熱作模具鋼選材及熱處理工藝

1、一、什么是熱作模具熱作模具是將加熱到結(jié)晶溫度以上的固態(tài)或液態(tài)金屬壓制成型的工具，包括熱鍛模具、熱擠壓模和壓鑄模三類。熱作模具工作條件的主要特點(diǎn)是與熱態(tài)金屬相接觸，這是與冷作模具工作條件的主要區(qū)別。熱作模具鋼的碳含量一般為0.3%0.6%，有良好的強(qiáng)度、硬度和韌性。添加鎳、鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，可以提高鋼的淬透性和高溫性能。根據(jù)不同的合金元素含量，熱作模具鋼可以分為鍛壓模具用熱作模具鋼、鎢鉬系熱作模具鋼等。鋼號(hào)化學(xué)成分/%CSiMnCrMoV其它錘鍛模具用鋼5CrMnMo5CrNiMo4CrMnSiMoV5Cr2NiMoVSi0.5/0.60.5/0.60.35/0.450.46/0.530

2、.25/0.60.40.8/1.10.6/0.91.2/1.60.5/0.80.8/1.10.4/0.60.6/0.90.5/0.81.3/1.51.54/20.15/0.30.15/0.30.4/0.60.8/1.2-0.2/0.40.3/0.5-Ni1.4/1.8-Ni0.8/1.2鉻系熱作模具鋼4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV14Cr5W2VSi0.33/0.430.32/0.450.32/0.420.8/1.20.8/1.20.8/1.20.2/0.50.2/0.50.44.75/5.54.75/5.54.5/5.51.1/1.61.1/1.75-0.3/0.60.8/1.20.6

3、/1.0-W1.6/2.4鎢鉬熱作模具鋼3Cr2W8V3Cr3Mo3W2V5Cr4W5Mo2V0.30.40.320.420.40.50.40.60.90.40.40.650.42.22.72.83.33.44.4-2.53.01.52.10.20.50.81.20.71.1W7.59W1.21.8W4.55.3表1常用熱作模具鋼的鋼號(hào)和化學(xué)成分二、熱作模具的工作條件與性能要求1、工作條件熱作模具的工作條件主要有以下三方面:(1)型腔表層金屬受熱。盡管熱鍛模具不同，型腔表層金屬受熱溫度也不相同，但是最低也有幾百攝氏度;熱擠壓模具與壓鑄模具型腔表層溫度更高。(2)型腔表層金屬產(chǎn)生熱疲勞。熱作模具

4、的工作特點(diǎn)是具有間歇性。每次使熱態(tài)金屬成型后都要用冷卻介質(zhì)冷卻型腔的表面。因此，熱作模具的工作狀態(tài)是反復(fù)受熱和冷卻，從而使型腔表層金屬產(chǎn)生反復(fù)的熱脹冷縮，即反復(fù)承受拉壓應(yīng)力作用。其結(jié)果是引起型腔表面出現(xiàn)裂紋，稱為熱疲勞現(xiàn)象。(3)載荷作用。錘鍛模受強(qiáng)烈的沖擊載荷和工作應(yīng)力;熱擠壓模具和壓鑄模具是在高壓下服役的。2.使用性能(1)硬度和紅硬性(2)耐磨性(3)強(qiáng)度和韌性(4)熱疲勞性能熱作模具工作時(shí)除了承受周期性載荷作用之外，還要承受高溫及周期性的急冷急熱變化。熱交變應(yīng)力易使熱作模具材料發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致模具熱裂。一般說(shuō)來(lái)，影響鋼的熱疲勞性能的因素主要有:鋼的導(dǎo)熱性鋼的臨界點(diǎn)3、工藝性能（1）加

5、工性熱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熱加工中的鍛壓加工性能兩種。它主要取決于鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝等。（2）淬透性和淬硬性熱作模具對(duì)這兩種性能要求根據(jù)其工作條件不同有所側(cè)重。對(duì)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;對(duì)于尺寸較大的模具，如果截面未淬透，則回火后未淬透部分的屈服點(diǎn)和韌性會(huì)顯著降低，影響模具工作壽命，所以其淬透性更為重要。（3）熱處理變形性熱作模具在熱處理時(shí)，尤其在淬火過(guò)程中，要產(chǎn)生體積、形狀變化，為保證模具質(zhì)量，要求模具鋼的熱處理變形小，各方向變化相近似，且組織穩(wěn)定。它主要取決于熱處理工藝和鋼的冶金質(zhì)量等。（4）脫碳敏感性熱作模

