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1、第四部分,热作模具材料及热处理,?,热作模具主要用于高温条件下的金属成形，使,加热的金属或液态金属获得所需要的形状。,?,按用途可分为,热锻模,、,热镦模,、,热挤压模,、,压,铸模,和,高速成形模具,等。,?,通常在,反复受热,和,冷却,的条件下工作，变形加,上的时间越长，受热就越严重。模具表面温升,常达,300,一,700o,C,之间，要求有较高的热强性、,热疲劳性和韧性，常选用中碳,(w,c,0.3,一,0.6,),合金钢来制作。,第一节,热作模具材料的主要性能要求,?,工作特点,：热作模具是在,机械载荷,和,温度,均发,生循环变化情况下工作的。,?,热作模具材料分类,：按照,工作温度,
2、和,失效形式,不同，可将热作模具材料分为,低耐热高韧性钢,(350,一,370o,C),、,中耐热韧性钢,(550,一,600o,C),、,高耐热钢,(600,一,650o,C),等。有特殊要求的热作,模具也可以采用奥氏体型耐热钢、高温合金或,硬质合金，甚至是难熔合金来制造。,一、热作模具材料的使用性能要求,?,评价热作模具钢的性能指标：室温和高温,使用条件下的硬度,强度,韧度等。,?,热作模具材料使用时一般有七个方面的性,能要求：,（,1,）硬度,热作模具钢的硬度为,40-52HRC,。通常,模具钢的硬度取决于,马氏体中的碳含量,、,钢的奥氏体化温度,和,保温时间,。,应该指出的是：,钢的最
3、佳淬火,温度,要通过该钢的“淬火温度,晶粒度,硬度”关系曲线来选择；,马氏体中的二次硬化,则与钢,的合金化程度有关系，随着回火,温度的升高，马氏休中的碳含量,虽然降低，但如果特殊碳化物呈,弥散析出并促使残余奥氏体转变,成马氏体，则模具钢的高温硬度,将会提高。,（,2,）强度,强度,是模具整个截面或某个部位在服役,时抵抗静载断裂的抗力。,在压缩条件下工作的模具，可测试其,抗压强度,。用拉伸试验测定一定温度下的,抗拉强度,?,b,和屈服点,?,s,，,般模具不允许发,生永久的塑性变形，所以要求具有高的屈,服强度。,而当模具钢的塑性较差时，一般不用,抗拉强度而用,抗弯强度,?,bb,作为力学指标，,
4、抗弯试验产生的应力状态与许多模具工作,表面所处的应力状态极其相似，能精确地,反映构料的成分和组织对性能的影响。,(3),冲击韧度和断裂韧度,冲击韧度,是衡量模具材料在冲击,载荷作用下抵抗破断的能力。材料的,冲击韧度,(a,k,),越高，热疲劳强度也会越,高。所以，应采用合理的锻造及热处,理方法和工艺参防止碳化物偏析和,品粒粗大，减少淬火应力，提高钢的,韧性。,断裂韧度,则表征了裂纹纹失稳扩,展的抗力，对热作模具还要求具有另,外一些特殊的性能。,（,4,）热稳定性,热稳定性,表征钢在受热过程中保,持组织和性能稳定的能力。,通常，钢的热稳定性可用回火保,温,4h,，硬度降到,45HRc,时的最高加
5、热,温度表示。对于原始硬度低的材料，,也可用保温,2h,，使硬度降到,35HRc(,一,般热作模具堆积塌陷失效的硬度,),的最,高加热温度定为该钢的热稳定性指标。,（,5,）回火稳定性,回火稳定性,是指随回火温度的升高，,材料的强度和硬度下降的快慢程度，也称,为抗回大软化能力。通常以钢的“回火温,度,硬度”变化曲线表示。它与热稳定件,共同表征模具在高温下的变形抗力。,（,6,）热疲劳抗力,热疲劳抗力,表征了材料热疲劳裂纹萌,生前的工作寿命和萌生后的扩展速率：热,疲劳通常以,20,一,750o,C,条件下反复加热冷却,时所发生裂纹的循环次数或当循环一定次,数后测定的裂纹长度来确定。,（,7,）抗
6、热磨损与抗氧化性能,抗热磨损,是热作模具的重要使用性能,要求，因为绝大多数锤锻模及压力机模具,都因磨损而失效。国内已有单位在自制的,热磨损机上进行热作模具钢的高温度损试,验，收到较好的效果。由于热作模具往往,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，会发生氧化，,加剧模具工作过程中的磨损，并在模具表,面产生腐蚀沟，成为热疲劳裂纹的起源。,因此要求模具材料具有在工作温度下的抗,氧化性能。,二、热作模具材料的工艺性能要求,模具的加工费用约占普通模具成本的一半以,上，模具材料的工艺性好坏，直接关系到模具材,料的推广和应用。,1,锻造工艺性,钢的高温强度越低，伸长率越大，,材料的
