熱模材料及熱處理熱模材料及熱處理

●熱作模具主要用于高溫條件下的金屬成型，使加熱的金屬或金屬獲得所需的形狀。

●可分為熱鍛模、熱軋模、熱擠壓模、壓鑄模和高速成型模。

●通常在反復(fù)加熱和冷卻的條件下工作，變形加.加熱時(shí)間越長，加熱越嚴(yán)重。模具面溫升至300-700°C之間，需要高熱強(qiáng)度、熱疲勞和韌性，常選擇中碳(wc=0.3%一0.6%)制作合金鋼。

●工作特點(diǎn)：熱作模具在機(jī)械載荷和溫度發(fā)生循環(huán)變化時(shí)工作。

●熱作模具材料分類：熱作模具材料可分為低耐熱高韌性鋼（3501370）°C)、中耐熱韌性鋼(550—600°C)、高耐熱鋼(600-6500°C)等等。奧氏體耐熱鋼、高溫合金或硬質(zhì)合金也可用于有特殊要求的熱作模具，甚至是難熔合金來制造。

●評價(jià)熱作模具鋼的性能指標(biāo)：室溫和高溫條件下的硬度！強(qiáng)度！韌性等。

●使用熱作模具材料時(shí)，一般有七個(gè)性能要求。

    熱作模具鋼的硬度為40-52HRC。模具鋼的硬度通常取決于馬氏體中的碳含量、奧氏體化溫度和保溫時(shí)間。

應(yīng)指出，鋼的最佳淬火溫度應(yīng)通過鋼的淬火溫度一晶粒度一硬度關(guān)系曲線來選擇。

馬氏體中的二次硬化與鋼的合金化程度有關(guān)。隨著回火溫度的升高，雖然馬氏體中的碳含量降低，但如果特殊碳化物分散并促進(jìn)殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，模具鋼的高溫硬度將提高。

    強(qiáng)度是模具中，模具的整個(gè)截面或某個(gè)部位都能抵抗靜載斷裂。

在壓縮條件下工作的模具可以測試其抗壓強(qiáng)度。用拉伸試驗(yàn)測定一定的溫度 抗拉強(qiáng)度較低σb,和屈服點(diǎn)σs,一般來說，模具不允許永久塑性變形，因此需要高屈服強(qiáng)度。當(dāng)模具鋼塑性差時(shí)，一般不使用抗拉強(qiáng)度而使用抗彎強(qiáng)度σbb抗彎試驗(yàn)作為一種力學(xué)指標(biāo)，產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)與許多模具工作表面的應(yīng)力狀態(tài)非常相似，能夠準(zhǔn)確反映構(gòu)件的組成和組織對性能的影響。

(3)沖擊韌性和斷裂韌性

  沖擊韌性是模具材料在沖擊載荷作用下抵抗斷裂的能力。材料的沖擊韌性(ak)熱疲勞強(qiáng)度越高。因此，應(yīng)采用合理的鍛造和熱處理方法和工藝參數(shù).防止碳化物分析和晶粒粗大，降低淬火應(yīng)力，提高鋼的韌性。斷裂韌性表示裂紋不穩(wěn)定和膨脹的阻力，熱模具需要其他特殊性能。

(4)熱穩(wěn)定性

   熱穩(wěn)定性表示鋼在加熱過程中保持組織和性能穩(wěn)定的能力。通常，鋼的熱穩(wěn)定性可用于回火保溫4h,硬度降到45HRC最高加熱溫度表示。對于原始硬度低的材料，也可用保溫2h,使硬度降到35HRC最高加熱溫度為鋼的熱穩(wěn)定性指標(biāo)。

(5)回火穩(wěn)定性

   回火穩(wěn)定性是指隨著回火溫度的升高著回火溫度的升高而降低的速度，也稱為抗回火軟化能力。通常表示鋼的回火溫度和硬度變化曲線。它與熱穩(wěn)定件一起表示模具在高溫下的變形阻力。

(6)熱疲勞抗力

   熱疲勞抗力表示材料熱疲勞裂紋萌生前的工作壽命和萌生后的擴(kuò)展率：熱疲勞通常為20-750°C反復(fù)加熱冷卻時(shí)產(chǎn)生的裂紋的循環(huán)次數(shù)或循環(huán)次數(shù)后測定的裂紋長度。

