韧化处理：低淬低回、高淬高回微细化处理：基体、碳化物方法：四步处理法、微循环超细化分级淬火和等温淬火小结冷作模具钢1冲裁模：淬火+低温回火表面处理2冷镦模：淬火+多次低温回火中温淬火+中回表面处理3冷挤压模：淬火+低温回火表面处理4拉深模：分级淬火+低温回火或高温回火实例分析：工作条件、失效形式、性能要求、选材、加工路线、热处理工艺成分组织结构性能淬透性：Mn、Si、Cr、Mo、Ni耐磨性：Cr、W、V红硬性（二次硬化）：Mo、W、V回火稳定性：Si、Cr、Mo细化晶粒：V耐腐蚀性：Si、Ni第二类回火脆性：Mo力学性能工艺性能Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、FeCF、P、Fe3C、B、M、A、合金碳化物工艺性能热处理工艺性能强度Re(σs)、Rm(σb)、σbb、σbc、σ-1硬度HB、HR(A、B、C）、HV、热硬性塑性Z(ψ)、A(δ)韧性ak、强度耐磨性、疲劳抗力、耐热性、耐蚀性可锻性可切削性可磨削性淬透性回火稳定性脱碳、过热倾向淬火变形、开裂力学性能常用的热作模具钢分析、讲解基本思路：性能应用材料热处理（预先热处理、最终热处理）特例及其它要求材料第三章热作模具钢（内容要点）热作模具钢的性能要求及成分特点热作模具钢及热处理其他热作模具材料热作模具的热强韧化处理第三章热作模具材料热作模具材料是将加热或高温液态的金属进行热变形加工和压力铸造成型的模具材料工件的热锻成型过程热作模具材料的性能要求及成分特点性能要求：较高的高温强度和良好的韧性（高温冲击）良好的耐磨性能（磨损、氧化腐蚀、铁屑研磨）高的稳定性（高温下不塑变，保持高的力学性能）、优良的耐热疲劳性（冷热、收缩膨胀会产生热应力，形成龟裂，热疲劳）高的淬透性（需要整体性能）、良好的导热性及成型加工工艺性能热作模具钢与冷作模具钢性能要求对比热作模具钢较高的高温强度和良好的韧性良好的耐磨性能高的稳定性、优良的耐热疲劳性高的淬透性、良好的导热性及成形加工工艺性冷作模具钢高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性良好的疲劳性能和良好的抗咬合能力热处理变形小，足够淬透性热锻机水压机成分碳：由于热作模具钢要求是高温强韧性，其次为耐磨性，因此含碳量不宜过高或过低，一般＜0.5%，以保证韧性强化铁素体和增加淬透性的元素：Cr、Mn、Si、Mo、Ni防止回火脆性，提高红硬性和二次硬化效果：W、Mo提高高温强度和热疲劳抗力：Cr、W、Si热作模具钢及热处理分类：用途：热锻模、热挤压模、压铸模、热冲裁模工作温度：低耐热钢（350~370℃）、中耐热钢（550~600℃）、高耐热钢（580~650℃）性能：高韧性、高热强、高耐磨（热作模具钢）按用途分按性能分按温度分钢号锤锻模用钢高韧性热模钢低耐热模具钢（≤350~370℃）5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi热锻模、热挤压模用钢高热强热模钢中耐热模具钢（550~600℃）4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐热模具钢（580~650℃）3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、4Cr3Mo3SiV、5Cr4W5Mo2V压铸模用钢高热强热模钢中耐热模具钢4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi高耐热模具钢3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V热冲裁模用钢高耐磨热模钢低耐热模具钢8Cr3、7Cr3热作模具钢的分类热作模具钢的热处理冷作模具钢分类热锻模用钢及热处理工作条件：高温（＞1000℃）、高压、高冲击载荷（可达几t）、较大的摩擦，还具有较大的热应力失效形式：热疲劳裂纹、开裂、磨损性能：高温强韧性，良好的耐磨性和耐热疲劳性、高的淬透性典型钢种：①5CrNiMo：良好的综合力学性能和淬透性，适用于制造形状复杂、冲击负荷大