第三章-热作模具材料用钢及热处理

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Maniactive,马红萍,模具材料与失效分析,专业课,第三章 热作模具材料与热处理,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,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。,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。,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。,1.,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,:,钢的导热性,钢的临界点,2.,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。,第二节,热锻模具钢,一、热锻模具钢材料, 热锻模具常用材料, 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。,5CrNiMo,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。,300mm400mm300mm,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,5CrNiMo,钢, 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,b,下降将近一半。,5CrNiMo,钢, 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。,5CrNiMo,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。,5CrMnMo,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。,5CrMnMo,钢,力学性能,5CrMnMo,钢, 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。,5CrMnMo,钢,4),回火工艺 回火工艺见表。,5CrMnMo,钢, 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。,4CrMnSiMoV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。,4CrMnSiMoV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。,4CrMnSiMoV钢,（,2,）工艺性能,4CrMnSiMoV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,1o,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,.,5Cr2NiMoVSi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,.,5Cr2NiMoVSi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。,5Cr2NiMoVSi钢,(1),力学性能,5Cr2NiMoVSi钢,(2),工艺性能,锻造,5Cr2NiMoVSi钢,预备热处理,5Cr2NiMoVSi钢,淬火和回火,5Cr2NiMoVSi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,800900,件；,5Cr2NiMoVSi,钢模具,20002250,件；,4Cr5MoSiV(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。,4Cr5MoSiV(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。,4Cr5MoSiV(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。,4Cr5MoSiV(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。,4Cr5MoSiV(H11),钢,2),退火工艺,Hll,钢的退火加热温度为,845,900,，保温,4h5h,，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。,4Cr5MoSiV(H11),钢,3),淬火、回火工艺 淬火加热温度,1000-1020,，油冷淬火或分级淬火均可，淬火硬度为,55,57HRC,。,H11,钢的冲击韧度随回火温度的升高而升高，在,200,回火时达到最大值；继续升高回火温度，冲击韧度开始下降；在,500,时，冲击韧度降到最低。因此，模具应避开,500,左右回火，也避免在此温度范围进行化学热处理。,4Cr5MoSiV(H11),钢,(3),应用范围,该钢通常用于制造铝铸件用的压铸模、热挤压模和穿孔用的工具和芯棒、压力机锻模、塑料模等。此外，由于该钢具有好的中温强度，亦被用于制造飞机，火箭等耐,400,500 ,工作温度的结构件,4Cr5MoSiVl(H13),钢,4Cr5MoSiV1,钢是一种空冷硬化的热作模具钢，也是所有热作模具钢中使用最广泛的钢号之一。与,4Cr5MoSiV,钢相比，该钢具有较高的热强度和硬度；在中温条件具有很好的韧性、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。,4Cr5MoSiVl(H13),钢, 力学性能,H13,钢具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹，即使出现热疲劳裂纹也细而短，不容易扩展。,H13,钢同时具有较高的热强性，是一种强韧兼备的质优价廉钢种，既可用作热锻模材料，也可用作模腔温升低于,600,的压铸模材料。,与,H11,钢相比，,H13,钢的钒含量较高，因此,H13,钢的热强性和热稳定性高于,H11,钢。与,4Cr5W2SiV,钢相比，以钼代钨，性能相似。,4Cr5MoSiVl(H13),钢, 热处理工艺、组织和性能,1),锻造工艺,H13,钢的碳含量较低，但钢中还有亚稳定共晶碳化物，碳化物偏析有时也较严重，因此要妥善锻造，锻造比要大于,4,。,2),退火工艺 锻后要立即进行球化退火。等温球化退火工艺为：,(88010),加热，保温,2h,，降温到,(75010),，再等温,2,4h,，炉冷到,500,出炉。常规退火工艺为：,845,880,加热，保温,2,4h,，然后冷到,500,出炉。,3),淬火、回火工艺 对于要求热硬性为主的,H13,钢模具，应选,1050,1080,加热，油冷。淬火后的硬度为,54,57HBC,。对于要求韧性较好的,H13,钢模具，应选,1020,1050,加热，油冷后硬度为,53,56HRC,。,4Cr5MoSiVl(H13),钢,淬火加热应先经两次预热，冷却可采用空冷、油冷，也可采用分级冷却。分级冷却的分级温度最好选择低些，如,350,500,，也有选择在,500,560,分级的。,H13,钢的回火温度要避开,500,，以高于,500,，低于,650,为宜。