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1、 第三节热作模具材料 1、热处理: 是指将金属材料(钢)在固态下加热、保温和冷却, 以改变钢的组织结构, 获得所需要性能的一种工艺. 2、热处理特点: 热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改 变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 3 、热处理适用范围 :只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能 用热处理强化。2.热处理的主要目的:改变钢的性能。一、热作模具工作条件、失效形式及性能要求1、热作模具分类热作模具：用于热变形加工和压力铸造的模具。分类：根据工作条件，分为热锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等。热作模具在工作中既有力的作用又有温度的作用，模具的工作条
2、件差、失效形式复 杂，性能要求高.2、热锻模-包括锤锻模、压力机锻模、热镦模和高速锻模等。其中锤锻模最有代表性。 1）工作条件及主要失效形式工作时受很大的压应力和冲击载荷的作用，冲击频率很高；模具型腔表面和炽热金属接触，使模具升温到 300-400，局部温度达到 500-600； 工作时，锻完一个零件后，用水或油冷却模具，产生急冷急热作用；坯料对模具型腔有强烈 的摩擦作用。锤锻模的主要失效形式：氧化；磨损；断裂；产生热疲劳裂纹，形成龟裂；塑性变形造成型腔面塌陷。2）主要性能要求：(1) 较高强度和良好的韧性；(2) 良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；(3) 模具尺寸较大时，应具有高的淬透性3、热挤压
3、模1）工作条件及主要失效形式：受力复杂：承受压应力和弯曲应力，脱模时有拉应力；有冲击载荷作用；模具温升较高，承受急冷急热的热疲劳作用。模具与炽热金属接触时间较长，温度比锤锻模温度更高，尤其是挤压钢件和难熔金属时， 温度高达 600-800。主要失效形式：模腔过量塑性变形、开裂、冷热疲劳、热磨损及表面氧化腐蚀。2）主要性能要求：(1) 高的热稳定性；(2) 良好的冷热疲劳抗力和高耐磨性；(3) 较高的高温强度和足够的韧性。4、压铸模具1）工作条件及主要失效形式：模具温升高、有热疲劳作用：工作时与高温液态金属接触，受热时间长，受热温度高(压 铸有色金属时,温度达 400-800；压铸黑色金属时,温
4、度可达 1000以上)，同时模具有冷却. 高的压力(20-120MPa)及金属液流的高速冲刷作用；主要失效形式：热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀。低温合金的压铸，以磨损失效为主。 2）主要性能要求： (1)较高的耐热性和良好的高温力学性能； (2)优良的耐冷热疲劳性和高的导热性； (3)良好的抗氧化性和耐蚀性； (4)较高的淬透性。4、热冲切模由切边凹模和凸模组成，切边时凸模无刃口，只起传力作用，由凹模切除飞边、连皮。 1）工作条件及主要失效形式：凹模刃口与毛坯有摩擦，同时有一定的冲击载荷；刃口受热而温度升高。失效的主要形式是：刃口磨损、崩刃、卷边等。2）主要性能要求：(1) 高耐磨性，高硬度及热硬
5、性；(1) 具有一定的强韧性（避免崩刃）；(1) 具有良好的工艺性。二、热作模具用钢根据工作温度、性能和用途常用材料见表1、锤锻模用钢主要采用中碳、多元低合金热作模具钢。传统钢种有：5CrMnMo、5CrNiMo；近年来研制的新钢种有：4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi、 45Cr2NiMoVS、3Cr2MoWVNi（一）5CrNiMo 钢(1)主要性能特点及应用：良好的综合力学性能和淬透性；（硬度 40-48HRC，抗拉强度 1200-1400MPa，冲击韧度 40-70Jcm2，第二类回火脆性不敏感） 。不足之处是工作温度稍低，锻坯中易产生白点。适合于制造形状复杂、冲击负荷较大，
