第三章热作模具材料用钢及热处理

马红萍专业课第三章热作模具材料与热处理Maniactive主要用于制造对高温状态的金属进行热成形的模具。如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热剪切模具等。这类钢含碳量一般为0.3%~0.5%，添加提高高温性能的钨、钼、铬、钒等合金元素，又分为锻造模块用钢、铬钼系热作模具钢、铬钨系热作模具钢、奥氏体型高温热作模具钢等。特殊要求的热作模具有时采用高温合金和难熔合金制造。第三章热作模具钢及其热处理目录Maniactive第一节热作模具的工作条件与性能要求一、热作模具的工作条件热作模具是将加热到再结晶温度以上的固态或液态金属压制成型的工具，包括热锻模具、热挤压模和压铸模三类。热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触，这是与冷作模具工作条件的主要区别。热作模具的工作条件主要有以下三方面:(1)型腔表层金属受热。尽管热锻模具不同，型腔表层金属受热温度也不相同，但是最低也有几百摄氏度;热挤压模具与压铸模具型腔表层温度更高。(2)型腔表层金属产生热疲劳。热作模具的工作特点是具有间歇性。每次使热态金属成型后都要用冷却介质冷却型腔的表面。因此，热作模具的工作状态是反复受热和冷却，从而使型腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用。其结果是引起型腔表面出现裂纹，称为热疲劳现象。(3)载荷作用。锤锻模受强烈的冲击载荷和工作应力;热挤压模具和压铸模具是在高压下服役的。Maniactive二、热作模具钢的分类•按用途不同，可将热作模具材料分为热锻模用钢、热挤压模用钢、压铸模用钢、热冲裁模用钢等；按工作温度不同，可将热作模具材料分为低耐热钢(350～370℃)、中耐热钢(550～600℃)、高耐热钢(580～650℃)等。特殊要求的热作模具有时采用高温合金和难熔合金制造。Maniactive三、热作模具的性能要求1.力学性能1)硬度和强度要求材料在模具的服役温度下，仍保持一定的硬度和强度，并且具有良好的热稳定性，以防止模具发生变形。2)韧性很多热作模具，特别是锻锤用模具，在工作过程中经常要承受较大的冲击载荷，为了防止模具开裂，要求模具材料必须有较高的冲击韧度和断裂韧度。3)热疲劳抗力大部分热作模具都是在周期性的温度急剧变化下服役的，在模具表面产生应力。为防止模具表面产生热疲劳裂纹，要求模具材料具有良好的热疲劳抗力。4)化学稳定性热作模具往往在较高的温度下工作，模具工作面与空气、液态金属或其他介质接触，要求模具材料具有在工作温度下的抗氧化性能或抗液态金属冲蚀的性能。Maniactive1.力学性能•热作模具工作时除了承受周期性载荷作用之外，还要承受高温及周期性的急冷急热变化。热交变应力易使热作模具材料发生疲劳破坏，导致模具热裂。•一般说来，影响钢的热疲劳性能的因素主要有:•①钢的导热性•②钢的临界点Maniactive2.工艺性能（1）加工性热作模具材料的加工性主要包括冷加工中的切削加工性能和热加工中的锻压加工性能两种。它主要取决于钢的化学成分和热处理工艺等。（2）淬透性和淬硬性热作模具对这两种性能要求根据其工作条件不同有所侧重。对于小型模具，由于尺寸小，容易淬透，所以只要求高的硬度，偏重于高淬硬性;对于尺寸较大的模具，如果截面未淬透，则回火后未淬透部分的屈服点和韧性会显著降低，影响模具工作寿命，所以其淬透性更为重要。（3）热处理变形性热作模具在热处理时，尤其在淬火过程中，要产生体积、形状变化，为保证模具质量，要求模具钢的热处理变形小，各方向变化相近似，且组织稳定。它主要取决于热处理工艺和钢的冶金质量等。（4）脱碳敏感性热作模具如果在无保护气氛下加热，其表面会发生氧化、脱碳现象，就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低。因此，要求模具钢的氧化、脱碳敏感性好。对于某些氧化、脱碳敏感性强的热作模具钢，可采用特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理等。