(7)耐熱磨損和抗氧化性

   耐熱磨損是熱模的重要性能要求，因?yàn)榇蠖鄶?shù)錘鍛模具和壓力機(jī)模具都因磨損而失效。國內(nèi)現(xiàn)有單位在自制熱磨機(jī)上進(jìn)行熱模鋼的高溫?fù)p傷試驗(yàn)，效果較好。因?yàn)闊崮ＭǔＴ谳^高的溫度下工作，模具工作面與空氣、液態(tài)金屬或其他介質(zhì)接觸會氧化，加劇模具工作過程中的磨損，在模具表面產(chǎn)生腐蝕溝，成為熱疲勞裂紋的起源。因此，模具材料在工作溫度下必須具有抗氧化性。

模具的加工成本約占普通模具成本的一半以上。模具材料的工藝質(zhì)量直接關(guān)系到模具材料的推廣和應(yīng)用。

1 鍛造工藝性    

   鋼的高溫強(qiáng)度越低，伸長率越大，材料的鍛造變形阻力越小，成型工藝越好。

2 淬火工藝性    

   模具材料具有良好的淬火工藝，易于保證淬火質(zhì)量，從而充分發(fā)揮材料的性能潛力，滿足設(shè)計(jì)使用壽命的要求。

3 切削工藝性    

   切削成本約占模具加工成本的90%，切削難度將直接影響鋼種的推廣。

一、低耐熱高韌性熱模鋼及熱處理

   這類鋼主要用于各種尺寸的錘鍛模、平鍛機(jī)鍛模、大型壓力機(jī)鍛模等，鍛造模型腔與熱工件表面之間存在劇烈摩擦。在鍛造過程中，模具腔表面與加熱到高溫的鍛坯接觸，使模具表面常溫達(dá)到300-400°C，有時(shí)局部可達(dá)500-6000°C。鍛造模具截面大，腔形復(fù)雜，要求鋼具有一定的高溫強(qiáng)度和良好的沖擊韌性、高硬度和耐磨件、耐熱疲勞、淬火，導(dǎo)熱性好，有利于散熱，避免腔表面溫度過高，降低機(jī)械性能，工藝和抗氧化性好。

為了滿足上述性能，高韌性熱作模具鋼不應(yīng)含有過高的碳和碳化物形成元素，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.3%—0.5%，同時(shí)加入少量Cr、Mo、V、Ni、Mn、Si增加少量淬透性和熱強(qiáng)度MO、W有助于消除高溫回火的脆性。常用的高韌性熱作模具鋼有5種CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV三，試用5Cr2NiMoV及45Cr2NiMoVSi等。

5CrNiMo鋼是20世紀(jì)30年代初應(yīng)用至今的傳統(tǒng)熱鍛模具鋼，國內(nèi)應(yīng)用廣泛。淬透性高，如截面3000mmx400mm的鍛模，自820°C油淬和560°C回火后，截面硬度僅比表面低10-20HBS。5CrNiMo鋼的塑性、韌性良好，尺寸效應(yīng)不敏感。由于碳化物形成元素含量不高，二次硬化效應(yīng)弱.因此，熱穩(wěn)定性差，熱強(qiáng)度低，一般為400°C以下工作可保持高強(qiáng)度，超過400°C強(qiáng)度急劇下降，模具溫升至550°C時(shí)，σb與溫室相比，一半。

 5CrNiMo鋼的臨界點(diǎn)： Ac1 為730°C; Ac3為780°C; Ms為230°C。

(1 )鍛造:

    市場上供應(yīng)的鋼材有纖維組織。直徑越大，偏析越嚴(yán)重。對于承受高負(fù)荷或大型模具的坯料，應(yīng)進(jìn)行各向鍛造.并進(jìn)行鍛粗和拉長，交替進(jìn)行的次數(shù)應(yīng)不少于2-3次。鍛坯的加熱溫度為11000°C—1150°C,始鍛溫度為1050-1100°C,最終鍛煉溫度為800-850°C,砂冷或坑冷。