7、锻造变形抗力越小，成形工艺性越好。,2,淬火工艺性,淬火工艺性好的模具材料容易保证,淬火质量，从而允分发挥材料的性能潜力，达到,设计的使用寿命要求。,3,切削工艺性,切削加工费用约占模具加工成本的,90,，切削加工的难易程度将直接影响钢种的推,广采用。,第二节,热作模具材料及热处理,一、低耐热高韧性热作模具钢及热处理,这类钢主要用于各种尺寸的锤锻模、平锻机锻,模、大型压力机锻模等，是在高温下通过冲击加,压强迫金属成形的工具，锻模型腔与炽热的工件,表面会产生剧烈摩擦。由于在锻造过程中，模具,型腔表面与被加热到很高温度的锻坯接触，使模,具表面常生温到,300,一,400o,C,，有时局部可达,50
8、0,一,600o,C,。锻模的截面较大而型腔形状复杂，因此要,求钢具有一定的高温强度和良好的冲击韧度、高,的硬度与耐磨件、耐热疲劳性好、淬透性大，并,具有良好的导热性以利于散热，避免型腔表面温,度过高而降低力学性能，此外还应具有良好的工,艺性和抗氧化性。,为了满足上述性能，高韧性热作模,具钢中,不能,含有太高的碳及碳化物形成,元素，碳的质量分数应控制在,0.3,一,0.5,，同时加入少量的,Cr,、,Mo,、,V,、,Ni,、,Mn,、,Si,等以提高淬透性及热强性，,加入少量的,Mo,、,W,有助于消除高温回,火脆性。常用的高韧性热作模具钢有,5CrNiMo,、,5CrMnMo,、,4CrM
9、nSiMoV,三种，试用的有,5Cr2NiMoV,及,45Cr2NiMoVSi,等。,(,一,)5CrNiMo,钢,1,力学性能,5CrNiMo,钢是,20,世纪,30,年代初应用至,今的传统,热锻模具钢,，国内应用广泛。它具,有很高的淬透性，如截面,300mm,?,400mm,的锻模，自,820o,C,油淬和,560o,C,回火后，截,面各处的硬度比表面仅低,l0,一,20HBS,。,5CrNiMo,钢的塑性、韧性良好，尺寸效应,不敏感,。由于碳化物形成元素含量不高，二,次硬化效应弱故,热稳定性较差，热强性不,高,，通常在,400o,C,以下工作可保持较高的强,度，超过,400o,C,时强度
10、便急剧下降，模具温,升到,550o,C,时，,?,b,与温室比较下降近一半。,2,工艺性能,5CrNiMo,钢的临界点：,Ac1,为,730o,C,；,Ac3,为,780o,C,；,Ms,为,230o,C,。,(1),锻造：,市场上供应的钢材存在着纤维组织，直,径越大，偏析就越严重。对于制造承受高负,荷或大型模具的坯料，要经过各向锻造的过,程并进行,锻粗,和,拔长,，其交替进行的次数,应不少于,2,3,次。锻坯的加热温度为,1100o,C,1150o,C,，始锻温度为,1050,l100o,C,，,终锻温度为,800,850o,C,，砂冷或坑冷。,(2),退火,退火工艺曲线如图,4,1,和图,
11、4,2,所示。,图,4-1 5CrNiMo,钢,图,4-2 5CrNiMo,钢,锻轧后一般退火工艺,锻轧后等温退火工艺,(3),淬火,经,600,650o,C,温度预热后加热到,830,一,860o,C,，保温后油淬。,5CrNiMo,钢的模块如,果出油温度低，容易淬裂，常在,200o,C,左右,出油，但心部未转变成马氏体的过冷奥氏体，,在回火时会转变成上贝氏体组织，冲击韧度,极低，寿命短。为此可采用,等温处理,的方法，,先将模具淬入,150o,C,的油中，再转入,280,一,300o,C,硝盐浴中停留,2,3h,，获得“,马氏体,+,下贝氏体,+,少量残余碳化物,”组织，这样模,具的寿命会明
12、显提高。,(4),回火,淬火后的模具应立即移入回火炉中,进行回火，回火工艺如表,4,1,所示。热,锻模的燕尾与模体应以不同温度回火，,保证燕尾部分的韧性，避免燕尾的开裂,失效。,表,4-1 5CrNiMo,钢的回火工艺,3,应用,很多国家在大型热镊模方面主要使用,5CrNiMo,钢，通用性强，大、中、小模块、,深浅槽的模块均可用,5CrNiMo,。目前国内,主要用于制造形状复杂、冲击载荷较重的,大型及特大型锻模,(,最小边长,400mm),。,由于,5CrMnMo,及新钢种的研制成功，,5CrNiMo,的应用范围在逐渐缩小，此钢的,热强性和耐磨性也不如高强度热作模具钢，,故不适宜制作受冲击力大
