热变形模具钢

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一、热变形模具的服役条件、失效方式和性能要求： 
        根据工作条件，热成形模具（又称热作模具）可以分为锤锻模、热挤压模、热镦模、精锻模和压铸模。 
        1、锤锻模 
        工作条件：在高温下通过冲击加压，强制金属成形。模具在工作过程中经受巨大的冲击负荷，同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力，被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈的摩擦力，型腔表面经常与高温金属(黑色金属为1100～1150℃,有色金属温度稍低)接触，被加热至300～400℃，局部高达500～600℃。此外用于经常受到反复加热和冷却，极易产生热疲劳损伤。 
        失效方式：型腔尺寸被磨损和产生纵向、横向裂纹，以及网状裂纹(龟裂)，即所谓热疲劳裂纹。 
        性能要求：在工作温度下保持高的强度、良好的冲击韧性、高的热疲劳抗力、良好的抗氧化性、抗热冲刷能力、良好的导热性。 
        2、热挤压模 
        工作条件：热挤压模的受力情况与冷挤压模有相似的一面，热挤压冲头在整个工作过程中的受力状况是承受带弯曲应力的拉压(大压、小压)交变应力(拉压疲劳),也承受一定的多次冲击压缩负荷。另一方面在冷、热应力作用下，冲头又经受热疲劳和冲刷(又称热磨损)。 
        失效方式：热疲劳(龟裂)裂纹和表面磨损 
        性能要求：要求模具材料在工作温度下有高的强度(拉压疲劳强度和弯曲疲劳强度)、高的硬度和高的耐磨性，高的热疲劳抗力、抗氧化性、抗热冲刷能力和良好的导热性。 
        3、压铸模 
        工作条件：在高压下使熔融金属压铸成形，故模具在工作时经受高的压力，反复与炽热金属(有色合金600℃左右；黑色金属压铸温度更高)接触，被反复加热与冷却、工作型腔易产生热疲劳和磨损，且型腔与炽热的金属相接触，易发生化学作用。 
        失效发生：在机械、热和化学介质作用下，模具型腔变得粗糙，产生裂纹、损伤、磨损与腐蚀等。 
        性能要求：高的淬透性，优良的抗热烧蚀性(包括高的热疲劳抗力。抗氧化性和热强性)。
二、锻模用钢 
        我国使用最广泛的锤锻模用钢为5CrMnMo,5CrNiMo。 
        1.化学成分 
        这类钢要求有一定的硬度，又要求有高的冲击韧性。 
        碳：碳含量不宜过高，一般在0.45-0.6%之间。 
        铬：铬可以提高钢的强度，含量在1％左右，能较明显地提高钢的冲击韧性，同时增加钢的淬透性和回火稳定性。 
        镍：镍显著地提高钢的强度和韧性，对于同时含铬、钼的钢来说，镍能大大提高钢的淬透性。 
    锰：锰主要用来代替镍，能显著地提高钢的淬透性，锰增加钢的过热敏感性并引起回火脆性。 
    硅：硅能增加钢的淬透性，提高钢的强度。回火稳定性和耐热疲劳性，但硅含量较高(>1%)使，会增加钢的回火脆性，降低冲击韧性。 
    钼、钒：钼和钒的都能细化晶粒，减少过热倾向，提高钢的回火稳定性，钼还能削弱回火脆性。 
    2、锻造和退火 
    锤锻模用钢由于在工作过程中承受很高的应力和冲击载荷，所以必须具有均匀的组织和性能，这对于大型的或形状复杂的模具尤为重要。因此，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，并进行镦粗和拔长，其交替进行的次数应不少于2～3次。5CrNiMo、5CrMnMo等钢的锻造加热温度为1150～1180℃，终锻温度为850～880℃。为减轻脱碳现象，加热温度不宜过高，加热时间不宜过长。锻造后应进行缓冷。锻坯可进行不完全退火或高温回火。5CrNiMo钢的退火工艺如下：
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钢号	加热温度 (℃)	保温时间 (h)	冷却方法
5CrNiMo	780-800	4-6	炉冷( 50 ℃/h)至～500℃后空冷

