!热作模具钢材料及选择(1)

热作模具材料高原2011.71.热作模具的工作条件热作模具包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。如前所述．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。因此会带来以下两方面的问题：（l）模腔表层金属受热。通常锤锻模工作时，其模腔表面温度可达300～400℃以上热挤压模可达500～800℃以上，压铸模模腔温度与压铸材料种类及浇注温度有关。如压铸黑色金属时模腔温度可达1000℃以上。这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，在使用中极易损坏。为此．对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性。由此便可以找到热模具钢合金化的第一种途径，即加入Cr、W、Si．等合金元素可以提高钢的回火稳定性。（2）模腔表层金属产生热疲劳（龟裂）。热模的工作特点是具有间歇性．每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。因此，热模的工作状态是反复受热和冷却，从而使模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。其结果引起模腔表面出现龟裂，称为热疲劳现象，由此，对热模具钢提出了第二个基本使用性能要求：即具有高的热疲劳抗力。一般说来，影响钢的热疲劳抗力的因素主要有：①钢的导热性。钢的导热性高，可使模具表层金属受热程度降低，从而减小钢的热疲劳倾向性。一般认为钢的导热性与含碳量有关，含碳量高时导热性低，所以热作模具钢不宜采用高碳钢。在生产中通常采用中碳钢（C：0.3%～0.6%）含碳量过低。会导致钢的硬度和强度下降也是不利的。②钢的临界点影响。通常钢的临界点（Acl）越高．钢的热疲劳倾向性越低。因此，一般通过加入合金元素Cr、W、Si、引来提高钢的临界点。从而提高钢的热疲劳抗力。2.常用热作模具用钢（1）锤锻模用钢。一般说来，锤锻模用钢有两个问题比较突出一是工作时受冲击负荷作用。故对钢的力学性能要求较高，特别是对塑变抗力及韧性要求较高；二是锤锻模的截面尺寸较大（大于400mm），故对钢的淬透性要求较高，以保证整个模具组织和性能均匀。常用锤锻模具用钢有5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW、5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。不同类型的锤锻模应选用不同的材料。对特大型或大型的锤锻模以5CrNiMo为好．也可采用5CrNiTi、5CrNiW或5CrMnMoSi等。对中小型的锤锻模通常选用5CrMnMo钢。（2）热挤压模用钢，热挤压模的工作特点是加载速度较慢，因此，模腔受热温度较高，通常可达500～800℃。对这类钢的使用性能要求应以高的高温强度(即高的回火稳定性）和高的耐热疲劳性能为主。对ak及淬透性的要求可适当放低。一般的热挤压模尺寸较小，常小于70～90mm。常用的热挤压模有4CrW2Si、3Cr2W8V及5％Cr型等热作模具钢．其中4CrW2Si，既可做冷作模具钢，又可做热作模具钢。由于用途不同，可采用不同热处理方法。作冷模时采用较低的淬火温度（870～900℃）及低温或中温回火处理；作热模时则采用较高的淬火温度（一般为950～1000℃）及高温回火处理。（3）压铸模用钢。从总体上看，压铸模用钢的使用性能要求与热挤压模用钢相近，即以要求高的回火稳定性与高的热疲劳抗力为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤模用钢相同。如常采用4CrW2Si和3Cr2W8V等钢。但又有所不同如：对熔点较低Zn合金压铸模，可选用40Cr、30CrMnSi及40CrMo等；对Al和Mg合金压铸模，可选用4CrW2Si、4Cr5MoSiV等；对Cu合金压铸模，多采用3Cr2W8V钢。近年来．随着黑色金属压铸工艺的应用，多采用高熔点的铝合金和镍合金．或者对3Cr2W8V钢进行Cr-Al-SI三元共渗，用以制造黑色金属压铸模。最近国内外还正在试验采用高强度的铜合金作黑色金属的压铸模材料。热作模具钢的选择热作模具钢用于制造锻压、压铸、热挤压、热镦锻等模具。国外通用的热作模具钢有三种类型，以55NiCrMoV6和56NiCrMoV7为代表的低合金热作模具钢，以Hl3(4cr5M0SiV1)和H11(4Cr5MoSiV)为代表的中合金热作模具钢，以H10(3Cr3Mo3VSi)、H21(3Cr2W8V)为代表的钨系钼系热作模具钢。我国通用的热作模具钢原来主要是5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V三个牌号，很不合理，近20年来我国对H13(4Cr5MoSiV1)进行了比较系统的研究和推广工作，1995年其产量已达到26976吨，成为产量最高的热作模具钢。为了适应热作模具钢的发展需要，国内外相继开发了一些产品，主要可分为以下类型：高淬透性特大型锻压模块用钢通用型的锻压模块用钢，如5CrNiMo、5CrNiMoV等，由于淬透性的限制，一般只适用于制造厚度为300-400mm的模具，而大型锻压设备有时模具重达几十吨，随着模块面积的增大，要求进一步提高模具材料的淬透性，以使模具的心部能够得到较高的、均匀的性能。IS04957标准中的4NiCrMoV1，我国也开发了一些淬透性较好的钢号4Cr2MoVNi、3Cr2NiMoWV等。高热强性模具钢新工艺的发展使一些热作模具的工作温度不断提高，工作条件日益苛刻，传统的3Cr2W8V型高合金热作模具钢不能适应要求，国内外陆续研制、开发了不少新型热作模具钢，主要可分为四种类型：a)中合金高热强性热作模具钢如3Cr3Mo3W2V与3Cr2W8V相比，它具有更高的高温强度和抗回火软化能力。b)沉淀硬化型热作模具钢如日本日立金属公司的YHD13，由于加入了V、Nb、Ni、AI等，工作中模具表面由于合金碳化物和金属间化合物的析出，工作表面的硬度可上升到45~48HRC，模具的心部仍保留原有的组织和高韧性，从而提高了模具的寿命。C）低碳高速钢如我国的6WMo5Cr4V，将高速钢的碳含量降至0.3％～0.6％，在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下，改善其韧性和抗冷热疲劳性能，d)奥氏体型热作模具钢如日本大同公司的5Mn15Ni5Cr8Mo2V。与国外热作模具的差距热作通用型模具钢国产热作通用型模具钢种中只有2个钢号。而国外除了有6个通用型钢种外，还新发展了OR090系的YHD3，H26等。为提高热作模具钢的热强性、抗回火稳定性和韧性，瑞典开发的QR0905新钢种，在提高稳定性与韧性的同时，使合金元素的含量更趋合理，被称之合金含量与成本价格最佳配合的钢种。日本开发的DH12钢，改善了钢的高温力学性能，以适应大批量生产铝合金压铸模。常用热作模具材料: