32热作模具的选材及热处理

第3章模具的选材及热处理模具的选材及热处理是影响模具的承载能力、工作寿命、制造精度、制造成本和合格品率的关键因素，合理选材并实施正确的热处理是保证模具的短时承载能力和长期使用寿命的基础。不同种类的模具，其工作条件及特点不同。同类模具中，各套模具的加工对象，生产批量、载荷的性质和大小也各不相同。因而，模具的选材范围很宽，其中包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、各种工具钢和特殊性能钢，还包括非铁合金、硬质合金和钢结硬质合金。在这些材料中，有不少是借用的钢种和传统的模具钢。随着国内外对模具材料研究的进展，一批新型模具钢种已经在生产实践中得到检验并趋于成熟。尽管推广使用新材料有一个过程，但新材料必将逐渐替代传统的老钢种。本章将根据模具的具体工作条件、失效特点及其对材料主要性能的要求，较为系统地介绍传统的和新近研制的主要模具材料，包括它们的化学成分、组织状态、性能特点、应用范围及热处理方法，以期对模具选材及热处理提供基本的依据或参考。3．2热作模具的选材及热处理根据热作模具的工作条件和失效特点，可以对热作模具材料提出以下几方面性能要求。（1）室温及高温下的硬度，以评价其耐磨性和塑变抗力。（2）室温及高温下的抗拉强度，以评价其静载断裂抗力。（3）室温及高温下的冲击韧度，以评价其冲击载荷下的断裂抗力。（4）热疲劳抗力、疲劳裂纹扩展抗力、断裂韧度，以评价其在交变热负荷和交变机械负荷共同作用下的断裂抗力。不同的热作模具又各有不同的工作条件和不同的主要失效形式（见表3-11），因而它们对模具材料的性能要求也各有侧重。如有些模具着重要求高的热强性和耐磨性，有些模具着重要求热疲劳抗力和断裂抗力等。由此，可将常用的热作模具材料按照其用途、性能、合金化特点等进行大致地分类，如表3-12所示。应该注意，不同模具所用的材料是相互交叉的，并没有严格的界限，选用什么材料主要根据模具的具体情况而定。如大型机锻模的主要失效形式与锤锻模类似，中小型机锻模的主要失效形式与热挤压模类似，它们的选材就分别与锤锻模用钢和热挤压模用钢相交叉。3．2．1锤锻模材料及热处理3．2．1．1对锤锻模材料的性能要求根据锤锻模的工作条件和失效特点，它所用的材料应具备以下主要性能。（1）高的冲击韧度和断裂韧度。材料在室温下的ak值应不低于30J／cm2，最好高于50J／cm2，在300~650℃温度下，要求ak≥70J／cm2，以保证它在冲击载荷作用下有高的断裂抗力。为了延缓热疲劳裂纹的扩展，材料还应具有高的断裂韧度。（2）高的回火稳定性和高温强度。材料淬火后经640℃×4h回火，要求硬度≥35HRC，且在650℃温度下，要求屈服强度σ0.2≥400MPa，以防止模具早期塑性变形和磨损，并提高其使用寿命。（3）高的热疲劳抗力，导热性好，热膨胀系数小，以推迟热疲劳裂纹的产生。（4）高的淬透性，能使尺寸很大的锤锻模在整个截面上性能均匀一致。3．2．1．2锤锻模用钢锤锻模最危险的失效形式是断裂，为了保证其韧性，模具材料主要是采用中碳、多元低合金的热模钢。其中最常用的传统钢种是5CrNiMo和5CrMnMo，后来新开发的钢种有5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMoSiV、4CrMnSiMoV、3Cr2MoWVNi等。5CrNiMo是世界通用的传统钢种，它有优良的综合力学性能，冲击韧度好，淬透性高，且对第二类回火脆性不敏感。它主要用于大型、特大型锤锻模及大批量生产用中小型复杂锤锻模。5CrMnMo钢的硬度、强度与5CrNiMo钢相当，但冲击韧度和淬透性较低，且有过热倾向，只适用于制造中小型、形状简单、载荷不很大的锤锻模。5CrNiW钢的力学性能与5CrNiMo钢相差不多，5CrNiTi钢的硬度、强度较低而塑性、韧性较高。它们都可用来制造大型、特大型锤锻模。4CrMnSiMoV钢和5CrMnMoSiV钢的强度、热稳定性、淬透性均高于5CrNiMo钢，但冲击韧度稍低，是5CrNiMo钢的代用钢种。