13、的中、小型锻模。,(,二,)5CrMnMo,钢,1,力学性能,考虑到我国的资源情况，为节省镍,而研制成的,5CrMnMo,钢。其强度略高,于,CrNiMo,钢，但用锰代镍降低了其在,常温及较高温度下的塑性和韧性，而且,5CrMnMo,钢的淬透性比,5CrNiMo,钢的,淬透性要低，过热敏感性稍大，在高温,下工作时，其热疲劳性能也较差。,2,工艺性能,5CrMnMo,钢的临界点；,A,c1,为,710o,C;A,c3,为,760o,C;M,s,为,220o,C,。,(1),锻造,：,5CrMnMo,钢锻造工艺参数和,5CrNiMo,钢,相同，注意须防止模具开裂：,(2),退火,：等温退火加热温度
14、为,850,870o,C,，等温,温度为,680o,C,。退火后店硬度为,197,24lHBS,。,(3),淬火,；在加热温度为,840o,C,一,860o,C,时油淬，冷,却至,150,180o,C,出油并立即四火。为减少变形及,开裂淬火时最好延时冷却，即先空冷到暗红色,大约,740,一,780o,C,左右灭人油淬火。,(4),回火,：回火工艺如友,4,2,所示。,表,4-2 5CrMnMo,钢的回火工艺,3,应用,与,5CrNiMo,钢相比，由于,5CrMnMo,钢,的淬透性及韧性均较低，只适用于制造一,些对强度和耐磨性要求较高，而韧性要求,不甚高的各种少、小型锤锻模具及部分压,力机模块,
15、(,最大边长,400mm),。也可用于,工作温度低于,500o,C,的其他小型热作模具。,（三）,4CrMnSiMoV,钢,1,力学性能,4CrMnSiMoV,钢是原冶金部标准中推,荐使用的,5CrMnSiMoV,钢的改进型。碳的,质量分数降低了,0.1,，目的是在保持原有,强度的基础上提高钢的韧性。该钢无镍，,但具有较高的强度、耐磨性、冲击韧度及,断裂韧度，其冲击韧度与,5CrNiMo,相近或,稍低，而高温性能、抗回火稳定性、热疲,劳抗力好于,5CrNiMo,钢，主要用于大型锤,锻模和水压机锻造用模。,5CrMnSiMoV,钢,可以代替,5CrNiMo,钢。,2,工艺性能,4CrMnSiMo
16、V,钢的临界点：,A,c1,为,792o,C,；,A,c3,为,855o,C,；,M,s,为,330o,C,。,(1),锻造,钢坯加热温度为,ll00,一,l140o,C,，始锻温,度为,1050,1100o,C,，终锻温度,850o,C,，,加热的温度和时间不宜过高过长，锻后进,行砂冷或坑冷。为减少脱碳现象，大型锻,件应在锻后放入,600o,C,的炉内，待温度均匀,后，再冷却至,150,200o,C,，然后出炉空冷。,(2),退火,等温退火加热温度为,840,860o,C,，等温温度为,700,一,720o,C,。,(3),淬火,大型锻模的淬火温度为,870,一,900o,C,，中、小型,锻
17、模的淬火温度为,900,930o,C,。,(4),回火,回火工艺如表,4,3,所示。,表,4-3 4CrMnSiMoV,钢的回火工艺,如果制作大型锻模，由于尺寸很大，淬,火时的应力和变形比中、小型模具大，工,作时应力分布不均匀，需要有较高的韧性，,硬度选取较低。,3,应用,该钢可代替,5CrNiMo,钢，适用于大、,中型锻模，也可用于中、小型锻模，寿命,明显比,5CrNiMo,钢高。例如制作连杆模、,前梁模、齿轮模、凸缘节模,(,深型模,),等可提,高寿命,0.1,0.8,倍不等，用作矫正模、弯曲,模和平锻机锻模，一般寿命都比,5CrNiMo,高出,0.5,倍。,（四）,5NiCrMoV,钢和
18、,5Cr2NiMoVSi,钢,从,20,世纪,50,年代以来，我国厚度小于,250mm,的模块多采用,5CrMnMo,钢制造，大于,250mm,的,模块一直都用,5CrNiMo,钢制作。与西方国家的常,用钢号相比，碳化物形成元素含量低，热稳定性,差，高温强度低，钢中不含钒，淬硬性较低，抗,热磨损和抗热疲劳性能差，模具寿命短。从,20,世,纪,80,年代起，我国研制了类似钢号,5NiCrMoV,，,推荐将,5NiCrMoV,钢用于大型、复杂形状、重载,荷的锤锻模和压力机锻模。,5Cr2NiMoVSi,钢主要添加了一定量的钒和硅，,将碳、镍、铬、铜等元素含量合理搭配，从而使,得其高温强度大幅度提高
19、，且具有更高的淬透性,和热稳定性。,1,力学性能,在,500o,C,以下时，,5Cr2NiMoVSi,钢的高温强,度与,5CrNiMo,钢相近；而当高于,600o,C,时，,5Cr2NiMoVSi,钢的强度却高出一倍以上。热稳定,性温度提高,150,170o,C,。对于,500mm x 500mm,截面的锻模，心部硬度较,5CrNiMo,钢高出,13HRC,。,2,工艺性能,5Cr2NiMoVSi,钢的临界点：,A,c1,为,750o,C;A,c3,为,874o,C;M,s,为,243o,C,。,(1),锻造,：始锻温度为,1200o,C,，终锻温度为,900o,C,，,铜坯加热温度范围较宽，
