热作模具钢的选材及热处理工艺

一、什么是热作模具热作模具是将加热到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。热作模具钢的碳含量一般为0.3%～0.6%，有良好的强度、硬度和韧性。添加镍、钨、钼、铬、钒等合金元素，可以提高钢的淬透性和高温性能。根据不同的合金元素含量，热作模具钢可以分为锻压模具用热作模具钢、钨钼系热作模具钢等。钢号化学成分/%CSiMnCrMoV其它锤锻模具用钢5CrMnMo5CrNiMo4CrMnSiMoV5Cr2NiMoVSi0.5/0.60.5/0.60.35/0.450.46/0.530.25/0.6≤0.40.8/1.10.6/0.91.2/1.60.5/0.80.8/1.10.4/0.60.6/0.90.5/0.81.3/1.51.54/20.15/0.30.15/0.30.4/0.60.8/1.2--0.2/0.40.3/0.5-Ni1.4/1.8-Ni0.8/1.2铬系热作模具钢4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV14Cr5W2VSi0.33/0.430.32/0.450.32/0.420.8/1.20.8/1.20.8/1.20.2/0.50.2/0.5≤0.44.75/5.54.75/5.54.5/5.51.1/1.61.1/1.75-0.3/0.60.8/1.20.6/1.0--W1.6/2.4钨钼热作模具钢3Cr2W8V3Cr3Mo3W2V5Cr4W5Mo2V0.3~0.40.32~0.420.4~0.5≤0.40.6~0.9≤0.4≤0.4≤0.65≤0.42.2~2.72.8~3.33.4~4.4-2.5~3.01.5~2.10.2~0.50.8~1.20.7~1.1W7.5~9W1.2~1.8W4.5~5.3表1常用热作模具钢的钢号和化学成分二、热作模具的工作条件与性能要求1、工作条件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。2.使用性能(1)硬度和红硬性(2)耐磨性(3)强度和韧性(4)热疲劳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3、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。三、热作模具钢的选材为满足性能要求，热作模具钢都采用合金钢，在化学成分方面碳含量较低，通常在0.30～0.55%范围内，以获得优良的热疲劳性和导热性，同时经热处理后有较好的机械性能。而作为合金元素加入的Cr、W、Mo、V等四种元素可与碳结合形成特殊碳化物。这些特殊碳化物对热作模具钢的抗回火能力、回火后的硬度和热稳定性有很大的影响。因此在热作模具钢中必须含有Cr、W、Mo、V等元素。W虽然能提高钢的热强性,但含W量过多使热疲劳性敏感性增高，Mo也能提高钢的热强性增加。Mo含量也能降低钢的热疲劳抗力,但如以Mo代W，则在获得相同的热强性的条件下具有较高的抗热疲劳能力。这是目前国内一般压铸模已用含Mo的H11的H13(4Cr5MoV1Si)替代3Cr2W8V。但如考虑模具在高温下的热强性和抗变形能力，则3Cr2W8V优于H13或H11。一些高温下工作的锻模和精模仍用3Cr2W8V。1、锻压模具用钢的选用（1）、锤锻模：受冲击负荷，韧性要求较高。中、小型锤锻模首选：5CrMnMo大型锤锻模首选：5CrNiMo特大型锤锻模：5Cr2NiMoVSi（2）、压力机锻模：冲击负荷较小，要求热强性较高。压力机锻模首选：4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV12、热挤压模具用钢的选用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。轻合金挤压：选用韧性较好的热作模具钢，如4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢。钢、铜和铜合金挤压：除了选用4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢外，也可选用高温强度较好的热作模具钢，如3Cr2W8V钢。5Cr4W5Mo2V钢是新型的热作模具钢，该钢具有较高的红硬性，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，使用寿命较高。表2热挤压模具用钢选择热挤压工件的材料模具名称凹模冲头芯棒挤压缸内套铝、镁合金4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV4CrMnSiMoV4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV4Cr5W2VSi4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV铜和铜合金4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV3Cr3Mo3W2V3Cr2W8V5Cr4W5Mo2V4Cr5MoSiV13Cr2W8V4CrMnSiMoV5Cr4W5Mo2V4Cr5MoSiV13Cr2W8V3Cr3Mo3W2V4Cr5MoSiV14Cr3Mo3SiV3、压铸模具用钢的选用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，从总体上看，压铸模具用钢的使用性能要求与热挤压模具用钢相近，即以要求耐磨性、高的回火稳定性与抗热疲劳性为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤压模具用钢相同。Zn合金压铸模具：4Cr5MoSiV，4Cr5W2VSi钢等；Al和Mg合金压铸模具：4Cr5MoSiV1，3Cr3Mo3W2V钢等；Cu合金压铸模具：3Cr3Mo3W2V，3Cr2W8V钢。3Cr3Mo3W2V钢具有较高的热强性、抗热疲劳性能，又具有良好的耐磨性和抗回火稳定性等。3Cr3Mo3W2V钢的韧性和抗疲劳性能优于3Cr2W8V钢，其使用寿命也高于3Cr2W8V钢。四、热作模具钢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。1、锤锻模具的热处理退火工艺淬火工艺回火工艺锤锻模一般热处理过程1)普通退火2)防白点退火3)高温回火淬火工艺：4Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变曲线如图7-3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。4Cr5MoSiV1钢淬火后的组织为细针状马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体4Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变曲线回火工艺（1）淬火后应立即进行高温回火，以消除淬火应力，获得较好的韧性。（2）回火后采用油冷，以免产生回火脆。油中不能冷却到室温，以免开裂。（3）回火保温时间系数为3min/mm，且回火保温时间不少于2h。（4）小型模具采用较低的回火温度，大型模具采用较高的回火温度。（5）回火后的组织：回火索氏体+回火托氏体表3不同尺寸模具回火温度与回火后的硬度表4四种锤锻模具钢的退火工艺2、铬系热作模具钢热处理铬系热作模具钢一般热处理过程退火工艺表5三种铬系热作模具钢的退火工艺淬火工艺预热：为减少变形，应采用550℃和850℃两段预热，时间系数为0.5min/mm。在550℃预热时加热速度必须缓慢，在850℃预热时加热速度可以快些。加热：保温时间系数为0.5~1min/mm。为减少氧化、脱碳，最好采用可控气氛炉、盐浴炉或真空炉进行加热。冷却：油冷、空冷都可以，还可以采用350~500℃分级冷却。空冷或分级冷却是应保证不析出碳化物，模具心部不出现上贝氏体。回火工艺（1）采用550~650℃高温回火，回火温度根据硬度要求参考表6.铬系热作模具钢在500℃左右回火时，出现二次硬化现象，回火硬度最高，但是回火韧性最差，所以应避免在500℃附近回火。（2）回火保温时间系数为3min/mm，并且不能少于2h。（3）两次回火，第二次回火比第一次回火温度低20℃。铬系热作模具钢淬火后有一些残余奥氏体，一次回火后残余奥氏体分解，其转变产物韧性差，比较脆，容易造成模具开裂，必须两次回火。（4）4Cr5MoSiV1钢在630℃高温回火后得到回火索氏体+回火托氏体。表6三种铬系热作模具钢的回火硬度与对应的回火温度