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热作模具钢的选择和应用,你了解多少呢？
热作模具钢的选择和应用,你了解多少呢？
热作模具钢的选择和应用,你了解多少呢？
随着社会经济的发展，模具钢得到了广泛的应用。热加工模具包括热锻模、热镦模、热挤压模、精锻模和高速锻模。它们属于一种在加热下使金属变形的模具，也称为变形模具。模具材料是模具制造业的材料和技术基础。模具用途广泛，各种模具的工作条件差别很大，所以制造模具所用的材料范围很广。接下来，我们将与您分享热加工模具钢的选择和应用。
热作模具钢的工作条件和性能要求由于热作模具钢在很重的条件下工作，因此对热作模具钢提出以下性能要求:
(1)它在工作中承受压应力、拉应力、弯曲应力和冲击应力，同时也承受很强的摩擦力，所以它必须具有高强度和高韧性的良好配合，同时还应具有足够的硬度和耐磨性。
(2)与热金属不断接触，型腔表面温度可达400 ~ 600℃。因此，为了在工作过程中保持高强度和韧性，它必须具有高回火稳定性。
(3)被热金属反复加热，被冷却剂冷却，容易产生裂纹，即热疲劳。因此，它必须具有抵抗热疲劳的能力。2典型热作模具钢及其性能热作模具钢的工作条件比冷作模具钢更苛刻，而且要经受反复的冷热作用，所以对模具钢的性能要求更高。热作模具钢可分为高韧性和高耐热性两大类。表1是热加工模具常用钢的一个例子。
1.高韧性热加工模具钢
5CrNiMo钢具有良好的塑性、韧性，对尺寸效应不敏感，是目前国内广泛使用的锻压模具钢，通常用于形状复杂、冲击载荷大的大型或特大型锻压模具钢。然而，由于碳化物形成元素含量低，其热稳定性差，高温强度低。同时，淬火油温低，容易开裂。在实际操作中为了避免开裂，经常在200℃左右出油，空冷。因此，尽管在模具的表面上获得了一层马氏体结构，但是型芯处于奥氏体状态。当模具在380 ~ 540℃回火时，型芯中的过冷奥氏体转变为上贝氏体组织，并受到冲击和增韧
度数低，模具寿命低。为了延长热锻模具的使用寿命，可以采用等温处理。即模具经淬火加热后，在160 ~ 180℃的硝酸盐中分段，然后在280 ~ 300℃的硝酸盐中转移2 ~ 3 h，此时模具钢的组织由马氏体+下贝氏体+少量残余碳化物组成。回火后获得回火下贝氏体组织，模具寿命明显提高。
5CrMnMo钢在各种性能上与5CrNiMo钢相似，是为了节约镍而用锰代替镍而开发的。使用中发现5Cr-MnMo钢的淬透性和韧性低于5CrNiMo钢。仅适用于制造各种中小锤锻模和一些对强度和耐磨性要求高但韧性不高的压模，也可用于其它工作温度低于500℃的小型热作模。4CrMrkSiMoV钢具有较高的强度、耐磨性和良好的冲击韧性，其高温性能、回火稳定性和抗热疲劳性能优于5CrNiMo钢。淬火规格:淬火温度为(870±10℃)，冷却至油温20 ~ 60℃后，淬火硬度为HRC 46 ~ 58。该钢适用于大中型锻模，也可用于中小型锻模。与5CrNiMo等热作模具钢相比，4CrMnSiMoV钢的使用寿命最长。3Cr2MoWVNi钢含碳量低，淬火后硬度最高的是HRC52。该钢具有二次硬化效应，600℃回火后仍能保持高硬度(HRC 45 ~ 50)，600℃以上回火后硬度急剧下降，因此其热稳定性明显高于5CrNiMo、5CrMnMo和4CrMnSiMoV钢。
2.高热强热作模具钢
热强热作模具钢具有很高的抗回火稳定性，主要用于热镦模具、热挤压模具、铜及黑色金属压铸模具、冲压模具等。在GB 1299-85《合金工具钢技术规范》中，3Cr2W8V、5CMW5Mo2V、5 ci 4m 03 imnval三个钢种属于这类热作模具钢。最好试试高温热作模具钢4C3Mo2NiVNb，奥氏体耐热钢，4Cr3MoW4VNb(GR)，6 Cr 4 mo 3 nivv(G2)等。