20、锻造合格车高。,(2),退火,：等温退火加热温度为,800o,C,，等温,温度为,720o,C,。,(3),淬火与回火,：淬火、回火工艺如表,4,4,所,示。,推荐淬火温度为,960,一,980o,C,，型腔回,火温度为,630,一,670o,C,，燕尾回火温度为,680,一,700o,C,。,表,4,4 5Cr2NiMoVSi,钢淬火、回火工艺,3,应用,5NiCrMoV,钢主要用于大型锻模，,代替,5CrNiMo,钢；,5Cr2NiMoVSi,钢,主要用于各类压力机模具和,3t,锤锻模，,平均使用寿命比,5CrNiMo,钢提高,0.5,1,倍。而,10t,的锤锻模可以选用,45Cr2NiM
21、oVSi,钢，例如制造“,75,拖”,大从动齿轮锻模，使用寿命比由德国,进口的,55CrNiMoV6,钢模具提高,0.5,倍。,二、中耐热韧性热作模具钢及热处理,许多热挤压模、热镦锻模、精锻模以及锻压机、高,速锤上的模具等都是在繁重的条件下工作的。这些模具,工作时需较长时间与被加工的金属相接触，受热温度往,往比锤锻模具要高，特别是当加工黑色金属及难熔金属,时。这类模具尽管尺寸不是很大，往往比锤锻模要小，,但承受着较高的应力，挤压比大的模具和细长的心棒承,受的应力更高。所以要求具有高的热稳定性、比较高的,高温强度和耐热疲劳性以及高的耐磨性。,中等耐磨性韧性钢,，主要有,5wt.,的铬型热作模具,
22、钢和铬钼系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化,物形成元素，其韧性及耐热性介于高韧性及高热强性热,作模具钢之间。我国从,20,世纪,60,年代开始引进开发这类,钢号，用量逐渐扩大，,现已成为主要的热作模具钢,。,(,一,),含,5wt.,铬的铬系热作模具钢,1,H11,钢,(4Cr5MoSiV),4Cr5MoSiV,钢中,w,v,0.4,左右，简称,H11,钢，,其淬透性很好，直径在,150mm,以下的钢材可以空,冷淬硬，在中温下的热强性和耐磨性都较高，韧,性较好，甚至在淬火状态下也有一定的韧性，抗,热疲劳性特好，因此用,H11,钢制作高速锤锻模非,常理想，有时也用作压铸模和挤压模。,(1)
23、,锻造,：,H11,钢碳的质量分数为,0.4,，热塑性较,好，当锻制大型锻件时，先缓慢加热到,750o,C,再,快速加热到,I120,1150o,C,的锻造温度，减少氧化,和脱碳；始锻温度为,1080,l120o,C,，终锻温度,850o,C,，锻后缓冷并及时退火。,(2),退火,：加热温度为,880o,C,，等温温度为,750o,C,，炉冷到,500o,C,以下出炉空冷，获得,粒状珠光体组织，退火硬度为,192,235,HBS,，最好在可控气氛炉中进行。,(3),淬火、回火,：淬火时不需预热，可直接,加热到,1000,一,1020o,C,油淬或分级淬火，硬,度约,50,52HRC,，经,54
24、0,600o,C,回火，模,具硬度在,40,一,50HRC,范围内。,该钢在,200o,C,以上随回火温度升高，,a,K,值下降，在,500o,C,左右冲击韧度最低，,所以应避免在,500o,C,附近回火或进行化学,热处理。,2,H13,钢,(4Cr5MoSiV1),H13,钢是国际上广泛应用的一种空冷硬化型,热作模具钢，即美国钢号为,ASTM-H13,，日本钢,号为,JIS,SKD61,，我国在“八,五”期间将,H13,钢列为国家重点推广的钢种，目前国内已经有多,家钢厂在生产。,H13,钠比,H11,钢的钒含量高，其质量分数一,般在,1,左右，热强性和热稳定性高于,H11,钢。具,有较高的韧
25、性和耐冷热疲劳性能，不易扩展,(K,?,K,c,),。可以制作热锻模或模腔温升不超过,600o,C,的压铸模。,H13,钢的临界点：,A,c1,为,853o,C;,A,c3,为,912o,C,；,M,s,为,310o,C,。,(1),锻造,：锻造工艺参数与,H11,钢相同，但考虑到其,内部存在着严重的碳化物偏析，要求锻造比大于,4,，以破碎亚稳定的共晶碳化物。,(2),退火,：等温退火加热到,800o,C,，保温,2h,，降温至,750o,C,等温,2,4h,，炉冷到,500o,C,出炉空冷，硬度,为,192,229HBS,，锻后必须立即进行球化退火。,(3),淬火和回火,；,H13,钢与,H