(2)退火

如圖4-1和圖4-2所示

圖4-1  5CrNiMo鋼 一般采用鍛軋后退火工藝 ，圖4-2  5CrNiMo鋼軋后等溫退火工藝

(3)淬火

    經(jīng)600—650°C 加熱到830-860°C，保溫后的油淬CrNiMo如果出油溫度低，鋼模塊容易淬裂，通常是200°C左右出油，但心部未轉(zhuǎn)變成馬氏體的過冷奧氏體，在回火時(shí)會轉(zhuǎn)變成上貝氏體組織，沖擊韌度極低，壽命短。為此可采用等溫處理的法，先將模具淬入150°C將油轉(zhuǎn)入280 —300°C在硝鹽浴中停留2-3次h,獲得馬氏體 下貝氏體 少量殘留碳化物組織，使模具壽命顯著提高。

(4)回火

   淬火后的模具應(yīng)立即移入回火爐進(jìn)行回火，回火工藝如表4所示- 1所示。熱鍛模的燕尾與模體應(yīng)以不同溫度回火，保證燕尾部分的韌性，避免燕尾的開裂失效。

表4-1  5CrNiMo鋼的回火工藝

3.應(yīng)用

   許多國家主要使用大型熱鍛模型CrNiMo鋼，通用性強(qiáng)，大、中、小模塊、深槽模塊可使用5CrNiM0.目前，我國主要用于制造形狀復(fù)雜、沖擊載荷重的大型和大型鍛造模具(最小邊長>400mm)。

由于5CrMnMo新鋼種研制成功，5CrNiMo應(yīng)用范圍逐漸縮小，該鋼的熱強(qiáng)度和耐磨性不如高強(qiáng)度熱模具鋼，不適合中小型鍛造模具。

 考慮到中國的資源，為節(jié)約鎳而開發(fā)的5CrMnMo鋼。其強(qiáng)度略高于CrNiMo鋼，但錳代鎳降低了其在常溫和較高溫度下的塑性和韌性，并為5CrMnMo鋼的淬透性比為5CrNiMo鋼淬透性低，過熱敏感性稍大，在高溫下工作時(shí)，其熱疲勞性能也較差。

5CrMnMo鋼的臨界點(diǎn)； Ac1為710°C;Ac3為760°C;MS。為220°C。

   (1)鍛造: 5CrMnMo鋼鍛工藝參數(shù)及5CrNiMo鋼材相同，注意防止模具開裂：

    (2)退火:等溫退火加熱溫度為850-870°C,等溫溫度為680°C。退火后店的硬度為197-241HBS.

    (3)淬火： 加熱溫度為840°C—860°C油淬時(shí)，冷卻至150-180°C出油并立即回火。減少變形和開裂.淬火時(shí)最好延時(shí)冷卻，即先空冷到暗紅色大約740—780°C左右淬火。

    (4)回火:回火工藝如友4-2所示。

表4-2  5CrMnMo鋼的回火工藝

   與5CrNiMo鋼相比，始鍛溫度為1050-1100°C，  由于5CrMnMo鋼的淬透性和韌性較低，只適用于制造各種小型錘鍛模具和部分壓力機(jī)模塊，對強(qiáng)度和耐磨性要求較高，韌性要求較低(最大邊長<400mm)。也可用于工作溫度低于5000°C其它小型熱作模具。

  4CrMnSiMoV鋼是原冶金部標(biāo)準(zhǔn)推薦的5CrMnSiMoV鋼的改進(jìn)型。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了0.1%的目的是在保持原有強(qiáng)度的基礎(chǔ)上提高鋼的韌性。該鋼無鎳，但強(qiáng)度、耐磨性、沖擊韌性和斷裂切度高，沖擊韌性和5CrNiMo相似或略低，但高溫性能、抗回火穩(wěn)定性、熱疲勞抗力優(yōu)于5CrNiMo主要用于大型錘鍛模和水壓機(jī)鍛造模。CrMnSiMoV鋼可以代替5CrNiMo

4CrMnSiMoV鋼的臨界點(diǎn)： Ac1為792°C;Ac3為855°C; MS,為330°C

(1)鍛造

鋼坯加熱溫度為1100-114°C，  終鍛溫度> 850°C,加熱的溫度和時(shí)間不宜過高過長，鍛后進(jìn)行砂冷或坑冷。為減少脫碳現(xiàn)象，大型鍛件應(yīng)在鍛后放入600°C的爐內(nèi)，待溫度均勻后，再冷卻至150-200°C， 然后出爐空冷。