,4Cr5MoSiVl(H13),钢,(3),应用,该钢广泛用于制造热挤压模具和芯棒、模锻锤的锻模、锻造压力机模具，精锻机用模具镶块以及合金的压铸模。,第三节 热挤压模具钢,一、 热挤压模具钢材料,材料及选材原则,1),材料,常用热挤压模具钢钢号为：,3Cr2W8V,、,4Cr5MoSiVl,；应用较多的标准钢号有：,3Cr3Mo3W2V,、,5Cr4W5Mo2V,、,5Cr4Mo3SiMnVAl,、,4Cr5MoSiV,、,4Cr5W2VSi,等。应用较多的其它钢号有：,4Cr3Mo3W4VTiNb,、,3Cr3Mo3VNb,等。,在特殊情况下，有时会应用奥氏体型耐热钢、镍基合金以及硬质合金和钢结硬质合金等。,2),选材原则,较高硬度和强度钢,铬系热挤压模具钢,铬系钢的特点是淬透性高，强韧性高。其断裂韧度值高于钨系钢。在较低温度回火时，室温强度高于钨系钢，而当回火温度超过,650,后，铬系钢的强度值低于钨系钢。铬系钢冷热疲劳抗力优于钨系钢，经同样冷热循环后，热疲劳裂纹总长度明显小于钨系钢。,高温合金：当挤压耐热钢管时，模具温度可高达,900,1000,，需采用高温合金制作模具。这些合金在,700,时，仍有很高的强度，可用于制作挤压耐热钢零件或挤压铜管的凹模及心棒。,硬质合金：工作温度较高的凸模或凹模，可以采用硬质合金镶块模。如气阀挺杆热镦挤模，原用,3Cr2W8V,钢制作，模具寿命,0.5,万件；改用,YG20,硬质合金后，模具寿命提高到,1.5,万件。, 性能要求,1),高强度、冲击韧度及断裂韧度，以保证模具钢具有较高的断裂抗力，防止模具发生脆性断裂。,2),室温及高温硬度高，耐磨性能好，以减缓模具的磨损失效发生。,3),高温强度及回火抗力高，拉伸及压缩屈服点高，防止模具产生塑性变形及堆塌。,4),模具钢的相变点及高温强度高，并具有高的导热性及较低的热胀系数，有利于热疲劳抗力的提高，推迟热疲劳开裂的发生。,5),较高的抗氧化能力，以减少氧化物对磨损及热疲劳的不利影响。,3Cr2W8V,钢,3Cr2W8V,钢含有较多的易形成碳化物的铬、钨元素，因此在高温下有较高的强度和硬度，在,650,时硬度达,HB,300,，但其韧性和塑性较差。钢材断面在,80mm,以下十可以淬透。这对表面层需要有高硬度、高耐磨性的大型顶锻模、热压模、平锻机模已是足够了。这种钢的变相温度较高，抵抗冷热交变的耐热疲劳性良好。,这种钢可用来制作高温下高应力、但不受冲击负荷的凸模、凹模如平锻机上用的凸凹模、镶块、铜合金挤压模、压铸用模具，如反挤压的模具；还可以供作高温下受力的热金属切刀等。,1,3Cr2W8V,钢, 力学性能,3Cr2W8V,是钨系高热强热作模具钢的代表钢号，虽因冷热疲劳抗力差，在急热、急冷条件下工作容易出现冷热疲劳裂纹而失效，不适宜在急冷、急热条件下工作，但因其抗回火能力较高，仍作为高热强性热作模具钢而在许多热加工领域应用。,3Cr2W8V,钢, 热处理工艺、组织及性能,1),锻造工艺 钢坯加热温度,1130,1160,，始锻温度,1080,1120,，终锻温度,850,900,，锻后空冷到,700,后缓冷。,2),退火工艺 等温退火加热温度,840,880,，等温温度,720,740,，退火硬度,241HBS,。,3),淬火回火工艺 淬火温度,1050,1150,，油冷，淬火硬度,50,54HRC,。回火温度,550,650,次，每次,2h,，回火硬度,40,50HRC,。,3Cr2W8V,钢, 应用范围,3Cr2W8V,钢在淬火加热中脱碳和变形倾向较小，目前钢厂生产量仍较大，热处理设备及工艺比较稳定，许多中小机械厂仍在广泛应用。因其耐热性较高，广泛应用于热挤压模、压力机锻模、镦锻模、剪切刀、压铸模等许多方面。,3Cr2W8V,钢, 热处理新工艺,1),高温淬火工艺：,3Cr2W8V,钢制,40Cr,销轴热锻模在作用力为,1,6MN,摩擦压力机上锻造。