26、11,钢的不同之处在于，,淬火前需经二次预热，然后加热到,1020,一,l050o,C,，,油淬的硬度为,53,55HRC,；也可以采用空淬或分,级淬火，经,560,630o,C,回火，可获得硬度,40,50HRC,。,H13,钢的回火或化学热处理温度同样要,避开,500o,C,，但不宜超过,650o,C,。,3,4Cr5W2SiV,钢,(,958),4Cr5W2SiV,钢的钒含量,w,v,0.6,一,1.0,，用,2wt.,的钨代替,1wt.,的钼，从,4Cr5MoSiV1,钢演变而来，性能,与,H13,钢颇为相似，锻造、热处理工艺参数与,H13,钢相近。,w,cr,5,的铬系热作模具钢，在
27、,500,一,600o,C,时具有比高韧,性热锻模具钢更高的硬度、热强性和耐磨性，而韧性高,于,3Cr2W8V,等高耐热模具钢，含有硅和铬,其抗氧化性较,好，是目前国内通用性较强的热作模具钢。,对于铝型材的挤压模具，采用,H13,钢制造的空芯模平,均寿命是,12t,副，平面模寿命在,15t,副以上，比原用,3Cr2W8V,钢延长,3,5,倍，用于机锻模的,H11,和,H13,钢代替,5CrNiMo,及,3Cr2W8V,钢，模具寿命提高,2,3,倍，用作辊,锻模具，最高寿命己达,5,万件,比原用,3Cr2W8V,钢高出,3,倍，,在轴承行业中代替,3Cr2W8V,制造碾压辊，寿命提高,2,一,3
28、,倍。,(,二,),铬钼系热作模具钢,这类钢中碳含量较低，是在国外钢号,3Cr3Mo3CoV,的基础上发展而来其回火抗力及热稳定性高于,5,铬,系钢，冲击韧,a,k,和断裂切度,K,c,高于,3Cr2W8V,钢。,l.HM,一,1,钢,(3Cr3Mo3W2V),和,HM,一,3,钢,(25Cr3Mo3VNb),HM,一,1,钢是参照国外,H10,钢,(4Cr3Mo3SiV),和,3Cr-,3Mo,系的热作模具钢，结合我国资源的特点而研制的，,加入,2wt.,的钨形成,HM,l,钢。,HM,一,3,钢则是在碳含量较低,(w,c,0.25,),的模具钢,基础上加入了微量的元素铝,(w,Nb,0.0
29、8,一,0.15,),，使,钢保持高的强度和热稳定性。,HM,一,1,钢的冷热疲劳抗力,比,3Cr2W8V,钢高得多，同时还有较高的韧性。,HM,一,3,钢在,600o,C,以上的高温强度高于,4Cr5W2SiV,钢，但当试,验温度低干,600o,C,时强度不如,4Cr5W2SiV,钢。,HM,一,1,钢的临界点：,A,c1,为,842o,C;A,c3,为,922o,C;M,s,为,373o,C,。,HM,一,3,钢的临界点：,A,c1,为,825o,C;A,c3,为,920o,C;,M,s,为,355o,C,。,(1),锻造,：加热温度为,l150,l180o,C,，始锻温度为,1120,1
30、150o,C,，终锻温度,?,850o,C,。对,HM,一,1,钢要求锻后必须缓,冷，并及时进行退火。,(2),退火,；,HM,l,钢采用等温球化退火，其加热温度为,870o,C,，等温温度为,730o,C,，炉冷到,550o,C,以下出炉空冷，,退火后硬度为,207,225HBS,。,HM,一,3,钢采用等温球化,退火，其加热温度为,860o,C,，等温温度为,710o,C,，炉冷到,550o,C,以下出炉空冷。,(3),淬火和回火,：,HM,l,钢在,1030,l120o,C,范围内淬火时，,可获得,52,55HRC,的硬度，具体工艺可根据工件要求选,用。回火温度在,580,一,620o,
31、C,之间选择，回火二次，每次,2h,。,HM,一,3,钢的淬火温度为,1080o,C,，回火温度为,560,一,630o,C,，,回火二次。,25Cr3Mo3VNb,钢,(HM,一,3),对热锻成形凹模、连杆辊,锻模、轴承套圈毛坯热挤压模、高强钢精锻模、小型压力,机锻模、铝合金压铸模等都有良好的应用。,HM,一,3,钢模具寿命比,3Cr2W8V,、,5CrNiMo,、,4Cr5W2VSi,钢制模具提高,2,一,i0,倍，可有效地克服模具因,热磨损、热疲劳、热裂等引起的早期失效。,HM,一,1,钢是目前国内研制的新钢种中工艺性能好、,使用面广、具有广阔应用前景的高强韧性热作模具钢。,HM,一,1