(2)退火  等溫退火加熱溫度為840—860°C， 等溫溫度為700—720°C。

(3)淬火   大型鍛模的淬火溫度為870—900°C，中、小型鍛模的淬火溫度為900—930°C。

(4)回火    回火工藝如表4-3所示。

表4-3    4CrMnSiMoV鋼的回火工藝

    如果制作大型鍛模，由于尺寸很大，淬火時(shí)的應(yīng)力和變形比中、小型模具大，工作時(shí)應(yīng)力分布不均勻，需要有較高的韌性，硬度選取較低。

3.應(yīng)用

    該鋼可代替5CrNiMo鋼，適用于大、中型鍛模，也可用于中、小型鍛模，壽命明顯比5CrNiMo鋼高。例如制作連桿模、前梁模、齒輪模、凸緣節(jié)模(深型模)等可提高壽命0.1—0.8倍不等，用作矯正模、彎曲模和平鍛機(jī)鍛模，般壽 命都比5CrNiMo高出0.5倍。

   從20世紀(jì)50年代以來，我國厚度小于250mm 的模塊多采用5CrMnMo鋼制造，大于250mm的模塊一直都用5CrNiMo鋼制作。與西方國家的常用鋼號相比，碳化物形成元素含量低，熱穩(wěn)定性差，高溫強(qiáng)度低，鋼中不含釩，淬硬性較低，抗熱磨損和抗熱疲勞性能差，模具壽命短。從20世紀(jì)80年代起，我國研制了類似鋼號5NiCrMoV,推薦將5NiCrMoV鋼用于大型、復(fù)雜形狀、重載荷的錘鍛模和壓力機(jī)鍛模。

5Cr2NiMoVSi鋼主要添加了一定 量的釩和硅，將碳、鎳、鉻、銅等元素含量合理搭配，從而使得其高溫強(qiáng)度大幅度提高，且具有更高的淬透性和熱穩(wěn)定性。

    在500°C以下時(shí)，5Cr2NiMoVSi 鋼的高溫強(qiáng)度與5CrNiMo鋼相近;而當(dāng)高于600°時(shí)，5Cr2NiMoVSi鋼的強(qiáng)度卻高出一倍以上。熱穩(wěn)定性溫度提高150—170°C。 對500mm x 500mm截面的鍛模，心部硬度較5CrNiMo鋼高出13HRC。

     5Cr2NiMoVSi鋼的臨界點(diǎn): Ac1為750°C;Ac3為874°C; Ms為243°C。

    (1)鍛造:始鍛溫度為1200°C，終鍛溫度為900°C,銅坯加熱溫度范圍較寬，鍛造合格車高。

    (2)退火: 等溫退火加熱溫度為800°C， 等溫溫度為720°C。

    (3)淬火與回火:淬火、回火工藝如表4- 4所示。推薦淬火溫度為960—980°C， 型腔回火溫度為630—670°C， 燕尾回火溫度為680—700°C。

表4一4   5Cr2NiMoVSi鋼淬火、回火工藝

    5NiCrMoV鋼主要用于大型鍛模，代替5CrNiMo鋼; 5Cr2NiMoVSi鋼主要用于各類壓力機(jī)模具和3t錘鍛模，平均使用壽命比5CrNiMo鋼提高0.5—1倍。而10t的錘鍛模可以選用45Cr2NiMoVSi鋼，例如制造“75拖”大從動齒輪鍛模，使用壽命比由德國進(jìn)口的55CrNiMoV6鋼模具提高0.5倍。

    許多熱擠壓模、熱鐓鍛模、精鍛模以及鍛壓機(jī)、高速錘上的模具等都是在繁重的條件下工作的。這些模具工作時(shí)需較長時(shí)間與被加工的金屬相接觸，受熱溫度往往比錘鍛模具要高，特別是當(dāng)加工黑色金屬及難熔金屬時(shí)。這類模具盡管尺寸不是很大，往往比錘鍛模要小，但承受著較高的應(yīng)力，擠壓比大的模具和細(xì)長的心棒承受的應(yīng)力更高。所以要求具有高的熱穩(wěn)定性、比較高的高溫強(qiáng)度和耐熱疲勞性以及高的耐磨性。