3Cr2W8V钢是钨系高热强模具钢的代表钢种，合金元素以钨为主，钨的质量分数在8%以上。淬火温度为1 050 ~ 1 200℃，硬度HRC约为49 ~ 56.550℃。在350℃和45℃等温淬火后，可获得较高的冲击韧性和硬度。由于其抗冷热疲劳性能较差，在快速加热和快速冷却条件下工作时，容易因冷热疲劳裂纹而失效，因此不适合在快速冷却和快速加热条件下工作。然而，由于其高抗回火性，在许多热加工领域仍被用作高热强的热加工模具钢。
3Cr3Mo3W2V钢具有良好的冷加工和热加工性能，淬火和回火温度范围宽。推荐淬火规格:淬火温度1060 ~ 1130℃，在20 ~ 60℃油中冷却至油温，淬火硬度hrc52 ~ 56。它具有较高的热强度、热疲劳性能、良好的耐磨性和抗回火性。该钢适用于制造镦粗、压锻等热加工模具，模具使用寿命更长。
5Cr4Mo2W2VSi钢是一种具有内部基体钢的热作模具钢。经过适当的热处理后，它具有高硬度、高强度、良好的耐磨性、高温强度和良好的回火稳定性等综合性能，同时还具有一定的韧性和抗热疲劳性能。推荐淬火规格:淬火温度1080 ~ 1120℃，在20 ~ 60℃油中冷却至油温，淬火硬度HRC 61 ~ 63。该钢还具有良好的热加工性和较宽的加工温度范围，适用于制造要求较好韧性的热挤压模具、热锻模具、温锻模具和冷镦模具。
3.中国新钢种的发展
目前国内使用的一些热作模具钢，如5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等，存在淬透性、热稳定性、热疲劳和耐磨性不足的问题。中国已经开发了几十种热作模具钢。
(1)大断面热锻模具钢
为了弥补5CrMnMo和5CrNiMo在大截面和高温下的热稳定性、热疲劳和淬透性等方面的缺陷，我国开发了45Cr2NiM0vSi(简称45Cr2)、5Cr2NiMoVSi(简称5Cr2)、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi(代号B2)等大截面热锻模具钢。与5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2不仅含有较高的Cr和Mo，而且还加入了少量的v，使CCT曲线上的高温过渡区上移，低温过渡区明显向右移动，从而提高了钢的淬透性。经970 ~ 990℃淬火和650 ~ 680℃回火后，断面尺寸在500 mm×500mm以下的模具硬度可达HRC 36 ~ 44。45Cr2和5Cr2还具有二次硬化能力，其高温强度比5CrNiMo钢高50%，热稳定性高100 ~ 150℃，冲击韧性相当。
此外，钢的热耐磨性、热疲劳抗力和热裂纹扩展抗力也强于5CrNiMo，模具的使用寿命是5CrNiMo钢的同类模具的几倍。
(2)中小型热锻模具钢
中小型热锻模具的表面温度可达600℃以上，5CrMnM0和5CrNiMo的高温性能明显不能满足要求。3Cr2W8V钢高温强度高，但韧性和热疲劳性能差。因此，我国研制了3Cr3Mo3VNb，在钢中加入3%左右的Mo，既能提高钢的淬透性，防止回火脆性，又能提高钢的热稳定性。添加V和Nb可以细化晶粒，降低钢的过热敏感性。因此，该钢具有淬透性高、淬火温度范围宽、过热敏感性低、高温强度高、热稳定性好、塑性韧性好、冷热疲劳性能好、热磨损性能好等优点。已用于制造不锈钢(2Cr13)、轴承模、辊锻模等热锻模，取得了良好的应用效果。