6、要求高强度和韧性较高的中、大型锤锻模。如高度 尺寸>375mm 的大型锤锻模。(2)热加工工艺：锻造退火（完全退火或等温退火）淬火和回火淬火预热温度：600-650，加热温度：830-860 、油淬；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660）；锻模燕尾部分回火温度较其它部位高 100左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失 效）。其韧性在所有的热作模具钢中最好。（二）5CrMnMo 钢(1)主要性能特点及应用（和 5CrNiMo 钢相比）强度、硬度相当，但冲击韧性稍差；淬透性、耐热疲劳性稍差；热处理过热倾向较大；适合制作受力较轻的中小型锤锻模。(2)热加工工艺：锻造等温退火(加热温
7、度 850-870，等温温度 680 ) 淬火和回火等温退火加热温度：850-870，等温温度 680 。淬火加热温度 840-860，油淬，冷却到 150-180 左右出油立即回火；为减少变形，防止开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到 740-780入油；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660）。锻模燕尾部分回火温度较其它部位高 100左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾 开裂失效）。（三）4CrMnSiMoV 钢（1）主要性能特点及应用：具有较高强度、耐磨性和冲击韧性；高温性能、热疲劳抗力和淬透性优于 5CrNiMo。制作小、中、大型锤锻模，模具寿命比 5CrNiMo 高。（2）热加工
8、工艺：锻造等温退火淬火和回火等温退火：加热温度为 840-860 ，等温温度为 700-720大型锤锻模淬火温度 870-900、油淬；中小型锤锻模淬火温度 900-930、油淬。大型锤锻模回火温度：620-660，回火硬度为 38-42HRC；中型锤锻模回火温度 610-630，回火硬度 41-44HRC；小型锤锻模回火温度为 470-610，回火硬度 44-49HRC。该钢用于压力机椴模生产汽车用连杆、前梁和齿轮等。（四）5Cr2NiMoVSi 和 45Cr2NiMoVSi-新型锤锻模具钢(1)主要性能特点及应用：（与 5CrNiMo 钢相比）高温强度提高了 64，热稳定性提高(温度提高了
9、 150-170 )。500X 500mm 截面的锻 模，其心部硬度较 5CrNiMo 钢高 13HRC，使用寿命提高 1 倍。5Cr2NiMoVSi 钢主要用于制造各类压力机模具和 3t 以上锤锻模；45Cr2NiMoVSi 钢适合制作各类锤锻模，特别是 10t 以下的大截面锤锻模具。(2)热加工工艺：锻造退火淬火和回火等温退火：800720等温；完全退火：850-870，缓冷至 500出炉空冷。淬火：（大截面锤锻模）5Cr2NiMoVSi 钢，淬火温度：960-980， 回火温度：620-660；45Cr2NiMoVSi 钢，淬火温度：960-980，型腔回火温度：630-670，燕尾回火