，要求强度和韧性较高的、300~400mm的大中型锻模；②5CrMnMo：其冲击韧度和淬透性、耐磨性低于5CrNiMo，适于制造受力较轻的、＜250mm的小型模具上述两种材料，在较大截面和较高温度热稳定性、热疲劳性及淬透性都不够，难以满足制作中型、大型或超大型锤锻模③45Cr2NiMoVSi（简称45Cr2)、5Cr2NiMoVSi（简称5Cr2)，两者中既含有较高的Cr、Ni、Mo，又加入了少量的V，CCT、TTT曲线移向高温区，并向右移，提高淬透性；具有二次硬化效果（Mo）；具有较高的高温强度、热稳定性及强韧性；较好的热磨损性、热疲劳性及抗热裂纹扩展能力；寿命延长适宜制造高强韧性、大截面锤锻模除了以上讲解的热锻模具材料以外，还有国内外近年来研制的4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等材料选用锤锻模材料选用举例及硬度要求热处理①工艺路线：下料锻造退火机械粗加工无损检测成型加工淬、回火钳修抛光②锻造和退火：锻造的加热温度1100~1150℃，始锻温度为1050~1100℃，终锻温度800~850℃冷至150~200℃空冷。退火得到珠光体和铁素体组织主要锤锻模具钢的退火工艺③无损检测④淬火、回火：淬火：加热温度：5CrMnMo—830~850℃5CrNiMo—830~860℃、45Cr2—950~980℃加热方式：为防止氧化脱碳，通常采用盐浴1min/mm、箱式2~3min/mm（加保护）保温时间：τ=αD（真空）冷却：油淬、分级淬火（适用于小型模具，分级温度为150~180℃）或等温淬火，常采用油淬油淬时，有一些小窍门，经常在生产中应用⑴为减少变形，要先在空气中预冷，应预冷至750~780℃再淬火；⑵为防止淬火时应力过大而开裂，尽量采用油循环（油温40~70℃），判断出油时间可从以下：Ⅰ锻模表面只冒青烟而不着火（一般在150~200℃）；Ⅱ从声音判断；Ⅲ从振动来看；Ⅳ在油中的停留时间，一般小型锻模为15~20min，中型的为25~45min，大型的为45~70min回火：模具出油后应尽快回火，不允许冷到室温再回火，否则易开裂热锻模回火主要有模腔回火和燕尾回火组成燕尾与锤头直接接触，硬度高于锤头，而且燕尾根部易应力集中，因而硬度也不宜太高，通常，燕尾的硬度低于模腔的。由于燕尾和模腔要求一定的韧性，因此回火温度要大于400℃，同时为防止第二类回火脆性，可采用油淬，100℃出油。要减少内应力，在160～180℃再进行一次低温回火燕尾可采用单独加热回火和自行回火锤锻模回火工艺其他热锻模用钢及选用其他类型热锻模的材料选用举例及其硬度要求热挤压模用钢及热处理工作条件：压缩应力、弯曲应力及脱模时承受的拉应力、冲击载荷，有时工作温度可高达600~800℃失效形式：模腔过量塑性变形、开裂、热疲劳和热磨损性能要求：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耐磨性热挤压模具钢及性能特点•钨系热作模具钢：3Cr2W8V(耐热疲劳性较差）•铬系热作模具钢：4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1和4Cr5W2VSi，属中碳中铬钢主要特性为：①高淬透性：含铬量高，适于分级淬火；②耐热疲劳性好：含铬、硅量高，抗氧化性好，适于急冷急热工艺；③回火稳定性高：可在500~550℃保持高硬度④较高韧性，但耐热性差，工作温度＜650℃⑤热塑性好，变形抗力小，但锻造范围稍窄•铬钼钢及铬钨钼钢：4Cr3Mo3SiV（H10)、3Cr3Mo3VNb（HM3）、3Cr3Mo3W2V（HM1）、5Cr4W5Mo2V（RM2）此类钢因含有W、Mo等元素，回火稳定性和热稳定性高于铬系钢，耐热性接近或超过3Cr2W8V，若再加入镍会避免韧性的下降•基体钢：可兼做冷作模具钢和热作模具钢6W8Cr4VTi（LM1）、6Cr5Mo3W2VSiTi（LM2）、6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2）、5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