中等耐磨性韌性鋼，主要有5wt.%的鉻型熱作模具鋼和鉻鋁系熱作模具鋼，含有較多的鉻、鉬、釩等碳化物形成元素，其韌性及耐熱性介于高韌性及高熱強(qiáng)性熱作模具鋼之間。我國從20世紀(jì)60年代開始引進(jìn)開發(fā)這類鋼號，用量逐漸擴(kuò)大，現(xiàn)已成為主要的熱作模具鋼。

     4Cr5MoSiV鋼中WV=0.4%左右，簡稱H11鋼，其淬透性很好，直徑在150mm以下的鋼材可以空冷淬硬，在中溫下的熱強(qiáng)性和耐磨性都較高，韌性較好，甚至在淬火狀態(tài)下也有一定的韌性，抗熱疲勞性特好，因此用H11鋼制作高速錘鍛模非常理想，有時(shí)也用作壓鑄模和擠壓模。

    (1)鍛造:H11鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，熱塑性較好，當(dāng)鍛制大型鍛件時(shí)，先緩慢加熱到750°C,再快速加熱到1120—1150°C的鍛造溫度，減少氧化和脫碳;始鍛溫度為1080—1120°C， 終鍛溫度>850°C,鍛后緩冷.并及時(shí)退火。

    (2)退火:加熱溫度為880°C，等溫溫度為750°C,爐冷到500°C以下出爐空冷，獲得粒狀珠光體組織，退火硬度為192—235HBS,最好在可控氣氛爐中進(jìn)行。

    (3)淬火、回火:淬火時(shí)不需預(yù)熱，可直接加熱到1000—1020°C油淬或分級淬火，硬度約50—52HRC, 經(jīng)540—600°C回火，模具硬度在40—50HRC范圍內(nèi)。

該鋼在200°C以上隨回火溫度升高，aK值下降，在500°C左右沖擊韌度最低，所以應(yīng)避免在500°C附近回火或進(jìn)行化學(xué)熱處理。

     H13鋼是國際上廣泛應(yīng)用的一種空冷硬化型熱作模具鋼，即美國鋼號為ASTM-H13,日本鋼號為JIS—SKD61, 我國在“八.五”期間將H13鋼列為國家重點(diǎn)推廣的鋼種，目前國內(nèi)已經(jīng)有多家鋼廠在生產(chǎn)。

H13鈉比H11鋼的釩含量高，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)般在1%左右，熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性高于H11鋼。具有較高的韌性和耐冷熱疲勞性能，不易擴(kuò)展(K▽<<K▽C）?？梢灾谱鳠徨懩；蚰Ｇ粶厣怀^600°C的壓鑄模。H13鋼的臨界點(diǎn): Ac1為853°C; Ac3為912°C;MS為310°C。

    (1)鍛造：鍛造工藝參數(shù)與H11鋼相同，但考慮到其內(nèi)部存在著嚴(yán)重的碳化物偏析，要求鍛造比大于4,以破碎亞穩(wěn)定的共晶碳化物。

    (2)退火：等溫退火加熱到800°C,保溫2h,降溫至750°C等溫2-4h,爐冷到500°C出爐空冷，硬度為192—229HBS,鍛后必須立即進(jìn)行球化退火。

    (3)淬火和回火：H13鋼與H1 1鋼的不同之處在于，淬火前需經(jīng)二次預(yù)熱，然后加熱到1020—1050°C,油淬的硬度為53—55HRC;也可以采用空淬或分級淬火，經(jīng)560—630°C回火， 可獲得硬度40—50HRC。H13鋼的回火或化學(xué)熱處理溫度同樣要避開500°C，但不宜超過650°C。

    4Cr5W2SiV鋼的釩含量wv=0.6%-1.0%， 用2wt. %的鎢代替1wt. %的鉬，從4Cr5MoSiV1 鋼演變而來，性能與H13鋼頗為相似，鍛造、熱處理工藝參數(shù)與H13鋼相近。Wcr =5%的鉻系熱作模具鋼，在500—600°C時(shí)具有比高韌性熱鍛模具鋼更高的硬度、熱強(qiáng)性和耐磨性，而韌性高于3Cr2W8V等高耐熱模具鋼，含有硅和鉻，其抗氧化性較好，是目前國內(nèi)通用性較強(qiáng)的熱作模具鋼。