6、具如果在無(wú)保護(hù)氣氛下加熱，其表面會(huì)發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會(huì)使其硬度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對(duì)于某些氧化、脫碳敏感性強(qiáng)的熱作模具鋼，可采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理等。三、熱作模具鋼的選材為滿足性能要求，熱作模具鋼都采用合金鋼，在化學(xué)成分方面碳含量較低，通常在0.300.55%范圍內(nèi)，以獲得優(yōu)良的熱疲勞性和導(dǎo)熱性，同時(shí)經(jīng)熱處理后有較好的機(jī)械性能。而作為合金元素加入的Cr、W、Mo、V等四種元素可與碳結(jié)合形成特殊碳化物。這些特殊碳化物對(duì)熱作模具鋼的抗回火能力、回火后的硬度和熱穩(wěn)定性有很大的影響。因此在熱作模具鋼中必須含有Cr、W、Mo、

7、V等元素。W雖然能提高鋼的熱強(qiáng)性,但含W量過(guò)多使熱疲勞性敏感性增高，Mo也能提高鋼的熱強(qiáng)性增加。Mo含量也能降低鋼的熱疲勞抗力,但如以Mo代W，則在獲得相同的熱強(qiáng)性的條件下具有較高的抗熱疲勞能力。這是目前國(guó)內(nèi)一般壓鑄模已用含Mo的H11的H13(4Cr5MoV1Si)替代3Cr2W8V。但如考慮模具在高溫下的熱強(qiáng)性和抗變形能力，則3Cr2W8V優(yōu)于H13或H11。一些高溫下工作的鍛模和精模仍用3Cr2W8V。1、鍛壓模具用鋼的選用（1）、錘鍛模：受沖擊負(fù)荷，韌性要求較高。中、小型錘鍛模首選：5CrMnMo大型錘鍛模首選：5CrNiMo特大型錘鍛模：5Cr2NiMoVSi（2）、壓力機(jī)鍛模：沖擊

8、負(fù)荷較小，要求熱強(qiáng)性較高。壓力機(jī)鍛模首選：4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV12、熱擠壓模具用鋼的選用熱擠壓模具的工作特點(diǎn)是加載速度較慢，因此，型腔受熱溫度較高，通?？蛇_(dá)500800。對(duì)這類鋼的使用性能要求應(yīng)以耐磨性、高的回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能為主。輕合金擠壓：選用韌性較好的熱作模具鋼，如4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1鋼。鋼、銅和銅合金擠壓：除了選用4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1鋼外，也可選用高溫強(qiáng)度較好的熱作模具鋼，如3Cr2W8V鋼。5Cr4W5Mo2V鋼是新型的熱作模具鋼，該鋼具有較高的紅硬性，高溫強(qiáng)度和較高的耐磨性，可進(jìn)行一般的熱處理或化學(xué)熱處理，可代替3Cr2

9、W8V鋼制造某些熱擠壓模具，使用壽命較高。表2 熱擠壓模具用鋼選擇熱擠壓工件的材料模 具 名 稱凹模沖頭芯棒擠壓缸內(nèi)套鋁、鎂合金4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV4CrMnSiMoV4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV4Cr5W2VSi4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV銅和銅合金4Cr5MoSiV1 4Cr5MoSiV 3Cr3Mo3W2V 3Cr2W8V5Cr4W5Mo2V4Cr5MoSiV13 C r 2 W 8 V 4CrMnSiMoV5Cr4W5Mo2V4Cr5MoSiV13Cr2W8V3Cr3Mo3W2V4Cr5MoSiV14Cr3Mo