原工艺,1050,1100,淬火，,600,620,回火，硬度,47,49HRC,，模具寿命,500,2000,件；改用,1150,高温淬火，,660,680,高温回火，硬度,39,41HRC,，使用寿命,7000,10000,件。,3Cr2W8V,钢,2),控制淬硬层淬火工艺：,3Cr2W8V,钢制尖嘴钳热压模具，,1000,3000kN,摩擦压力机上使用，常规淬火工艺，硬度,46,48HRC,，模具寿命仅,4000,件，失效形式为开裂或模腔变形塌陷。采用高温短时间加热，使模具表面和心部得到不同的淬火加热温度，造成不同的合金度，在随后淬火过程中，获得内外不同的组织。或控制淬火操作，使表面和心部在不同温度下淬火而转变成不同的组织，经此工艺处理后模具寿命达,32000,件。,3Cr2W8V,钢,3),贝氏体等温淬火工艺：,3Cr2W8V,钢制自行车曲柄热成型模，在,3000kN,摩擦压力机上使用，按,1080,油淬，,580,610,回火二次工艺处理，硬度,45,48HRC,，平均使用寿命,4500,件；改用,1100,加热，,340,350,硝盐炉等温淬火，获得马氏体,+,下贝氏体组织，使模具具有高强度的同时，显著提高了塑性和断裂韧度，模具平均寿命达到,9000,件，最高达,3.8,万件，比常规工艺处理的模具，提高寿命一倍以上。寿命高的原因是高强度的马氏体上分布有适量的下贝氏体，提高了钢材的强韧性，断裂韧性和裂纹扩展抗力。,5Cr4W5Mo2V,钢,5Cr4W5Mo2V钢是新型的热作模具钢。该钢具有较高的热硬性，高温强度和较高的耐磨性，可进行一般的热处理或化学热处理，可代替3Cr2W8V钢制造某些热挤压模具。也用于制造精锻模、热冲模、冲头模等，使用寿命较高,5Cr4W5Mo2V,钢, 力学性能,5Cr4W5Mo2V(RM-2),钢具有较高含碳量及合金元素总质量分数为,12,，因而具有较高的硬度、耐磨性、回火抗力及热稳定性。,5Cr4W5Mo2V,钢, 热处理工艺、组织及性能,1),锻造工艺 加热温度,1170,1190,，始锻温度,1120,1150,，终锻温度,850,，在,850,600,区间应快冷以避免网状碳化物形成，在,600,以下缓冷。,2),退火工艺 加热温度,870,，等温温度,730,，炉冷到,500,以下出炉空冷。,5Cr4W5Mo2V,钢,3) 淬火及回火工艺,5Cr4W5Mo2V,钢, 应用范围,5Cr4W5Mo2V,钢适于制作小型精锻模、平锻模、压印模凸模、热挤压凸模及热切底模、热切边模、辊锻模等模具。由于,5Cr4W5Mo2V,钢比,3Cr2W8V,钢具有较高的热强性、耐磨性及热稳定性，用该钢制作的模具，使用寿命比,3Cr2W8V,钢普遍提高,2,3,倍，个别模具可提高,10,20,倍。,4Cr3Mo2NiVNbB(HD,), 力学性能,HD,钢的室温强度、室温韧性、高温强度、高温韧性都比,3Cr2W8V,钢高。在相同硬度条件下，,HD,钢的断裂韧度比,3Cr2W8V,钢高,50,，,700,高温短时抗拉强度高,70,，冷热疲劳抗力和热磨损性能分别高出,1,倍和,50,。,4Cr3Mo2NiVNbB(HD,), 热处理工艺及性能,1),锻造工艺 加热温度,1100,1150,，始锻温度,1000,1050,，停锻温度,850,。,2),退火工艺 加热温度,850,，保温,4h,，炉冷到,550,以下出炉空冷。,3),淬火、回火工艺 淬火加热温度,1130,，回火温度,650,700,，经相同的温度回火后，,HD,钢的回火硬度比,3Cr2W8V,钢高，回火温度越高，,HD,钢与,3Cr2W8V,的硬度差越大。,4Cr3Mo2NiVNbB(HD,), 应用范围,HD,钢用于钢质热挤压凸模、铜合金管材挤压模和穿孔针，热挤压轴承环凸模与凹模、气门挤压底模等模具，使用寿命均比,3Cr2W8V,钢制模具高。