    對于鋁型材的擠壓模具，采用H13鋼制造的空芯模平均壽命是12t/副，平面模壽命在15t/副以上，比原用3Cr2W8V鋼延長3—5倍，用于機(jī)鍛模的H11和H13鋼代替5CrNiMo及3Cr2W8V鋼，模具壽命提高2—3倍， 用作輥鍛模具，最高壽命已達(dá)5萬件,比原用3Cr2W8V鋼高出3倍，在軸承行業(yè)中代替3Cr2W8V制造碾壓輥，壽命提高23倍。

     這類鋼中碳含量較低，是在國外鋼號3Cr3Mo3CoV的基礎(chǔ)上發(fā)展而來.其回火抗力及熱穩(wěn)定性高于5%鉻系鋼，沖擊韌ak和斷裂切度Kvc高于3Cr2W8V鋼。

1.HM-1 鋼(3Cr3Mo3W2V)和HM- 3鋼(25Cr3Mo3VNb)

HM- 1鋼 是參照國外H10鋼(4Cr3Mo3SiV和3Cr-3Mo系的熱作模具鋼，結(jié)合我國資源的特點(diǎn)而研制的，加入2wt. %的鎢形成HM-1鋼。

HM- 3鋼則是在碳含量較低(wc=0.25% )的模具鋼基礎(chǔ)_上加入了微量的元素鋁(WNb=0.08%一0.15%), 使鋼保持高的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。HM-1鋼的冷熱疲勞抗力比3Cr2W8V鋼高得多，同時(shí)還有較高的韌性。HM—3鋼在600°C以上的高溫強(qiáng)度高于4Cr5W2SiV鋼，但當(dāng)試驗(yàn)溫度低干600°C時(shí).強(qiáng)度不如4Cr5W2SiV鋼。

    HM-1鋼的臨界點(diǎn): Ac1 為842°C;Ac3為922°C; Ms,為373°C。HM—3鋼的臨界點(diǎn): Ac1 為825°C; Ac3為920°C;Ms,為355°C。

    (1)鍛造：加熱溫度為1150—1180°C， 始鍛溫度為1120—1150°C，終鍛溫度≥2850°C。對HM—1 鋼要求鍛后必須緩冷，并及時(shí)進(jìn)行退火。

    (2)退火：HM— 1鋼采用等溫球化退火，其加熱溫度為870°C，等溫溫度為730°C,爐冷到550°C 以下出爐空冷，退火后硬度為207—225HBS。HM—3鋼采用等溫球化退火，其加熱溫度為860°C，等溫溫度為710°C，爐冷到550°C以下出爐空冷。

    (3)淬火和回火: HM—1鋼在1030—1120°C范圍內(nèi)淬火時(shí)，可獲得52—55HRC的硬度，具體工藝可根據(jù)工件要求選用?；鼗饻囟仍?80—620°C之 間選擇，回火二次，每次2h。HM—3鋼的淬火溫度為1080°C，回火溫度為560—630°C,回火二次。

25Cr3Mo3VN b鋼(HM-3)對 熱鍛成形凹模、連桿輥鍛模、軸承套圈毛坯熱擠壓模、高強(qiáng)鋼精鍛模、小型壓力機(jī)鍛模、鋁合金壓鑄模等都有良好的應(yīng)用。

    HM-3鋼模具壽命比3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5W2VSi鋼制模具提高2- 10倍，可有效地克服模具因熱磨損、熱疲勞、熱裂等引起的早期失效。

    HM-1鋼是目前國內(nèi)研制的新鋼種中工藝性能好、使用面廣、具有廣闊應(yīng)用前景的高強(qiáng)韌性熱作模具鋼。HM-1鋼用作軸承套圈毛坯熱擠壓凸模、凹模，碾壓輥及輥鍛模均取得顯著效果，模具平均壽命達(dá)1- 2萬件.最高達(dá)3萬件以上，比原用3Cr2W8V、5CrMnMo鋼等模具壽命普遍提高2一5倍， 高的達(dá)19多倍。該鋼更適宜作為壓鑄模的材料，在鋁壓鑄模等應(yīng)用上取得明顯效果。

2.析出硬化型熱作模具鋼P(yáng)H鋼(2Cr3Mo2NiVSi)