10、温度：680-700。1、如图是一齿轮高速锤锻模具，其工作条件和技术要求为：齿轮毛坯尺寸58mm×43mm， 锻锤吨位，4 吨，大批生产，凹模通循环水冷却；凹模硬度要求为 46-50HRC，冲头硬度要 求为 44-48HRC。要求：1、对凹模、冲头进行选材分析，选择合适的材料，制定热处理工艺。2、为模具辅助零件：下顶料杆、M12×45 螺栓进行选材分析，选择合适的材料，制 定热处理工艺。2、热挤压模具用钢-包括机锻模、高速锻模用钢，主要有钨系、铬系、铬钼系热作模具钢及基体钢。(一) 铬系：代表钢种 4Cr5MoSiV1（H13），4Cr5MoSiV（H 11 ） 4Cr5W
11、2VSi（H12），属于 中碳中铬钢。成分特点:碳的质量分数较低 约为 0.3%0.4%。合金元素含量中等，有较高的 Cr、 Mo、V、W 等碳化物形成元素， Cr 的含量为 5%，俗称 5% Cr 型热模钢。Cr 和 Mo 使该钢的淬透性大大提高，含 V 有利于提高钢的热硬性和热强性。(2)主要性能特点及应用：淬透性好，几乎都采用空冷淬火(属空冷硬化钢，厚度 150mm 钢件在油中可淬透）； 冲击韧度和断裂韧度较高；良好的耐热疲劳性能和抗氧化性，能适应急冷急热的工作条件。与 5CrNiMo 钢相比，有更高的硬度、热强性和耐磨性.钢的综合性能好，在最佳淬火回火热处理工艺状况下具有高的强度、高硬
12、度和良好的韧性 和塑性的配合。在所有的热作模具中这种钢具有最高的疲劳强度，在热处理时尺寸变形都比 较小。这类钢的工作温度一般不超过 600。广泛用于铝型材挤压模具；汽车、拖拉机、五金工 具等行业机锻模具、辊锻模具；轴承行业挤压模及辗压辊；压铸模等。(2)热处理工艺：锻造等温退火： 860-890 ， 700-720 等温，缓冷至 500 出炉淬火： 1000-1050、油冷+540-600回火（回火温度根据硬度要求确定）。(二)钨系： 3Cr2W8V、 4Cr3Mo3W2V 、 5Cr4Mo2W2VSi，代表钢种 3Cr2W8V。耐热疲 劳性较差，在压铸模中的应用较多。具有以下特点：1）成分上
13、：含碳并不高，但接近共析或过共析成分；合金元素含量高或中等，普遍含合金元素的质量分数为 8%10%。2）性能上：该钢具有高的耐热性，即有较高的高温强度和高温硬度。可在600700 高温下工作。具有高的耐磨性。3Cr2W8V 纲是广泛应用的热作模具钢。用于压铸模、热挤压模、精锻模等。 它又叫半“高速钢”。由于含有较多的易形成碳化物的元素 Cr、W，高耐热强性最好。 三) 铬钼钢及钨钼钢:包 括 4Cr3Mo3SiV(H10) 、 4Cr3Mo2NiVNbB(HD) 、 3Cr3Mo3W2V(HM1) 、 25Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3Mo3W4VNb(GR)。 1、25Cr3Mo3V
14、Nb(HM3) : 含碳量较低；加入少量的铌，具有较高的耐热疲劳性、热强性和回火稳定性 （1）加工工艺：锻造，锻后缓冷等温退火（温度 860、等温温度 710，炉冷至 550出炉空冷淬 火（温度 1 080，油冷或水冷）+回火（温度根据模具硬度要求在 560-630范围选择）， 回火二次。 2）应用： 热锻成形凹模、连杆辊锻模，小型机锻模、铝合金压铸模等。工作寿命比 5CrNiMo、 4CrSW2VSi、3Cr2W8V 钢等模具提高 2-10 倍。 2、4Cr3Mo2NiVNbB(HD)-新钢种 综合了 3Cr2W8V 和 H13 的优点。其高温强度、回火稳定性、断裂韧性、耐热疲 劳性和耐磨性
15、优于 3Cr2W8V ；而耐热性优于 H13 钢，可在 700下工作。（1）加工工艺：锻造退火（加热温度 850、4h，随炉缓冷到 550 出炉空冷）淬火（1130 、油淬） +回火（温度根据硬度要求可在 650-700 范围选择），回火二次。（2）应用：主要替代 3Cr2W8V 钢制作热挤压凸模与凹模，工作寿命可提高 1 倍。3、3Cr3Mo3W2V(HMl)：冲击韧度及断裂韧度与 3Cr2W8V 钢相近，但回火抗力比 3Cr2W8V 钢高，在保持高强 度和热稳定性的同时，耐冷热疲劳性能比 3Cr2W8V 钢高得多。（1）加工工艺：锻造，锻后缓冷等温退火（温度 870，等温温度 730，随炉