4Cr3M03w4VNb，代号GR，在Cr、Mo、v、Nb之外添加4% w，使钢的高温强度和热稳定性进一步提高，是中碳铬热作模具钢中高温强度较高、热稳定性较好的钢。该钢还具有良好的冷热疲劳性能，适用于制造工作温度为600 ~ 700℃的浅腔中小锻模，也可用于铜合金热挤压模具。我国相继开发的5%铬中碳合金热作模具钢已广泛用于热锻模具，如4Cr5MoVSi、4CR5MOVSI等。其中4C5MoV1Si具有优异的韧性和良好的冷热疲劳性能，适用于制造在600℃以下工作温度下对韧性和塑性要求较高的模具。
(3)压铸模具钢
在有色金属压铸中，3Cr2W8V已被广泛用作模具钢，中碳低合金钢如5CrNiMo、5CrMnMo和3Cr2Mo也被用作铝锌合金压铸的模具钢。3Cr2W8V疲劳性能差，模具寿命短。中国已经开发了几种新的模具钢，如4c R3 m 02 mnv nb(代码Y4)和4Cr5Mo2MnVSi(代码Y10)。4Cr3M02MnvNbB最初是为铜合金压铸模具开发的。通过合理的成分配比，该钢在保持良好韧性和塑性的同时，达到了较高的热强度和稳定性。抗冷热疲劳性能明显优于3Cr2W8V，模具使用寿命较3Cr2W8V制造的模具有明显提高。与3Cr2W8V钢相比，4Cr5Mo2MnVSi是为铝合金压铸模开发的。与3Cr2W8V钢相比，该钢具有抗冷热疲劳性能好、热处理变形小、抗铝损性能好等优点。模具的使用寿命一般比3cr2w8v钢模具长一倍以上。
(4)铜铝型材热挤压模具钢
铜合金热挤压模具的冲头和底模长期与高温铜坯接触，模具工作条件恶劣。用3Cr2W8V或4C5MoV1Si钢制作这种模具，模具的使用寿命总是很短。国内曾尝试用奥氏体热作模具钢解决这类模具使用寿命短的问题，但由于冷热疲劳性能差，一直没有得到满意的解决。在此背景下，国内高校、研究所、钢厂相继推出了能延长此类模具使用寿命的钢种，如4cr3M02NiVNbB(代号HD)、4Cr3M02MnVNbB(代号Y4)等。与普通碳3%铬2%钼或3%铬3%钼热作模具钢相比，HD钢的镍含量增加了1%左右，进一步提高了钢的韧性和塑性。在相同硬度(HRCA3)下，其断裂韧性比3Cr2W8V钢高30%。高密度钢铜合金管挤压底模及冲孔
与3Cr2W8V钢相比，孔针的使用寿命延长了一倍左右，并已成功应用于热挤压凸模、轴承套圈模具和阀门挤压底模。用Y4钢制造铜合金挤压模的底模和冲孔销头，模具的使用寿命比3Cr2W8V钢制造的模具长一倍以上。
热作模具钢的工作条件和性能要求由于热作模具钢在很重的条件下工作，因此对热作模具钢提出以下性能要求:
(1)它在工作中承受压应力、拉应力、弯曲应力和冲击应力，同时也承受很强的摩擦力，所以它必须具有高强度和高韧性的良好配合，同时还应具有足够的硬度和耐磨性。
(2)与热金属不断接触，型腔表面温度可达400 ~ 600℃。因此，为了在工作过程中保持高强度和韧性，它必须具有高回火稳定性。
(3)被热金属反复加热，被冷却剂冷却，容易产生裂纹，即热疲劳。因此，它必须具有抵抗热疲劳的能力。2典型热作模具钢及其性能热作模具钢的工作条件比冷作模具钢更苛刻，而且要经受反复的冷热作用，所以对模具钢的性能要求更高。热作模具钢可分为高韧性和高耐热性两大类。表1是热加工模具常用钢的一个例子。
1.高韧性热加工模具钢
5CrNiMo钢具有良好的塑性、韧性，对尺寸效应不敏感，是目前国内广泛使用的锻压模具钢，通常用于形状复杂、冲击载荷大的大型或特大型锻压模具钢。然而，由于碳化物形成元素含量低，其热稳定性差，高温强度低。同时，淬火油温低，容易开裂。在实际操作中为了避免开裂，经常在200℃左右出油，空冷。因此，尽管在模具的表面上获得了一层马氏体结构，但是型芯处于奥氏体状态。当模具在380 ~ 540℃回火时，型芯中的过冷奥氏体转变为上贝氏体组织，并受到冲击和增韧
度数低，模具寿命低。为了延长热锻模具的使用寿命，可以采用等温处理。即模具经淬火加热后，在160 ~ 180℃的硝酸盐中分段，然后在280 ~ 300℃的硝酸盐中转移2 ~ 3 h，此时模具钢的组织由马氏体+下贝氏体+少量残余碳化物组成。回火后获得回火下贝氏体组织，模具寿命明显提高。