,4Cr3Mo2NiVNbB(HD,),4Cr3Mo2NiVNbB(HD,),6Cr4M03Ni2WV(CG2),钢,6Cr4Mo3Ni2WV,钢（代号为,CG-2,）是基体钢类型的新型模具钢。该钢具有强度高，红硬性好，韧性也较好。该钢具有较宽的热处理温度范围，灵活性大，基本上无淬裂现象。根据模具使用的条件，可适当调整热处理工艺，用于冷作模具可采用,520,560,回火，用于热作模具则可选用,600,650,回火。此钢可用于制造热挤压轴承圈冲头、热挤压凹模、热冲模、精锻模，此外也可作冷挤压模，冷镦模具等。,该钢热加工工艺较难掌握、锻造开裂倾向较为严重，在热加工时应给予注意。,6Cr4M03Ni2WV(CG2),钢, 力学性能,由于钢中含有,2,(,质量分数,),的,Ni,元素，使基体的强度和韧性提高。,CG2,钢的室温及高温强度、热稳定性均高于,3Cr2W8V,钢，但塑性及高温冲击韧度稍低于,3Cr2W8V,钢。,6Cr4M03Ni2WV(CG2),钢, 工艺性能,1),锻造工艺 始锻温度,1140,1160,，终锻温度,950,。锻造时要求反复镦拔三次以上，以保证碳化物均匀分布，锻后应缓冷并及时退火。,2),退火工艺 采取等温球化退火，加热温度,1100,1130,，等温温度,670,，炉冷到,400,以下出炉空冷，退火硬度,220,240HBS,。,3),淬火、回火工艺 淬火加热温度,1100,1130,，油冷。用作热作模具时，回火温度,630,，回火两次，每次,2h,，回火硬度,51,53HRC,。用作冷作模具时，回火温度,540,，回火两次，硬度,59,62HRC,。,6Cr4M03Ni2WV(CG2),钢, 应用范围,用,CG2,钢制作轴承套圈热挤压凸模和凹模，,1130,油淬及,630,、,600,回火，硬度,50,53HRC,，凸模寿命为,3Cr2W8V,钢凸模的,2,3,倍；制作底板，使用寿命为,3Cr2W8V,钢底板的,3,6,倍；制作热挤压凸模，寿命提高近,1,倍。,CG2,钢还可用于制作标准件及轴承滚子冷镦模、缝纫机零件冷镦模等。,3Cr3M03VNb,钢,(HM3),力学性能,M3,钢具有高的高温强度。当试验温度低于,600,时，,HM3,钢的强度低于,4Cr5W2VSi,钢，而当温度高于,600,时，,HM3,钢的强度却高于,4Cr5W2VSi,钢。,3Cr3M03VNb,钢,(HM3), 热处理工艺及性能,1),锻造工艺 始锻温度,1120,1150,，终锻温度大于或等于,850,。,2),退火工艺 加热温度,860,，等温温度,710,，炉冷至,550,以下出炉空冷。,3),淬火、回火工艺 淬火温度,1080,，回火温度,560,630,，回火两次，具体温度根据对模具的硬度要求选择。,3Cr3M03VNb,钢,(HM3), 应用,用,HM3,钢代替,3Cr2WSV,、,5CrNiMo,、,4Cr5W2VSi,制作模具，可使模具寿命提高,2-10,倍，并有效地克服了模具因热磨损、热疲劳、热裂等引起的失效。在热锻成形凹模、连杆辊锻模、热挤压凹模、高强钢精锻模、小型机锻模、铝合金压铸模等方面的应用取得了良好效果。,第四节 压铸模具钢,一、选用,压铸模具的选材，主要依据浇注金属的温度及种类而定。,二、压铸模具材料,锌合金压铸模,锌合金的熔点为,400,430,，锌合金压铸模型腔的表层温度不会超过,400,。常用于制造锌合金压铸模的材料有,40Cr,、,30CrMnSi,、,40CrMo,、,5CrNiMo,、,5CrMnMo,、,4CrSMoSiV,、,4CrSMoSiVl,、,3Cr2W8V,、,CrWMn,钢等。, 铝合金压铸模,铝合金熔液的温度通常在,650,700,左右，要求铝合金压铸模用钢必须具备高的回火抗力和冷热疲劳抗力，足够的强度、塑性及耐热性能，良好的导热性，低的热膨胀系数等。在工艺性能中，特别要求改善热处理变形性及具有良好的渗氮,(,或氮碳共渗,),工艺性能。