32、,钢用作轴承套圈毛坯热挤压凸模、凹模，碾压辊,及辊锻模均取得显著效果，模具平均寿命达,1,2,万件最,高达,3,万件以上，比原用,3Cr2W8V,、,5CrMnMo,钢等模具,寿命普遍提高,2,5,倍，高的达,19,多倍。该钢更适宜作为压,铸模的材料，在铝压铸模等应用上取得明显效果。,2,析小硬化型热作模具钢,PH,钢,(2Cr3Mo2NiVSi),析出硬化热作模具钢在淬火和低温回火后,的硬度约为,45HRC,，可以加工成模具直接使用，,避免热处理淬火变形及产生表面的氧化、脱碳。,模具在使用过程中表层受热升温，析出特殊碳,化物,MoC,、,VC,，形成二次硬化，表而硬度可提,高到,48HRC,
33、，增加了高温强度和耐热性且心,部具有高的韧性。由于组织转变层很薄，因此,没有变形。为了具有良好的切削加工性能，,PH,钠中加入了,0.05,一,0.12,的锆等微量合金元素，,使条状,MnS,夹杂变成纺锤状硫化物，并使铝酸,盐夹杂变成球状钙铝酸盐夹杂，从而改善了钢,的横向冲击韧度及切削加工性能。,PH,钢的临界点：,A,c1,为,776o,C,，,A,c3,为,851o,C,，,M,s,为,672o,C,。,(1),锻造,：始锻温度为,1000,一,1100o,C,，终锻温度,?,850o,C,，锻后炉冷。,(2),退火,：,780o,C,加热,?,40o,C/h,的速度冷却到,680o,C,
34、后,随炉冷却，退火后硬度为,217,229HBS,：,(3),淬火及回火,：淬火加热温度为,990,1020o,C,，截,面边长,?,100mm,时采用空冷，截面边长大于,100mm,时采用油冷。在,370,400o,C,回火一次，,硬度在,45HRC,左右。,PH,钢适用于在,5()(),600o,C,范围内工作的热,锻模具，如果模具工作表面升温至,525,550o,C,，,析出硬化后的硬度值可升到,48HRC,，常用于制,作啮合齿轮模和连杆模等，使用寿命较,H11,钢提,高,倍。,三、高耐热热作模县钢及热处理,高耐热热作模具钢主要用于较高温度下工作的热顶,锻模具、热挤压模具、铜及黑色金属的
35、压铸模具、压力,机模具等。其中压力铸造是在高的压力下，使熔融的金,属挤满型腔而压铸成形，在工作过程中模具反复与炽热,金属接触，因此要求具有较高的回火抗力及热稳定性。,属于此类的钢中应用得较多较早的有,3,个钢号：,3Cr2W8V,、,5Cr4W5Mo2V(RM,一,2),、,5Cr4Mo3SiMnV,Al,(012A1),钢。另外还有几个试用得较好的钢号：,4Cr3MoW4VNb(GB),、,6Cr4Mo3Ni2WV(CG,一,2),、,4Cr3Mo2NiVNbB,HD),、奥氏体耐热钢等。这类钢的钨、,钼含量较高，比前两类热作模具钢在高温下有更高的强,度、硬度和耐磨性，组织稳定性好，但其韧性
36、和抗热疲,劳性能不及低耐热韧性热作模具钢。,（一,)3Cr2W8V,钢,3Cr2W8V,钢是钨系高耐热热作模具钢的代表钢号。,早在,20,世纪,20,年代开始就用于生产，由于钨含量高，,在温度不小于,600o,C,时，钢的高温强度和硬度明显要高,于铬系热作模具钢。,1,力学性能,3Cr2W8V,钢的主加元素刚好是,W18Cr4V,高速钢的,一半因此又称为半高速钢。含钨越高，钢的热稳定,性越高，耐磨性越好。铬能增加钢的淬透性，虽因冷,热疲劳抗力差，在急冷、急热条件下工作时容易产生,冷热疲劳裂纹而失效，但其抗回火能力较高，在,550o,C,回火时会出现二次硬化峰，淬火温度越高，二次硬化,峰值的硬度
37、越高，热强性越好。由于,W,2,C,的析出，在,650o,C,时，冲击韧度最低，因此高温韧性较差。,2,工艺性能,3Cr2W8V,钢的临界点：,A,c1,为,830o,C,，,A,c3,为,920o,C,，,M,s,为,350o,C,。,(1),锻造,：钢坯加热温度为,1130,一,1160o,C,，始锻温度为,1080,1120o,C,，终锻温度为,900,一,850o,C,，锻后先在空,气中冷却到约,700o,C,，随后缓冲,(,砂冷或炉冷,),。,(2),退火,：等温退火的加热温度为,840,一,880o,C,，等温温度,为,720,740o,C,，退火状态的组织为铁素体基体上分布,着,