    析出硬化熱作模具鋼在淬火和低溫回火后的硬度約為45HRC，可以加工成模具直接使用，避免熱處理淬火變形及產(chǎn)生表面的氧化、脫碳。模具在使用過程中表層受熱升溫，析出特殊碳化物MoC、VC,形成二次硬化，表而硬度可提高到48HRC,增加了高溫強(qiáng)度和耐熱性.且心部具有高的韌性。由于組織轉(zhuǎn)變層很薄，因此沒有變形。為了具有良好的切削加工性能，PH鈉中加入了0.05% —0.12%的鋯等微量合金元素，使條狀MnS夾雜變成紡錘狀硫化物，并使鋁酸鹽夾雜變成球狀鈣鋁酸鹽夾雜，從而改善了鋼的橫向沖擊韌度及切削加工性能。PH鋼的臨界點(diǎn): AC1為776°C，AC3為851°C,MS為672°C。

    (1)鍛造：始鍛溫度為1000—1100°C， 終鍛溫度≥850°C，鍛后爐冷。

    (2)退火：780°C 加熱≤40°C/h的速度冷卻到680°C后隨爐冷卻，退火后硬度為217—229HBS:

    (3)淬火及回火：淬火加熱溫度為990 —1020°C，截面邊長≤100mm時(shí)采用空冷，截面邊長大于100mm時(shí)采用油冷。在370—400°C回火一次，硬度在45HRC左右。

    PH鋼適用于在500—600°C范圍內(nèi) 工作的熱鍛模具，如果模具工作表面升溫至525—550°C,析出硬化后的硬度值可升到48HRC,常用于制作嚙合齒輪模和連桿模等，使用壽命較H11鋼提高一倍。

高耐熱理熱作模縣鋼及熱處

    高耐熱熱作模具鋼主要用于較高溫度下工作的熱頂鍛模具、熱擠壓模具、銅及黑色金屬的壓鑄模具、壓力機(jī)模具等。其中壓力鑄造是在高的壓力下，使熔融的金屬擠滿型腔而壓鑄成形，在工作過程中模具反復(fù)與熾熱金屬接觸，因此要求具有較高的回火抗力及熱穩(wěn)定性。

    屬于此類的鋼中應(yīng)用得較多較早的有3個(gè)鋼號:3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V(RM—2)、5Cr4Mo3SiMnVAI(012A1)鋼。另外還有幾個(gè)試用得較好的鋼號:4Cr3MoW4VNb(GB、6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2) 、4Cr3Mo2NiVNbB (HD)、 奧氏體耐熱鋼等。這類鋼的鎢、鉬含量較高，比前兩類熱作模具鋼在高溫下有更高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，組織穩(wěn)定性好，但其韌性和抗熱疲勞性能不及低耐熱韌性熱作模具鋼。

     3Cr2W8V鋼是鎢系高耐熱熱作模具鋼的代表鋼號。早在20世紀(jì)20年代開始就用于生產(chǎn)，由于鎢含量高，在溫度不小于600°C時(shí)，鋼的高溫強(qiáng)度和硬度明顯要高于鉻系熱作模具鋼。

    3Cr2W8V鋼的主加元素剛好是W18Cr4V高速鋼的一半.因此又稱為半高速鋼。含鎢越高，鋼的熱穩(wěn)定性越高，耐磨性越好。鉻能增加鋼的淬透性，雖因冷熱疲勞抗力差，在急冷、急熱條件下工作時(shí)容易產(chǎn)生冷熱疲勞裂紋而失效，但其抗回火能力較高，在550°C回火時(shí)會出現(xiàn)二次硬化峰，淬火溫度越高，二次硬化峰值的硬度越高，熱強(qiáng)性越好。由于W2C的析出，在650°C時(shí)，沖擊韌度最低，因此高溫韌性較差。

    3Cr2W8V鋼的臨界點(diǎn): Ac1為830°C， A c3為920°C,Ms,為350°C。

    (1)鍛造:鋼坯加熱溫度為1130—1160°C，始鍛溫度為1080—1120°C，終鍛溫度為900—850°C，鍛后先在空氣中冷卻到約700°C，隨后緩沖(砂冷或爐冷)。