,常用的铝合金压铸模具钢有,4CrSMoSiVl(H13),、,3Cr2W8V,及新钢种,4Cr5Mo2MnVSi(Y10),和,3Cr3Mo3VNb(HM3),等。,二、压铸模具材料,二、压铸模具材料, 铜合金压铸模,铜液温度通常高达,870,940,。要求铜合金压铸模具材料具有高的热强性、导热性、韧性、塑性，高的抗氧化性、耐金属侵蚀性及良好的加工工艺性能。,国外已采用加钴的钨系高热强模具钢、钨基合金、钼基合金、马氏体时效钢以及加钴的铬钼钒钢等材料制造铜合金压铸模，其使用效果比,3Cr2W8V,钢好。,国内仍大量采用,3Cr2W8V,钢制造铜合金压铸模具，也有的用铬钼系热作模具钢。近年来，我国研制成功新型热作模具钢,Y4(4Cr3Mo2MnVNbB),，其抗热疲劳性能明显优于,3Cr2W8V,钢；,3Cr3Mo3V,钢模具的使用寿命也比,3Cr2W8V,钢模具高。钨基合金,Anviloyll50,、钼基合金,TZM,合金制造的压铸模都有较高的寿命。如用,3Cr2W8V,钢制造的黄铜压铸模，可压铸,6000,件,二、压铸模具材料, 钢铁材料压铸模,钢的熔点为,1450,1540,，钢铁材料压铸模的工作温度高达,1000,，型腔表面受到严重氧化、腐蚀及冲刷，模具寿命很低。,最常用的模具材料仍为,3Cr2W8V,钢，但因该钢的热疲劳抗力差、使用寿命很低。目前国内外，均趋向使用高熔点的钼基合金及钨基合金制造黑色金属压铸模，其中,TZM,及,Anviloyll50,两种合金受到普遍重视。采用导热性好的合金，如铜合金制造黑色金属压铸模，也收到满意的效果。,第五节 热冲裁模具钢,要求热切边模具材料具有高的耐磨性、高硬度及热硬性，一定的强韧性和良好的工艺性能。,第六节 热作模具材料的选用,影响热作模具使用寿命的因素很多，如工作温度、承受的载荷、模具的形状与尺寸、被加工材料的性质、质量、成型方式等因素。选择热作模具材料要综合考虑这些因素，合理选用，并且模具钢的纯净度要高、等向性要好、经过炉外精炼和多向锻造，确保热作模具工作寿命。,锻压模具用钢的选用,锤锻模用钢有两个问题比较突出,工作时受冲击负荷作用，故对钢的力学性能要求较高，特别是韧性要求较高,;,锤锻模的截面尺寸较大(,400,mm)，故对钢的淬透性要求比较高，以保证整个模具组织和性能均匀。,中、小型锤锻模多选用合金含量较低、冲击韧性高的材料，如,5,CrMnMo钢,;,大型及型腔复杂的锤锻模通常选用淬透性较高的钢，如,5,CrNiMo钢。,5,Cr2NiMoVSi钢耐热疲劳性、冲击性好，适于制造大截面锤锻模具。,锻压模具用钢的选用, 性能要求,具有良好的抗冷热疲劳性能；有一定的高温强度和高温硬度；有较好的抗回火软化能力；特别对于大型模块，还必须有非常高的淬透性，另外还要求有较好的冲击韧性和断裂韧度。,锻压模具用钢的选用, 选材,锻压模具用钢主要有,5CrNiMo,、,5CrMnMo,、,5NiCrMoV,、,5Cr2NiMoV,、,4Cr5MoSiV,、,4Cr5MoSiVl,等钢种。其中,5CrNiMo,、,5CrMnMo,是用途较广的模锻锤用模具材料，前者具有较好的冲击韧度和综合力学性能、较好的淬透性，可用于制造中等截面尺寸的模块。,5CrMnMo,主要适于制造小型模块。对于有些大型模块如大于,400mm400mm,截面的模块，,5CrNiMo,钢的淬透性就显得不足，需要采用合金含量较高的并且加入钒的,5CrNiMoV,钢。,锻压模具用钢的选用,切边模具用钢选择,很多有色金属和钢的型材、管材和异型材是采用热挤压工艺成型的。,热挤压模具是在高温、高压、磨损和热疲劳等恶劣条件下服役的。热挤压模具主要由挤压筒、冲头、凹模和心棒,(,用于挤压管材,),等主要部件组成。 热挤压模具的工作特点是加载速度较慢，因此，型腔受热温度较高，通常可达,500,800,。对这类钢的使用性能要求应以耐磨性、高的回火稳定性和抗热疲劳性能为主。