）等，其中012Al较多用于热挤压模012Al具有较高的韧性和热稳定性，耐热疲劳性也高于3Cr2W8V部分基体钢和热作模具钢的性能比较热挤压模的材料选用及硬度要求续热挤压模的热处理工艺路线：下料锻造预先热处理机械粗加工淬火、回火精加工⑴锻造：为避免严重脱碳而导致模具早期失效，对于热挤压模这样的高合金钢，需良好的锻造性能常用热挤压模具钢的锻造工艺⑵预先热处理①退火：一般要获得圆而细小的碳化物，以保障钢的韧性热挤压模具钢的退火工艺②调质：为保证毛坯的力学性能（尤其是断裂韧度），采用锻后高温淬火和高温回火一般3Cr3Mo3W2V（HM1）1200℃淬火，700~750℃高温回火③锻后正火：为消除沿晶链状碳化物，需正火后再球化退火⑶淬、回火淬火：温度：要考虑奥氏体晶粒尺寸的大小和冲击韧度的高低，同时，还要考虑模具的工作条件、结构形式、失效形式对性能的要求保温时间：主要考虑组织要转变完全冷却：热挤压模具钢属于高合金钢，淬透性较好，可采用油冷或空冷回火：回火温度选择原则为①在不影响模具抗脆断能力的前提下，尽可能提高模具的硬度②淬火后的模具应尽快回火，以减小残余应力③回火一般进行两次，时间可按3min/mm，但不应低于2h。第二次回火温度比第一次的低10~20℃热挤压模具钢的常规热处理工艺压铸模用钢及其热处理工作条件：压铸模受热温度高，时间长；承受压力大；要反复地的加热和冷却；金属液高速冲刷（磨损和腐蚀）失效形式：热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀性能：较高的耐热性和良好的高温力学性能，优良的耐热疲劳性，高的导热性，良好的抗氧化性和耐蚀性、耐磨性，高的淬透性压铸模用钢•3Cr2W8V①此类钢属过共析钢（Cr、W使S点左移）②碳：含碳量较低，韧性、导热性提高③钨：形成含钨碳化物非常稳定，增加了回火稳定性、热强性和热硬性，阻止晶粒长大④铬：提高淬透性和抗氧化性⑤钒：细化晶粒，增加二次硬化效果•3Cr3Mo3W2V（HM1）与3Cr2W8V钢相比，成分上有了变化，具有优良的强韧性；在保持高强度和高的热稳定性的同时，有良好的耐热疲劳性•4Cr5MoSiV1具有良好的韧性、耐热疲劳抗力和抗氧化性，其使用寿命高于3Cr2W8V选择压铸模材料的依据•根据压铸金属的种类及其压铸温度的高低来决定•考虑生产批量大小和压铸件的形状、重量以及精度要求选材：压铸模可分为：锌合金、铝或镁合金、铜合金和钢铁压铸模成形部分零件的材料选用举例工艺路线：一般压铸模：锻造退火机械粗加工稳定化处理精加工成形淬火+回火钳修发蓝复杂、精度高压铸模：锻造退火粗加工调质精加工成形钳修渗氮或软氮化研磨抛光工艺•锻造：加热温度的始锻温度（＞1000℃），终锻温度（≥850℃）•退火：不完全退火—加热830~850℃，时间为3~4h后以小于40℃/h的速度炉冷至400℃以下出炉空冷。稳定化处理—去应力退火（680℃）等温球化退火—加热850℃，等温710~740℃，时间为3~4h，然后炉冷至500℃以下出炉空冷。得到组织为P+K粒3Cr2W8V钢连续退火金相组织×800•淬火：①导热性差，应采用一次或多次预热；②温度选择：根据所要求的性能不同，较高韧性—低淬；较高高温强度—高淬；3Cr2W8V温度为1050~1150℃，3Cr3Mo3W2V温度为1060~1130℃③为溶解碳化物，均匀奥氏体，加热时间要延长，在盐浴炉中τ=0.8~1.0min/mm；④冷却：形状简单、变形要求不高的压铸模用油冷；形状复杂、变形要求高的用分级淬火，在150~180℃均热后回火•回火：＞600℃时，需2~3次回火（第一次回火温度选在二次硬化的温度范围，第二次回火温度选在模具达到所要求硬度的温度范围，第三次回火温度要低于第二回火10~20℃），然后油冷或空冷，时间不少于2h，再160~200℃补充回火•调质：为获得良好的综合力学性能，可作为预先热处理•表面强化：提高耐磨耐蚀性，可采用氮化、氮碳共渗（软氮化），渗金属（Cr、Al、B）3Cr2W8V钢制压铸模的几种热处理工艺热冲裁模用钢工作条件：由于热冲裁模的工作温度较低，因此，对材料的性能要求不高失效形式：热冲裁凹模为磨损和崩刃；