16、缓冷到 550 出炉 空冷），硬度为 207-225 HBS。 淬火（1030-1120 、油淬）+回火（温度 580-620 、 2h），回火二次；硬度为 48-49HRC。（2）应用：HM1 钢是目前国内研制的高强韧热模钢中应用广泛，寿命长的新钢种。适于制作高 温高负荷，急热急冷水冷条件下工作的压力机和轴承环热锻凹模，高强度和高热强钢零件的 精锻模，热挤压模，铝和铜合金的压铸模等，使用寿命可比 3Cr2W8V、5CrNiMoV 钢制模 具提高 1-4 倍。 4、4Cr3Mo3W4VNb(GR)钢： 属钨钼系热作模具钢，具有高的回火抗力和高的热强性；耐冷热疲劳性、热稳 定性、耐磨性及高温强度
17、明显高于 3Cr2W8V 钢；淬透性、冷热加工性好。（1）加工工艺：锻造，锻后缓冷等温退火（温度 850，等温温度 720 ，炉冷至 550 出炉空冷） 淬火（温度 1160） +回火要求高韧性及塑性，选用较低淬火温度；要求高的高温强度及回火稳定性，则选用较高淬火温度；回火温度：630 、600 ，二次回火，每次 2-3h，若形状复杂的大模具，可采用三次 回火，回火后硬度为 50-54 HRC。（2）应用：用于齿轮高速锻造、精密锻造、轴承套圈热挤压、小型机锻模具等方面。与3Cr2W8V 钢制模具相比，使用寿命大幅提高。(四) 基体钢：基体钢中有多个钢种是冷、热兼用的模具钢。如 O12Al、5C
18、r4W5Mo2V（RM2） 6Cr4Mo3Ni2WV (CG-2) ，多用于热挤压模。1） 012Al 钢：作热作模具钢使用，耐热疲劳性和热稳定性比3Cr2W8V 高，热强性高于铬系 钢。用于热挤压模、机锻模寿命均高于 3Cr2W8V 钢。2） 6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2)钢：室温和高温强度、热稳定性高于 3Cr2W8V 钢，耐热疲劳性 较好，但高温冲击韧度低于 3Cr2W8V。可用于热挤、热镦、热锻、冷挤、冷镦模具。 3）5Cr4W5Mo2V(RM2)钢 ：有较高强度和热稳定性，在 50HRC 时的热稳定性可达 700， 抗磨损性能好。适于制作小截面热挤、高速锻及滚锻模具。三、压铸模
19、用钢以钨系、铬系、铬钼系热作模具钢为主。要求不高时，可用合金工具钢或合金结构钢，如 40Cr 、 4CrSi、 30CrMnSi、4CrW2Si、 5CrW2Si、5CrNiMo、5CrMnMo； 要 求 较 高 时 ， 采 用 4Cr5MoSiV 、 4Cr5MoSiV1 、 4Cr5W2VSi 、 4Cr5Mo2MnVSi 、 3Cr3Mo3W2V、 4Cr3Mo2MnVNbB、3Cr2W8V 钢。注：黄色是常用的压铸模具钢。1、3Cr2W8V 钢：用于制造热成形模具已有 70 多年的历史，至今仍广泛使用，尤其在压铸模中应用最多。 (1)主要性能特点：具有高的抗回火软化能力和二次硬化效应（
20、600时，硬度仍可保持 40HRc）；屈服强度 高达 950MPa；高的高温强度和耐磨性。缺点：含钨多，碳化物不均匀性和偏析倾向大，韧性较差；抗氧化和热疲劳能力较差，易 产生热疲劳裂纹而断裂失效。应用：适合制作在高温下长时受热、不受急冷急热、动负荷较小的压铸模具。 2）热加工工艺： 反复锻造，锻后快冷至 700缓冷退火淬火+回火 采用不完全退火：830-850加热，40h 的速度炉冷 400出炉空冷； 也可采用等温退火：等温温度，710-740，然后炉冷至 500以下，出炉空冷，退火硬度：207-255 HBS。淬火：1050-1150、油冷或分级淬火；回火：550-650、回火 2 次。2.