常用的热挤压模具用钢有,4,Cr5MoSiV,，,4Cr5MoSiV1,，,3Cr2W8V,，,4Cr5W2VSi,钢等。,热挤压模具用钢的选用,热挤压模具用钢的选用,对热挤压模具用钢的选择，应考虑以下主要因素,被挤压金属的挤压温度和在该温度下的强度性能。,被挤压金属的化学成分。,挤压加工的成品形状。,挤压加工的挤压比,(,变形比,),。,挤压加工的速度。,热挤压模具用钢的选用,热挤压模具用钢的选用,当进行轻合金挤压时，凹模垫块和心轴材料主要采用铬钼系中合金热作模具钢,4Cr5MoSiV,、,4Cr5MoSiV1,钢等，热处理硬度为,HRC4550,。心棒头及镶块则采用通用高速钢,W18Cr4V,和,W6Mo5Cr4V2,等，热处理为,HRC5560,。压力筒一般采用中碳合金结构钢，硬度为,HRC3540,；压力筒内衬材料则采用,4Cr5MoSiV,、,4Cr5MoSiV1,等，热处理硬度为,HRC4247,。,热挤压模具用钢的选用,铜和铜合金热挤压模具，凹模和垫块材料则采用,4Cr5MoSiV,，,4Cr5MoSiV1,，,3Cr2W8V,等钢种，心棒材料仍采用,4Cr5MoSiV,，,4Cr5MoSiV1,钢种。当挤压含镍量较高的铜镍合金时，心棒头及镶块有时采用镍基高温合金制造，挤压筒衬有时采用铁基高温合金制造。,热挤压模具用钢的选用,热挤压钢的模具材料，凹模选用,4Cr5MoSiV1,加,3Cr2W8V,镶块，垫块则选用,4Cr5MoSiV,和,4Cr5MoSiV1,和,3Cr2W8V,或镍基高温合金。心棒仍用,4Cr5MoSiV,、,4Cr5MoSiV1,等钢种，挤压筒和内衬材料则选用,4Cr5MoSiV,和,4Cr5MoSiV1,钢种。,热挤压模具用钢的选用,压铸模具用材料的选择,压铸模具在服役条件下不断承受高速、高压喷射、金属的冲刷腐蚀和加热作用，因此要求模具材料应具有良好的抗热疲劳性、红硬性和抗高温液态金属的冲刷、腐蚀性能，而且应具有较好的工艺性能。,压铸模具材料，主要是根据压铸工件材料、压铸模的工作温度和浸蚀程度进行选择。,压铸模具用材料的选择,对于压铸模具用钢的主要性能要求为：,耐冷热疲劳性能。,耐液态金属冲蚀性能。,耐磨性。,在工作温度下的强度和韧性。,对于压铸模具用钢的选择应考虑以下主要因素：,压铸金属的化学成分。,压铸温度。,压铸工件的形状复杂程度、尺寸和对尺寸精度及表面粗糙度的要求。,生产工件的批量。,压铸模具用材料的选择, 铝、镁合金用压铸用模具材料,铝合金压铸模具原来一直采用高合金的,3Cr2W8V,钢，,4Cr5MoSiVl,代替,3Cr2W8V,钢制造铝合金压铸模具。马氏体时效钢如,18Ni(250),钢,(00Nil8C08M05TiAl),用于制造铝合金压铸模具。低碳铬氮模具钢,(2CrlOMoSiVWNiN),制造铝合金压铸模。,压铸模具用材料的选择, 铜合金压铸模具用模具材料,铜合金压铸模具一般多采用高温性能较好的钨钼系热作模具钢制造，如,3Cr2W8V,、,4Cr3M03SiV,等，有时为了进一步提高使用寿命，采用热强性更好的加钴钨钼系热作模具钢如,4Cr4W4C04V2Mo,和,3Cr3M03C03V,等钢种。,压铸模具用材料的选择,为了提高模具的抗腐蚀性能，模具可采用氮化处理，或采用耐蚀模具钢，。,为了减少模具的磨损和避免模具在使用过程中的过热，适当的润滑和通水冷却也是提高模具使用寿命的有效措施。,为了减少模具的热疲劳损坏，有时采用马氏体时效钢制造压铸模的型芯。,压铸模具用材料的选择,超塑成形用模具材料,当利用金属的超塑性进行压力成形时，特别是用于热强性高的难成形材料如钛合金、镍基高温合金的超塑成形时，就需要将模具在加工过程中加热并精确保持在与锻件相同的超塑性温度范围内，进行等温锻造。此时模具承受的变形抗力较小，并且可以得到尺寸精度很高的工件。,超塑成形用模具材料,等温锻造钛合金的超塑性温度为,900980,左右，镍基合金的超塑性温度为,9501100,左右。