在锻造加工高合金钢、不锈钢及耐热钢时，由于坯料的塑变抗力大，要求模具有更高的高温硬度和耐磨性。这时，可选用中碳中合金热模钢3Cr2MoWVNi、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、2Cr3Mo3VNb等。由于这些钢种的热稳定性较高，还常用于制造压力机锻模。3．2．1．3锤锻模的热处理特点锤锻模的热处理特点是淬火后高中温回火。具体淬火温度和回火温度的选择，视模具的尺寸、工作条件及失效形式而定。如果模具以脆断失效，则热处理工艺参数的选择应以提高材料的强韧性为目标；如果模具以磨损或变形失效，应设法通过热处理提高其热硬性和热强性。在通常情况下，模具采用常规温度淬火，回火温度根据硬度要求而定。随着硬度的提高，模具的耐磨性和塑变抗力提高，而冲击韧度和断裂韧度降低。实践表明，锤锻模在服役过程中只要不发生早期脆断，就能获得一定的寿命。因而模具的最佳硬度值就是保证不发生早期脆断失效的最高硬度值。这个硬度值随着模具的种类、形状、尺寸、模具材料等的不同而有所不同，表3-13列出了用传统钢种制造的不同尺寸锤锻模的硬度选择范围。其中，模具燕尾部分应力集中严重，易于产生开裂，其硬度应低于模腔部分的硬度。为了进一步提高锤锻模的寿命，其热处理工艺也在不断改进，新的工艺方法包括以下几个方面。（1）提高淬火加热温度对于以磨损、堆塌、热疲劳而失效的模具，提高淬火温度有利于延长其使用寿命。当5CrNiMo、5CrMnMo钢的淬火温度高于880℃，淬火组织以板条马氏体为主，并使残留奥氏体量增加。经过回火后，钢的断裂韧度、热稳定性、抗回火软化能力均有所提高，还能推迟热疲劳裂纹的产生。但不足之处是，钢的奥氏体晶粒长大，尤其是5CrMnMo钢的晶粒更大，从而使钢的冲击韧度降低。目前的研究认为，5CrNiMo钢的淬火温度可提高到950℃，5CrMnMo钢的淬火温度可提高到890℃。由于高温淬火后残留奥氏体较多，模具可进行2次回火。（2）等温淬火的应用截面尺寸较小的锤锻模淬火加热后采用300℃×2h等温冷却，以获得高强韧的下贝氏体组织，再经一定的温度回火，可使模具的寿命明显提高。5CrNiMo钢等温淬火后的回火温度为490～510℃，5CrMnMo钢为510～530℃。模具经高温加热后，先在油中冷却，使表面层冷至180～200℃，以获得以板条状马氏体为主的淬火组织；随后立即进行230～280℃×6h等温淬火，使心部获得下贝氏体组织；最后进行470℃×5h回火。这种高温加热、预先淬火、等温淬火工艺，同样可以提高模具的强韧性及其使用寿命。为了提高锤锻模燕尾的疲劳抗力，可对蒸尾部分进行粒状贝氏体淬火工艺。其方法是，将模具加热油淬，在油中冷却6～7min后将燕尾提出油面保持1h，使模面部分完成淬火，燕尾部分向空气散热并从模具心部吸热达成平衡，保持450℃左右，再立即转入炉内450℃×6h等温淬火，最后经480℃×12h回火。经过这种处理，使燕尾获得回火粒状贝氏体组织，具有很高的疲劳裂纹扩展抗力，基本上消除了燕尾开裂失效。（3）表面强化处理的应用锤锻模热处理后的模面硬度一般在36～42HRC之间，因而有些模具常发生磨损失效。为了提高模具的硬度和耐磨性并同时保持其强韧性，可对之进行表面强化处理。经常采用的方法有模腔表面感应加热补充淬火工艺、渗硼复合等温淬火工艺、碳氮硼三元共渗淬火回火工艺、渗氮工艺等。3．2．1．4锤锻模制造新工艺及其用材1．陶瓷型精铸锤锻模这是用精密铸造工艺生产的锤锻模。铸型材料采用有特殊要求的耐火材料、粘结剂、催化剂等，经过特殊的造型工艺制成陶瓷铸型。用这种铸型浇出的模块，具有较高的尺寸精度和表面质量。用这种方法制造锤锻模，生产周期短，节约金属材料，大幅度降低成本，而且便于重复生产同一种模具。只要保证铸造和热处理质量，铸造模具的使用寿命一般与锻造模具相当。大型铸造模块一般采用含镍模具钢，如5CrNiMo、5CrNiW、35CrNi3MoV等钢种；小型铸造模块可选用不含镍的铸造模具钢，如5CrMnMo、5CrMnMoV、45CrWMoVTi等钢种。