10、3SiV3、壓鑄模具用鋼的選用壓鑄模具在服役條件下不斷承受高速、高壓噴射、金屬的沖刷腐蝕和加熱作用，從總體上看，壓鑄模具用鋼的使用性能要求與熱擠壓模具用鋼相近，即以要求耐磨性、高的回火穩(wěn)定性與抗熱疲勞性為主。所以通常所選用的鋼種大體上與熱擠壓模具用鋼相同。Zn合金壓鑄模具：4Cr5MoSiV，4Cr5W2VSi鋼等；Al和Mg合金壓鑄模具：4Cr5MoSiV1，3Cr3Mo3W2V鋼等；Cu合金壓鑄模具：3Cr3Mo3W2V，3Cr2W8V鋼。3Cr3Mo3W2V鋼具有較高的熱強(qiáng)性、抗熱疲勞性能，又具有良好的耐磨性和抗回火穩(wěn)定性等。 3Cr3Mo3W2V鋼的韌性和抗疲勞性能優(yōu)于3Cr2W8V鋼

11、，其使用壽命也高于3Cr2W8V鋼。四、熱作模具鋼的熱處理熱處理是熱作模具制造中不可缺少的重要工序。熱處理目的就是通過(guò)加熱和冷卻的方法，改變鋼的組織，提高硬度、韌性等力學(xué)性能。熱作模具使用條件不同，對(duì)其性能要求的重點(diǎn)也不同。比如，錘鍛模對(duì)韌性要求較高，而熱擠壓模具以耐磨性、高的回火穩(wěn)定性、抗熱疲勞性為主。這就要求對(duì)不同的熱作模具采取不同的熱處理工藝，以達(dá)到要求的使用性能。熱處理對(duì)熱作模具的質(zhì)量和使用壽命都有重要的影響。 1、錘鍛模具的熱處理退火工藝淬火工藝回火工藝錘鍛模一般熱處理過(guò)程1)普通退火2)防白點(diǎn)退火3)高溫回火淬火工藝 ：4Cr5MoSiV1鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線如圖7-3所示，4Cr

12、5MoSiV1鋼經(jīng)過(guò)高溫奧氏體化后，如果冷卻速度緩慢，在450以上會(huì)析出先共析碳化物。所以在冷卻時(shí)，應(yīng)該快速冷卻至450，以避免析出先共析碳化物，影響性能。4Cr5MoSiV1鋼淬火后的組織為細(xì)針狀馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體4Cr5MoSiV1鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線回火工藝（1）淬火后應(yīng)立即進(jìn)行高溫回火，以消除淬火應(yīng)力，獲得較好的韌性。（2）回火后采用油冷，以免產(chǎn)生回火脆。油中不能冷卻到室溫，以免開(kāi)裂。（3）回火保溫時(shí)間系數(shù)為3 min/mm，且回火保溫時(shí)間不少于2h。（4）小型模具采用較低的回火溫度，大型模具采用較高的回火溫度。（5）回火后的組織：回火索氏體+回火托氏體表3 不同尺寸模具回

13、火溫度與回火后的硬度表4 四種錘鍛模具鋼的退火工藝2、鉻系熱作模具鋼熱處理鉻系熱作模具鋼一般熱處理過(guò)程退火工藝表5 三種鉻系熱作模具鋼的退火工藝淬火工藝預(yù)熱：為減少變形，應(yīng)采用550和850 兩段預(yù)熱，時(shí)間系數(shù)為0.5 min/mm。在550 預(yù)熱時(shí)加熱速度必須緩慢，在850 預(yù)熱時(shí)加熱速度可以快些。加熱：保溫時(shí)間系數(shù)為0.51 min/mm。為減少氧化、脫碳，最好采用可控氣氛爐、鹽浴爐或真空爐進(jìn)行加熱。冷卻：油冷、空冷都可以，還可以采用350500 分級(jí)冷卻?？绽浠蚍旨?jí)冷卻是應(yīng)保證不析出碳化物，模具心部不出現(xiàn)上貝氏體?；鼗鸸に嚕?）采用550650 高溫回火，回火溫度根據(jù)硬度要求參考表6.鉻系熱作模具鋼在500左右回火時(shí)，出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象，回火硬