Maniactive第二节热锻模具钢一、热锻模具钢材料⑴热锻模具常用材料Maniactive⑵性能要求1)高的冲击韧度和断裂韧度：对锤锻模用钢，冲击韧度应大于或等于30J／cm2，冲击韧度是锻模钢的基本性能。为阻止或延缓裂纹扩展而导致模具断裂，还要求锻模钢必须具有高的断裂韧度。2)高的高温硬度及高温强度：为防止热锻模发生早期磨损及变形，模具钢应具有较高的高温硬度和高温强度。3)高的淬透性：热锻模尺寸较大，要求模具整个截面力学性能均匀—致。如果心部未淬透，则可能形成贝氏体或其他组织，导致模具早期断裂。4)高的热疲劳抗力：若导热性好、热胀系数小，则热疲劳抗力高，可以延缓热疲劳裂纹的产生。5)较高的回火稳定性：防止模具在高温服役中被继续回火，导致硬度下降而影响耐磨性。6)良好的工艺性能及抗氧化性能。•常用的热锻模具钢在合金工具钢标准中列入的有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV三种。Maniactive5CrNiMo钢5CrNiMo钢具有良好的韧性、强度和高耐磨性。它在室温和500～600℃时的力学性能几乎相同。在加热到500℃时，仍能保持住HB300左右的硬度。由于钢中含有钼，因而对回火脆性并不敏感。从600℃缓慢冷却下来以后，冲击韧性仅稍有降低。5CrNiMo钢具有良好的淬透性。300mm×400mm×300mm的大块钢料，自820℃油淬和560℃回火后，断面各部分的硬度几乎一致。该种钢用来制造各种大、中型锻模。该种钢易形成白点，需要严格控制冶炼工艺及锻轧后的冷却制度Maniactive5CrNiMo钢⑴力学性能该钢具有良好的塑性、韧性、尺寸效应不敏感。但由于碳化物形成元素含量低，二次硬化效应微弱，热稳定性差，高温强度低。5CrNiMo钢在400℃以下工作可以保持较高强度，高于400℃时强度急剧下降，如温度升高到550℃时，与室温比较σb下降将近一半。Maniactive5CrNiMo钢⑵热处理工艺、组织及性能1)锻造工艺锻坯加热温度1100～1150℃，开锻温度1050～1100℃，终锻温度800～850℃，砂冷或坑冷。2)淬火、回火工艺淬火预热温度600～650℃，加热温度830～860℃，油淬。Maniactive5CrNiMo钢(3)应用范围5CrNiMo是目前国内用量较大的锻模钢，通用性强，大、中、小型模块，深、浅型槽的模块均用5CrNiMo钢。由于5CrMnMo及新钢种的研制成功，5CrNiMo应用范围在逐渐缩小。由于该钢淬透性好，更适合用于大批量生产的大、中型模块。Maniactive5CrMnMo钢5CrMnMo钢具有与5CrNiMo钢类似的性能，淬透性较差。此外在高温下工作时，其耐疲劳性逊于5CrNiMo钢。此钢适于制造要求具有较高耐磨性的各种类型锻模（边长≤400mm）。要求韧性较高时，可采用电渣重熔钢。Maniactive5CrMnMo钢⑴力学性能Maniactive5CrMnMo钢⑵热处理工艺、组织及性能1)锻造工艺钢坯锻造加热温度1100～1150℃、始锻温度1050～1100℃、终锻温度800～850℃、锻后缓冷(坑冷或砂冷)，注意防止模具开裂。2)退火工艺等温退火加热温度850～870℃，等温温度680℃，退火硬度197～241HBS。3)淬火工艺加热温度840～860℃油淬，冷到150～180℃左右出油并立即回火。为减少变形及开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到740～780℃，然后入油。Maniactive5CrMnMo钢4)回火工艺回火工艺见表。Maniactive5CrMnMo钢⑶应用范围与5CrNiMo比较，该钢淬透性及韧性均较低。因此，只适用于制造要求较高强度和耐磨性，而韧性要求不甚高时的各种中、小型锤锻模具及部分压力机模块，也可用于工作温度低于500℃的其他小型热作模具。Maniactive4CrMnSiMoV钢•4CrMnSiMoV钢是近20年来我国低合金大截面热作模具钢领域发展的钢种之一。该钢具有较高的抗回火性能，好的高温强度、耐热疲劳性能和韧性，而且有很好的淬透性，冷、热加工性能好。