由于模具的工作温度很高，要求模具材料具有很高的热强化性、抗氧化性能和抗热疲劳性能。钛合金超塑成形模具，一般采用镍基高温合金制造，如,TN-100,高温合金等。,超塑成形用模具材料,镍基高温合金的超塑成形温度往往在,1000,以上，开始多采用难熔合金并含少量钛、锆的钼基合金,TZM,制造，但是钼基合金在高温下极易氧化，要求在真空下进行锻造，这就使得锻造工艺和装备极为复杂，需要大量投资，而且生产率很低。进几年来日本日立金属株式会社成功地研究了用于镍基合金等温锻造的镍基铸造模具材料,Nimowal,，其在,1050,的高温强度与钼基难熔合金,TZM,相近，而且抗氧化性良好，可以在大气下对,IN-100,镍基高温合金进行等温锻造。,第七节 热作模具的制造工艺路线,热作模具的制造，就是通过各种专业工艺，按照一定顺序，进行加工、装配来完成的。热作模具的制造工艺路线大致为毛坯制备、成形加工、热处理、钳工整修、模具装配、试模与验收等阶段。,一般热作模具主要零件的制造工艺路线：,毛坯锻造退火机械粗加工精加工成形淬火、高温回火钳工整修、抛光模具装配试模。,1.,毛坯制备,2.,成型加工,3.,热处理,4.,钳工整修,5.,模具装配,6.,试模与验收,第八节 热作模具的热处理,热处理是热作模具制造中不可缺少的重要工序。热处理目的就是通过加热和冷却的方法，改变钢的组织，提高硬度、韧性等力学性能。热作模具使用条件不同，对其性能要求的重点也不同。比如，锤锻模对韧性要求较高，而热挤压模具以耐磨性、高的回火稳定性、抗热疲劳性为主。这就要求对不同的热作模具采取不同的热处理工艺，以达到要求的使用性能。热处理对热作模具的质量和使用寿命都有重要的影响。,退火,完全退火、等温退火、球化退火,、扩散退火、去应力退火,淬火,（,1,）锤锻模,:,由于锤锻模用钢一般淬透性不高，通常用油作淬火介质。,（,2,）热挤压模具、压铸模具,:,除了,3,Cr2W8V,钢外，这类钢淬透性好，大型模具空冷淬火后可得到较高的硬度。该类钢可以采用空冷或油冷淬火。,回火,热作模具要求具有高的强度和好的韧性，并且要有高的抗回火性，所以这类模具都要进行高温回火，一般在,500,650,回火。,热作模具热处理实例,锤锻模具热处理,1.,退火工艺,2.,淬火工艺,3.,回火工艺,锤锻模一般热处理过程,铬系热作模具钢热处理,1.,退火工艺,2.,淬火工艺,3.,回火工艺,淬火工艺 ：4,Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变曲线如,下图所示，,4Cr5MoSiV1钢经过高温奥氏体化后，如果冷却速度缓慢，在,450,以上会析出先共析碳化物。所以在冷却时，应该快速冷却至,450,，以避免析出先共析碳化物，影响性能。,4,Cr5MoSiV1,钢淬火后的组织为,细针状马氏体,+,未溶碳化物,+,残余奥氏体,4,Cr5MoSiV1,钢奥氏体等温转变曲线,3.,回火工艺,4,Cr5MoSiV1钢在,630,高温回火后得到回火索氏体,+,回火托氏体。,铬系热作模具钢一般热处理过程见,下图。,铬系热作模具钢一般热处理过程,钨钼系热作模具钢的热处理,钨钼系热作模具钢中钨的质量分数为,8%,10%,，加入适量的钼、钒，其高温强度、硬,度、抗回火性能均优于前两类热作模具钢，但是其韧性和抗热疲劳性能则不及铬系热作模具钢。钨钼系热作模具钢适用于型腔工作温度为,600,650,的热作模具。如锻压机模具、热,挤压模具。,钨钼系热作模具钢的一般热处理过程,思考题,1.,热作模具材料是怎样分类的？写出常用热作模具材料的牌号。,2.,简述热作模具的工作条件及性能要求。,3.,影响热作模具材料抗热疲劳性能的因素有哪些,?,4.,各种热作模具材料是如何进行选用的,?,5.,试述,5CrNiMo,钢热锻模热处理工艺及注意事项。,目录,