21、 4Cr5Mo2MnVSi(Y10)和 4Cr3Mo2MnVNbB(Y4)钢Y10 成分接近 H13 钢；Y4 成分接近 HD 钢都属高强韧性热作模具钢。和 3Cr2W8V 钢相比，抗热疲劳性、冲击韧性和抗热溶蚀性高。但热硬性稍差。应用：主要用于铝合金和铜合金压铸模具，使用寿命较 3Cr2W8V 提高 1-10 倍。也可用于热 挤压模和热锻模，效果也较好。三、其它热作模具材料1、热冲裁模具用钢1) 热作模具中，热冲裁模具工作温度低，对材料性能要求宽；2) 几乎所有热作模具材料都可用于热冲裁模具；选材时，可重点考虑材料经济性和生产管理 上的方便；3）推荐：5CrNiMo、4Cr5MoSiV、4C
22、r5MoSiV1、4CrW2Si 和 8Cr3 等，其中 8Cr3 钢是使用较多的钢种。2、非铁金属材料1）硬质合金硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，还有良好的热稳定性、抗氧化性和耐蚀性，可用于 制作某些热作模具。例：W-Co 类硬质合金(常制成镶块)可用于热切边凹模、压铸模、以及工作温度较高的热挤 压凸模或凹模等。实例：气阀挺杆热镦挤模，原采用 3Cr2W8V 钢制作，热处理后的硬度为 49-52HRC，使用 寿命 5000 次；在模具工作部分采用 YG20 硬质合金镶块，模具寿命提高到 15 万次。 奥氏体不锈钢钢结硬质合金和高碳高铬合金钢钢结硬质合金也可用于制作热作模具。 例 ST60
23、钢结硬质合金制作 Cu 热挤压模和热冲孔模、热平锻模等。3、铜合金制作压铸模具1） 制作黑色金属压铸模具：铜合金导热性好，散热快，可使模具的温升和温度梯度大为降 低，降低了模具的应变和应力，使其强度足以承受压铸时的压力，同时也减轻了热疲劳的作 用。此外，铜合金弹性模量低，热膨胀系数较小，不会发生组织变化，故所制作的模具在工 作过程中性能及尺寸稳定。2） 用于压铸模的铜合金有铍青铜合金、铬锆钒铜合金和铬锆镁铜合金。热处理工艺：固溶处理+时效。用这些铜合金制作的钢铁件压铸模，使用寿命常常远高于各种热作模具钢。（一）凹模、冲头选材分析（10 分）1、工作特点和受力分析1） 坯料温度高（9501050
24、 ）-模具易软化，氧化和热疲劳.2） 冲击力大、速度快，局部易应力集中，造成塑性变形和断裂.3） 摩擦剧烈（高温、高压） -易发生强烈摩擦磨损.4） 急热急冷-产生循环热应力，使模具出现疲劳磨损与疲劳裂纹，并导致开裂.2、锤锻模的主要失效形式-磨损, 塑性变形, 断裂。统计表明，磨损、塑性变形失效约占 70，断裂(裂纹)约占 30，一般下模较上模易失效。 从失效部位看，型腔中水平面和凸台易发生塑性变形，侧面易出现磨损，型腔深处以及燕尾 凹圆角半径处易断裂。3、选材：5CrNiMo 钢(1) 主要性能特点及应用：具有良好的综合力学性能和淬透性；（硬度 40-48HRC，抗拉强度 1200-140
25、0MPa，冲击韧度 40-70Jcm2）第二类回火脆性不敏感。(2) 热加工工艺：锻造退火（完全退火或等温退火）淬火和回火（淬火预热温度 600-650， 加热温度 830-860 、油淬；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660），锻模燕尾部 分回火温度较其他部位高 100左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效）。 （二）辅助零件下顶料杆、M12×45 螺栓选材分析（10 分）1、下顶料杆：受力不大，要求有一定硬度和耐磨性，可选用 T8 钢。热处理工艺：淬火+低温回火2、M12×45 螺栓：对高速锤锻模，其受力复杂，要求有较好的强韧性和抗疲劳性能，可选 用标准螺栓件或调质钢 40Cr。热处理工艺：淬火+高温回火。