    3、淬火和回火 
    小型锻模：由于小型模锻件冷却比较快，强度较高，故锻模需具有较高的耐磨性，硬度应在HRC40～44范围内。 
    中型锻模：中型锻模加工较大的锻件，允许有较低的硬度HRC36～41。 
    大型锻模：大型锻模由于锻模尺寸很大，淬火时的应力和变形比较大，需要有较高的韧性，硬度以在HRC35～38范围内为宜。 
    锤锻模用钢的淬火温度和回火如下：
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钢号	淬火温度(℃)	冷却介质	硬度(HRC)
5CrNiMo	830-860	油	53～58
5CrMnMo	820-850	油	53～58

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钢号	锻模类型	回火温度(℃)	硬度(HRC)
5CrNiMo	小型	490～520	44～47
	中型	520～540	38～42
	大型	560～590	34～37
5CrMnMo	小型	490～520	41～47
-	中型	520～540	38～41

三、热挤压、压铸模用钢 
    许多热挤压模、压铸模需较长时间与高温的金属接触，受热的温度比较高，还要承受较高的应力。 
    此类钢常见的有铬系和钨系，成分如下： 
    1、铬系热变形模具钢 
    铬系热变形模具钢含有大约5％Cr,并加入W、Mo、V、Si。由于含Cr较高，因而有较高的淬透性。加入1％Mo时，淬透性更高，故尺寸很大的模具淬火时也可以空冷。图8-4-1为淬火温度对4Cr5MoSiV钢硬度的影响。 4 K0 D; W& o; W5 o

图8-4-1 淬火温度对4Cr5MoSiV钢硬度的影响

    这类钢具有高的强度和韧性，抗氧化性较好(由于含Cr和Si)，Si、Cr还提高钢的临界点，有利于提高其抗热疲劳性能，加入V可加强钢的二次硬化现象，增加热稳定性。图8-4-2为回火温度对几种钢硬度的影响。 ' Z) T5 b/ N. @* [

图8-4-2 回火温度对几种钢硬度的影响

    2、钨系热变形模具钢 
    钨系热变形模具钢主要用于制作尺寸不大的热锻模、铝及铜合金的压铸模、钢及铜合金的热挤压模等。 
    钨系热变形模具钢的主要特点是具有高的热稳定性，W提高热稳定性和耐磨性，含W量越高，热稳定性越高。Cr增加钢的淬透性，使模具有较好的抗氧化性。3Cr2W8V钢由于大量合金元素的加入，使共析点大大左移，因此含碳量不高，但已属于过共析钢。碳化物形成元素W和Cr提高钢的临界点，因而提高抗热疲劳性能，同时在高温下比低合金热变形模具钢具有更高的强度和硬度。 
    3、锻造和热处理： 
    以3Cr2W8V钢为例： 
    锻造： 
    始锻温度为1080～1120℃，终锻温度为900～850℃。 
    退火： 
    退火工艺为830～850℃，保温3～4h后，以£ 40℃/h的速度炉冷至£ 400℃，出炉空冷。退火状态组织为铁素体基体上分布着M2C和M23C6。 
    淬火： 
    成品热处理工艺一般采用1080℃～1150℃淬火加热。如要求高温机械性能时(如作压铸模),则采用上限加热温度，使合金碳化物充分溶解，以保证高硬度和高的热硬性。对于承受一定载荷，要求有较好韧性的模具(如热锻模)，则采用下限淬火温度。淬火后的组织为马氏体和过剩碳化物(6%左右)以及残余奥氏体。硬度为HRC50-55。 
    回火： 
    回火温度一般采用560～600℃，回火组织为回火马氏体＋过剩碳化物，硬度HRC40～48。 
    这类钢主要用于制造高温下承受高应力，但不承受冲击负荷的压铸模、热挤压模和顶锻模等。