5CrMnMo钢在各种性能上与5CrNiMo钢相似，是为了节约镍而用锰代替镍而开发的。使用中发现5Cr-MnMo钢的淬透性和韧性低于5CrNiMo钢。仅适用于制造各种中小锤锻模和一些对强度和耐磨性要求高但韧性不高的压模，也可用于其它工作温度低于500℃的小型热作模。4CrMrkSiMoV钢具有较高的强度、耐磨性和良好的冲击韧性，其高温性能、回火稳定性和抗热疲劳性能优于5CrNiMo钢。淬火规格:淬火温度为(870±10℃)，冷却至油温20 ~ 60℃后，淬火硬度为HRC 46 ~ 58。该钢适用于大中型锻模，也可用于中小型锻模。与5CrNiMo等热作模具钢相比，4CrMnSiMoV钢的使用寿命最长。3Cr2MoWVNi钢含碳量低，淬火后硬度最高的是HRC52。该钢具有二次硬化效应，600℃回火后仍能保持高硬度(HRC 45 ~ 50)，600℃以上回火后硬度急剧下降，因此其热稳定性明显高于5CrNiMo、5CrMnMo和4CrMnSiMoV钢。
2.高热强热作模具钢
热强热作模具钢具有很高的抗回火稳定性，主要用于热镦模具、热挤压模具、铜及黑色金属压铸模具、冲压模具等。在GB 1299-85《合金工具钢技术规范》中，3Cr2W8V、5CMW5Mo2V、5 ci 4m 03 imnval三个钢种属于这类热作模具钢。最好试试高温热作模具钢4C3Mo2NiVNb，奥氏体耐热钢，4Cr3MoW4VNb(GR)，6 Cr 4 mo 3 nivv(G2)等。
3Cr2W8V钢是钨系高热强模具钢的代表钢种，合金元素以钨为主，钨的质量分数在8%以上。淬火温度为1 050 ~ 1 200℃，硬度HRC约为49 ~ 56.550℃。在350℃和45℃等温淬火后，可获得较高的冲击韧性和硬度。由于其抗冷热疲劳性能较差，在快速加热和快速冷却条件下工作时，容易因冷热疲劳裂纹而失效，因此不适合在快速冷却和快速加热条件下工作。然而，由于其高抗回火性，在许多热加工领域仍被用作高热强的热加工模具钢。
3Cr3Mo3W2V钢具有良好的冷加工和热加工性能，淬火和回火温度范围宽。推荐淬火规格:淬火温度1060 ~ 1130℃，在20 ~ 60℃油中冷却至油温，淬火硬度hrc52 ~ 56。它具有较高的热强度、热疲劳性能、良好的耐磨性和抗回火性。该钢适用于制造镦粗、压锻等热加工模具，模具使用寿命更长。
5Cr4Mo2W2VSi钢是一种具有内部基体钢的热作模具钢。经过适当的热处理后，它具有高硬度、高强度、良好的耐磨性、高温强度和良好的回火稳定性等综合性能，同时还具有一定的韧性和抗热疲劳性能。推荐淬火规格:淬火温度1080 ~ 1120℃，在20 ~ 60℃油中冷却至油温，淬火硬度HRC 61 ~ 63。该钢还具有良好的热加工性和较宽的加工温度范围，适用于制造要求较好韧性的热挤压模具、热锻模具、温锻模具和冷镦模具。
3.中国新钢种的发展
目前国内使用的一些热作模具钢，如5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等，存在淬透性、热稳定性、热疲劳和耐磨性不足的问题。中国已经开发了几十种热作模具钢。
(1)大断面热锻模具钢