我国还试制出稀土球墨铸铁锻模，并取得了良好的效益。2．双金属电渣熔铸锤锻模目前绝大多数锤锻模块采用大型锻压设备生产，制造工艺复杂，成本较高。采用电渣熔铸工艺生产双金属模块能克服上述缺点。实施这种新工艺的基本设备是单相电渣炉和模块金属结晶器，结晶器根据模块尺寸用铜板焊接制成，通水冷却。开始熔铸时，先用石墨电极起弧造渣，待渣料熔化并达到一定温度时，迅速将石墨电极换成由35CrMnSiA钢制成的电极进行重熔。待结晶器中的重熔金属达到规定高度时，再换成4Cr2NiMoV钢电极熔铸模面部分。当达到最后要求的高度时，经减小电流补缩后停电冷却。熔铸成形的模块毛坯经退火后即可进行模具加工。由于燕尾部分的材料是强韧性高的35CrMnSi钢，在以后的热处理中可减少专门的燕尾回火工艺。用双金属电渣熔铸模块制造汽车连杆锤锻模，经900℃淬火，580℃回火2次，其使用寿命比5CrNiMo钢锻造制成的模具提高32%～65%。3．2．2机锻模、热挤压模材料及热处理3．2．2．1对机锻模、热挤压模材料的性能要求与锤锻模相比，机锻模和热挤模的静载荷很大而冲击载荷较小，在加工同种材料毛坯时工作温度较高，受坯料流动摩擦更为剧烈。因而，它们对所用材料的热强性、耐磨性、热疲劳抗力等提出更高的要求。如对工作温度为650℃的中小机锻模，当其失效形式主要是热磨损和压塌时，要求模具材料在该温度下的屈服强度不小于500MPa，且经660℃×3h回火后硬度不小于35HRC。当模具的主要失效形式为断裂时，还要求材料的高温冲击韧度ak≥30J／cm2。热挤压模的工作温度更高，因而要求更高温度下的硬度和屈服强度，具体指标根据被挤压材料及挤压工作条件而定。3．2．2．2机锻模、热挤压模材料根据中小机锻模和热挤压模的失效特点，首先要求模具材料的热强性，能满足这一要求的钢材主要是中碳中合金高热强模具钢。当模具的工作条件更为苛刻，或者因生产批量大而要求模具寿命高时，可采用耐热合金或硬质合金。1．含钨较多的钢这类钢含有较多的钨或以钼替代部分钨，可简称为钨系钢。具有代表性的传统钢种是3Cr2W8V钢。3Cr2W8V钢用于制造热成形模具已有70多年的历史，至今仍作为一种高热强模具钢而广泛使用。它具有较高的抗回火软化能力和明显的二次硬化效应，于550℃回火时出现二次硬化高峰，峰值硬度随淬火温度的升高而增高。它经l100℃淬火、600℃回火后，硬度可达到48～51HRC，且在600℃时；硬度仍可保持40HRC，屈服强度仍高达950MPa。可见，3Cr2W8V钢具有较高的高温强度和耐磨性，这是它长期以来得到广泛应用的重要原因。3Cr2W8V钢含钨较多，已属于过共析钢，且碳化物不均匀性和网状偏析倾向较大，韧性稍差，尤其经650℃回火后，钢的冲击韧度ak和断裂韧性KIC均处于低谷值。钢的抗氧化能力和抗热疲劳能力较差，这使得模具容易产生热疲劳裂纹并由此产生早期断裂失效。因而它一般用于制造在高温下长时受热、不受急冷急热、动负荷较小的热作模具。为了克服3Cr2W8V钢的缺点，并能适应挤压热强度更高的坯料（如耐热钢、不锈钢等），又研制了新的含钨热模钢，如4Cr3Mo3W4VNb（代号GR）等钢。这种钢的回火抗力、高温强度、热疲劳抗力和耐磨性均优于3Cr2W8V钢，并保持一定的韧性。用它们代替3Cr2W8V钢制造热挤压模和压力机模具，不易产生热疲劳失效，可显著提高模具的使用寿命。2．含铬较多的钢这类钢中含铬量ω（Cr）均在5%左右，可简称铬系钢。其主要钢种有4Cr5MoSiV（代号H11）、4Cr5W2VSi（代号H12）、4Cr5Mo2MnVSi（代号Y10）等钢。和钨系钢相比，铬系钢有较高的冲击韧度、断裂韧度、抗氧化性和热疲劳抗力。它的淬透性和淬硬性均高，属于空冷硬化钢。但回火抗力和高温强度（在600℃以上回火时）较低，工作温度不宜超过550℃。为了防止模具工作温度过高而软化，在模具工作的间歇，应加强对它的冷却。由于铬系钢的综合力学性能好，耐热疲劳性高，国外已广泛用来制造承