该钢适宜制造各种类型的锤模和压力机锻模。Maniactive4CrMnSiMoV钢(1)力学性能强度、塑性、韧性指标都高于5CrNiMo，冲击韧度和5CrNiMo差不多。Maniactive4CrMnSiMoV钢（2）工艺性能Maniactive4CrMnSiMoV钢（3）实际应用适用于大．中型锻模，也可用于中．小型锻模，经与5CrNiMo等热模钢寿命比较，该钢使用寿命最高-如连杆模．前梁模．齿轮模．突缘节模（深型模)等均比5CrNiMo模具寿命提高o．1—o．8倍，用于矫正模．弯曲模具和平锻机锻模使用寿命比5CrNiMo一般都高0.5倍，个别超过1-2倍.Maniactive5Cr2NiMoVSi钢•锤煅模具及大截面压力机模具用钢5CrMnMo和5CrNiMo等主要问题是碳化物形成元素含量低．热稳定性差．高温强度低．耐热磨损和热疲劳性能,淬透性能也较低；因此，模具型腔表面易于发生热磨损．热机械疲劳，模具寿命普遍较低。•5Cr2NiMoVSi钢主要加入了一定量的钒和硅，将碳．镍；铬．钼等元素含量合理配置，具高温强渡提高64%，热稳定性表现为温度可提高150-170度下使用；对于500mmx500mm截面的锻模其心部硬度较5CrNiMo钢高出13HRC可使用寿命可提高一倍左右.Maniactive5Cr2NiMoVSi钢•5Cr2NiMoVSi钢属于大截面热锻模具钢，具有高的淬透性。钢加热时奥氏体晶粒长大倾向小，热处理加热温度范围较宽，钢的热稳定性、热疲劳性能和冲击韧性较好，适宜制造大截面的压力机和模锻锤等用热作模具。Maniactive5Cr2NiMoVSi钢(1)力学性能Maniactive5Cr2NiMoVSi钢(2)工艺性能锻造Maniactive5Cr2NiMoVSi钢预备热处理Maniactive5Cr2NiMoVSi钢淬火和回火Maniactive5Cr2NiMoVSi钢(3)应用•钢的应用实例：制造汽车前梁模具，使用设备为1200t机械压力机,5CrNiMo锻模平均寿命5000件；5Cr2NiMoVSi钢模具8000件,后桥圆柱齿轮.使用没备为630t摩擦压力机．5CrNiMo钢制模具寿命800—900件；5Cr2NiMoVSi钢模具2000—2250件；Maniactive4Cr5MoSiV(H11)钢•4Cr5MoSiV钢是一种空冷硬化的热作模具钢。该钢在中温条件下具有很好的韧性，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件下进行空淬，热处理变形小，空淬时产生氧化铁皮的倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。Maniactive4Cr5MoSiV(H11)钢(1)力学性能4Cr5MoSiV钢，简称H11钢，是一种空冷硬化型热作模具钢WCr=5％，淬透性很好。该钢在中温具有较好的热强度、高的韧性和耐磨性，在工作温度下有较好的抗冷热疲劳性能，此外，抗氧化性能好，热处理变形小。Maniactive4Cr5MoSiV(H11)钢与5CrNiMo钢相比，H11钢的热强性和耐磨性都较高，而韧性相似，淬透性较好、是制作锻模的好材料。由于韧性较高，甚至在淬火状态也还有一定的韧性，抗热疲劳性能特别好，因此用它制作高速锤锻模是非常理想的，有时也用于制作压铸模、挤压模等。Maniactive4Cr5MoSiV(H11)钢(2)热处理工艺、组织及性能1)锻造工艺H11钢的碳含量不高，热塑性较好；易于锻造和轧制。当锻制大型锻件时，最好先缓慢加热到750℃，然后迅速加热到锻造温度，以减少氧化和脱碳现象。H11钢的淬透性好，锻后应采用炉冷或在缓冷坑中冷却。并及时退火处理。Maniactive4Cr5MoSiV(H11)钢2)退火工艺Hll钢的退火加热温度为845～900℃，保温4h~5h，然后以28℃／h的冷却速度冷到550℃出炉，退火硬度为192～235HBS，退火组织为粒状和点状珠光体。为减少氧化脱碳，退火最好在可控气氛退火炉中进行。Maniactive4Cr5MoSiV(H11)钢3)淬火、回火工艺淬火加热温度1000-1020℃，