为了弥补5CrMnMo和5CrNiMo在大截面和高温下的热稳定性、热疲劳和淬透性等方面的缺陷，我国开发了45Cr2NiM0vSi(简称45Cr2)、5Cr2NiMoVSi(简称5Cr2)、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi(代号B2)等大截面热锻模具钢。与5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2不仅含有较高的Cr和Mo，而且还加入了少量的v，使CCT曲线上的高温过渡区上移，低温过渡区明显向右移动，从而提高了钢的淬透性。经970 ~ 990℃淬火和650 ~ 680℃回火后，断面尺寸在500 mm×500mm以下的模具硬度可达HRC 36 ~ 44。45Cr2和5Cr2还具有二次硬化能力，其高温强度比5CrNiMo钢高50%，热稳定性高100 ~ 150℃，冲击韧性相当。
此外，钢的热耐磨性、热疲劳抗力和热裂纹扩展抗力也强于5CrNiMo，模具的使用寿命是5CrNiMo钢的同类模具的几倍。
(2)中小型热锻模具钢
中小型热锻模具的表面温度可达600℃以上，5CrMnM0和5CrNiMo的高温性能明显不能满足要求。3Cr2W8V钢高温强度高，但韧性和热疲劳性能差。因此，我国研制了3Cr3Mo3VNb，在钢中加入3%左右的Mo，既能提高钢的淬透性，防止回火脆性，又能提高钢的热稳定性。添加V和Nb可以细化晶粒，降低钢的过热敏感性。因此，该钢具有淬透性高、淬火温度范围宽、过热敏感性低、高温强度高、热稳定性好、塑性韧性好、冷热疲劳性能好、热磨损性能好等优点。已用于制造不锈钢(2Cr13)、轴承模、辊锻模等热锻模，取得了良好的应用效果。
4Cr3M03w4VNb，代号GR，在Cr、Mo、v、Nb之外添加4% w，使钢的高温强度和热稳定性进一步提高，是中碳铬热作模具钢中高温强度较高、热稳定性较好的钢。该钢还具有良好的冷热疲劳性能，适用于制造工作温度为600 ~ 700℃的浅腔中小锻模，也可用于铜合金热挤压模具。我国相继开发的5%铬中碳合金热作模具钢已广泛用于热锻模具，如4Cr5MoVSi、4CR5MOVSI等。其中4C5MoV1Si具有优异的韧性和良好的冷热疲劳性能，适用于制造在600℃以下工作温度下对韧性和塑性要求较高的模具。
(3)压铸模具钢
在有色金属压铸中，3Cr2W8V已被广泛用作模具钢，中碳低合金钢如5CrNiMo、5CrMnMo和3Cr2Mo也被用作铝锌合金压铸的模具钢。3Cr2W8V疲劳性能差，模具寿命短。中国已经开发了几种新的模具钢，如4c R3 m 02 mnv nb(代码Y4)和4Cr5Mo2MnVSi(代码Y10)。4Cr3M02MnvNbB最初是为铜合金压铸模具开发的。通过合理的成分配比，该钢在保持良好韧性和塑性的同时，达到了较高的热强度和稳定性。抗冷热疲劳性能明显优于3Cr2W8V，模具使用寿命较3Cr2W8V制造的模具有明显提高。与3Cr2W8V钢相比，4Cr5Mo2MnVSi是为铝合金压铸模开发的。与3Cr2W8V钢相比，该钢具有抗冷热疲劳性能好、热处理变形小、抗铝损性能好等优点。模具的使用寿命一般比3cr2w8v钢模具长一倍以上。
(4)铜铝型材热挤压模具钢
铜合金热挤压模具的冲头和底模长期与高温铜坯接触，模具工作条件恶劣。用3Cr2W8V或4C5MoV1Si钢制作这种模具，模具的使用寿命总是很短。国内曾尝试用奥氏体热作模具钢解决这类模具使用寿命短的问题，但由于冷热疲劳性能差，一直没有得到满意的解决。在此背景下，国内高校、研究所、钢厂相继推出了能延长此类模具使用寿命的钢种，如4cr3M02NiVNbB(代号HD)、4Cr3M02MnVNbB(代号Y4)等。与普通碳3%铬2%钼或3%铬3%钼热作模具钢相比，HD钢的镍含量增加了1%左右，进一步提高了钢的韧性和塑性。在相同硬度(HRCA3)下，其断裂韧性比3Cr2W8V钢高30%。高密度钢铜合金管挤压底模及冲孔
与3Cr2W8V钢相比，孔针的使用寿命延长了一倍左右，并已成功应用于热挤压凸模、轴承套圈模具和阀门挤压底模。用Y4钢制造铜合金挤压模的底模和冲孔销头，模具的使用寿命比3Cr2W8V钢制造的模具长一倍以上。