38、Fe,3,W,3,C,和,Cr,23,C,6,，退火硬度不大于,241HBS,。,(3),淬火及回火,：为了提高模具的强韧性，可以采用高温,淬火加高温回火工艺，即,l140,11500o,C,淬火，,650,680o,C,回火，适用于承受动载荷较小的模具。,对于在动载荷下工作的小模具或大型模具，可选用,1050,一,1100o,C,常规淬火工艺，油淬硬度为,50,54HRC,，,550,650o,C,回火两次，每次,2h,，回火后硬度为,40,50HRC,。,3,应用,3CrW8V,钢在淬火加热中的脱碳变形倾向较小，热,处理工艺稳定，许多中小型机械厂仍广泛应用，主要用,在压力机锻模、热挤压模、
39、缴锻模、压铸模、剪切刀上。,考虑到,3Cr2W8V,钢的耐热疲劳性和韧性较差，有以下三,种强韧化方法：,(1),高温淬火、高温回火,：,提高淬火温度，能使合金碳化物进一步溶解，奥氏,体的钨含量增加，提高淬火钢的热硬性，在晶粒不粗大,的条件下使热疲劳性能得到提高。例如,3Cr2W8V,钢制的,40Cr,钢销轴热锻模在作用力,1600kN,的摩擦压力机上锻,造，原工艺用,l050,一,l100o,C,淬火，,600,一,620o,C,回火硬,度为,47,49HRC,，使用寿命仅,500,2000,件；改用,1150o,C,淬火后,660,680o,C,高温回火硬度为,39,4lHRC,，,模具寿命
40、达,7000,一,10000,件。,(2),贝氏体等温淬火,3Cr2W8V,钢制的自行车曲柄热成形模，在,3000kN,摩擦压力机上工作。若用常规工艺：,1080o,C,油淬，,580,一,610o,C,二次回火，硬度为,45,48HRC,，平均寿命仅,4500,件；改用,l100o,C,加热，,340,一,350o,C,硝盐浴炉等温淬火，,可获得在马氏体上分布适量下贝氏体的混合组织，从而,提高了裂纹扩展抗力，使模具的平均寿命提高一倍，达,到,9000,件以上，最高达,3.8,万件。,(3),控制淬硬层淬火,采用高温短时间加热，或控制淬火操作，使模具表,面和心部得到不同的淬火加热温度，造成不同
41、的合金度，,在随后淬火时可获得内外不同的组织。例如在,1000,3000kN,摩擦压力机上锻尖嘴钳需用,3Cr2W8V,钢制的热,压模具，按常规工艺，硬度为,46,48HRC,，模具寿命仅,4000,件，就会出现模腔变形塌陷或开裂，而改用高温短,时加热淬火处理的模具，寿命可达,32000,件。,(,二,)RM-2,钢,(5Cr4W5Mo2V),1,力学性能,该钢碳的质量分数属于比较高的，近,0.5,，合金元素总的质量分数为,12,，碳,化物较多，以,Fe,3,W,3,C,为主，因而具有较高,的硬度、耐磨性、回火抗力及热稳定性，,如在硬度为,40HRC,时的热稳定性可达,700o,C,，但是它的
42、碳化物分布不均匀，韧性,较差。,2,工艺性能,5Cr4W5Mo2V,钢的临界点：,A,c1,为,836o,C,，,A,c3,为,893o,C,，,M,s,为,250o,C,。,(1),锻造,：加热温度为,1170,1190o,C,，始锻温,度为,1120,1150o,C,，终锻温度,?,850o,C,，锻,后在,850,一,600o,C,区间应该快冷，以避免网,状碳化物的形成，在,600o,C,以下缓冷。,(2),退火,：加热温度为,870o,C,，等温温度为,730o,C,，炉冷到,500o,C,以下出炉空冷。,(3),淬火及回火,：,1130o,C,淬火并在不同温度,回火后的硬度如表,4,
43、5,所示。当,550o,C,回,火时出现二次硬化峰值，,700o,C,回火时仍,保持,40.5HRC,的硬度。淬火温度超过,1150o,C,时晶粒会明显增大，超过,1200o,C,时,显著增大。,表,4-5 5Cr4W5Mo2V,的回火硬度,(1130o,C,淬火,),3,应用,RM-2,钢比,3Cr2W8V,钢具有较高的,热强性、耐磨性及热稳定性，适于制,作受热温度较高的小型热冲头、热切,边模、精锻模、平锻模、压印机凸模、,热挤压凸模及辊锻模等，使用寿命比,3Cr2W8V,钢普遍延长,2,3,倍，个别模,具可延长,10,一,20,倍。,(,三,)012Al,钢,(5Cr4Mo3SiMnV,A
44、l),012A1,钢是冷、热作兼用模具钢，关于该钢工艺性能,及室温力学性能已在冷作模具有关章节中作了介绍，下面,主要介绍其高温性能及在热作模具上的应用。,1,高温力学性能,由表,4,6,可见，,012Al,钢的热稳定性高于,3Cr2W8V,钢，,说明该钢具有较高的热硬性，热疲劳性也比,3Cr2W8V,钢,优越得多。,2,应用实例,用,012A1,钢制作的热作模具比,3Cr2W8V,钢制的模具使,用寿命更长。在轴承套圈热挤压凸模及凹模上应用，寿命,可提高,5,7,倍；在军品壳体热挤压孟凸模上应用，寿命可,提高,2,倍以上；在轴承穿孔凸模及碾压辊上应用，比,3Cr2w8v,钢提高寿命,2,3,倍。
45、,表,4-4 012Al,钢的热稳定性,(,四,)CG-2,钢,(6Cr4Mo3Ni2WV),CG-2,钢是在高速钢的基体钢,6W6Mo5Cr4V,(,低碳,M2,钢,),的基础上作适当的改进，增加,Ni,含量，,降低,W,、,Mo,含量研制而成的冷、热兼用型基体钢。,1.,力学性能,由于在钢中加入了,2wt.,的,Ni,，提高了,基体的强度和韧性，其室温及高温强度、,热稳定性均高于,3Cr2W8V,钢，但高温冲击,韧度与塑性要低于,3Cr2W8V,钢。,2,工艺性能,CG-2,钢的临界点：,A,c1,为,737o,C,A,c3,为,822o,C,M,s,为,180o,C,。,(1),锻造,：
46、始锻温度为,l140,l160o,C,，终锻温,度,?,950o,C,。此钢锻造性能稍差，要求反复,镦拨三次以上，保证使碳化物均匀分布，,锻后应缓冷并及时进行退火以消除应力。,(2),退火,：,CG,一,2,钢不易退火，故须采用球化退火，,加热温度为,810o,C,，等温温度为,670o,C,，炉冷至,400o,C,以下出炉空冷，退火硬度为,220,一,40HBS,。,(3),淬火及回火,：淬火加热温度为,1100,1130o,C,，,油冷。回火温度在,630o,C,，回火二次，每次,2h,，,硬度为,51,53HRC,。若用作冷作模具，在,540o,C,回火二次，硬度为,59,62HRC,。
47、,3,应用,CG,一,2,钢适于制作热挤、热冲头等模具。曾在轴承,套圈热挤压凸、凹模上应用过，寿命为,3Cr2W8V,钢凸模,的,2,3,倍，热挤压盂凸模，提高近一倍，制作底板，使,用寿命是,3Cr2W8V,钢底板的,3,6,倍。,CG,一,2,钢可用于冷作模具，制作标准件及轴承滚子,的冷镦模、缝纫机零件冷镦模，比,Crl2MoV,钢模具寿命,明显延长。,（五,)GR,钢,(4Cr3Mo3W4VNb),1,力学性能,GR,钢属于钨钢系热作模具钢，其中加入少量的,Nb,是,为了增加钢的回火抗力及热强性。经大气感应炉冶炼的,GR,钢室温及高温力学性能如表,4-7,所示，热稳定性数据,如表,4-8,
48、所示，,4Cr3Mo3W4VNb,钢有比,3Cr2W8V,更高的,屈服强度和热稳定性、冷热疲劳抗力及高温抗压强度，,但是韧性较差。,表,4-7 GR,钢室温及高温力学性能,表,4-8 4Cr3Mo3W4VNb,、,3Cr2W8V,钢热稳定性,(,硬度,HRC),2,工艺性能,GR,钢的临界点：,A,c1,为,821o,C,，,A,c3,为,880o,C,，,A,r1,为,752o,C,，,A,r3,为,850o,C,。,(1),锻造,始锻温度为,1150o,C,，终锻温度,?,900o,C,，锻后缓,冷及时退火。,(2),退火,等温退火加热温度为,850o,C,，等温温度为,720o,C,，,
49、冷却到,550o,C,以下出炉空冷。,(3),淬火及回火,淬火温度在,l160,1200o,C,内选取，若选用的,淬火温度较高，则材料的高温强度及回火稳定件,也较高，反之则塑件和韧性较高。,回火温度分别取,630o,C,和,600o,C,，回火两次，,每次,2-3h,，形状复杂的模具，可进行三次回火，,回火后的硬度约为,50,一,54HRC,。,3,应用,GR,钢主要用于制作热镦和精锻模具，已成,功地应用在齿轮高速锻模具、精密锻造、轴承套,圈热挤压、自行车零件及螺母热镦锻、小型机锻,模、辊锻模上，与,3Cr2W8V,钢相比，寿命提高,数倍至数十倍，效果显著。,(,六,)HD,钢,(4Cr3Mo
50、2NiVNbB),随着少无切削新工艺的发展，常采用热挤压方法来加,工黑色金属及铜合金等有色金属，热挤压模具的工作温度,可达,700o,C,左右，在此条件下，国内广泛使用的,3Cr2W8V,钢及铬系热作模具钢,H13,钢等的耐磨损和冷热疲劳抗力已,不能满足要求，,HD,钢是专为适应,700o,C,左右工作温度而研,制的新型热作模具钢。,1,力学性能,HD,钢的高温力学性能：经,l130o,C,淬火，,650o,C,回火后，,于,650o,C,及,700o,C,进行测量，高温下的屈服强度、塑性和韧,性如表,4-9,所示；经,1130o,C,淬火，不同温度回火的抗回火,热稳定性如表,4-10,所示，