    (2)退火:等溫退火的加熱溫度為840一 880°C, 等溫溫度為720—740°C， 退火狀態(tài)的組織為鐵素體基體上分布著Fe3W3C和Cr23C6,退火硬度不大于241HBS。

    (3)淬火及回火:為了提高模具的強(qiáng)韌性，可以采用高溫淬火加高溫回火工藝，即1140—1150°C淬火，650—680°C回火，適用于承受動載荷較小的模具。

    對于在動載荷下工作的小模具或大型模具，可選用1050—1100°C常規(guī)淬火工藝，油淬硬度為50—54HRC,550—650°C回火兩次，每次2h,回火后硬度為40—50HRC。

3.應(yīng)用

    3CrW8V鋼在淬火加熱中的脫碳變形傾向較小，熱處理工藝穩(wěn)定，許多中小型機(jī)械廠仍廣泛應(yīng)用，主要用在壓力機(jī)鍛模、熱擠壓模、繳鍛模、壓鑄模、剪切刀上?？紤]到3Cr2W8V鋼的耐熱疲勞性和韌性較差，有以下三種強(qiáng)韌化方法:

    (1)高溫淬火、高溫回火

    提高淬火溫度，能使合金碳化物進(jìn)步溶解， 奧氏體的鎢含量增加，提高淬火鋼的熱硬性，在晶粒不粗大的條件下使熱疲勞性能得到提高。例如3Cr2W8V鋼制的40Cr鋼銷軸熱鍛模在作用力1600kN的摩擦壓力機(jī)上鍛造，原工藝用1050—1100°C淬火，600—620°C回火. 硬度為47—49HRC，使用壽命僅500—2000件; 改用1150°C淬火660—680°C高溫回火. 硬度為39—41HRC,模具壽命達(dá)7000—10000件 。

    (2)貝氏體等溫淬火  

    3Cr2W8V鋼制的自行車曲柄熱成形模，在3000kN摩擦壓力機(jī)上工作。若用常規(guī)工藝:1080°C油淬，580—610°C二次回火，硬度為45—48HRC， 平均壽命僅4500件;改用1100°C加熱， 340—350°C硝 鹽浴爐等溫淬火，可獲得在馬氏體上分布適量下貝氏體的混合組織，從而提高了裂紋擴(kuò)展抗力，使模具的平均壽命提高一倍，達(dá)到9000件以上，最高達(dá)3.8萬件。

    (3)控制淬硬層淬火

    采用高溫短時(shí)間加熱，或控制淬火操作，使模具表面和心部得到不同的淬火加熱溫度，造成不同的合金度，在隨后淬火時(shí)可獲得內(nèi)外不同的組織。例如在1000-3000kN摩擦壓力機(jī)上鍛尖嘴鉗.需用3Cr2W8V 鋼制的熱壓模具，按常規(guī)工藝，硬度為46—48HRC, 模具壽命僅4000件，就會出現(xiàn)模腔變形塌陷或開裂，而改用高溫短時(shí)加熱淬火處理的模具，壽命可達(dá)32000件。

1、力學(xué)性能

    該鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)屬于比較高的，近0.5%，合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，碳化物較多，以Fe3W3C為主， 因而具有較高的硬度、耐磨性、回火抗力及熱穩(wěn)定性，如在硬度為40HRC時(shí)的熱穩(wěn)定性可達(dá)700°C，但是它的碳化物分布不均勻，韌性較差。

2、工藝性能：

    5Cr4W5Mo2V鋼的臨界點(diǎn): AC1為836°C，Ac3 為893°C，MS為250°C 。

    (1)鍛造：加熱溫度為1170—1190°C，始鍛溫度為1120—1150°C，終鍛溫度≥850°C，鍛后在850—600°C區(qū)間應(yīng)該快冷，以避免網(wǎng)狀碳化物的形成，在600°C以下緩冷。

    (2)退火：加熱溫度為870°C， 等溫溫度為730°C,爐冷到500°C以下出爐空冷。

    (3)淬火及回火:1130°C淬火并在不同溫度回火后的硬度如表4-5所示。 當(dāng)550°C回火時(shí)出現(xiàn)二次硬化峰值，700°C回 火時(shí)仍保持40.5HRC的硬度。淬火溫度超過1150°C時(shí)晶粒會明顯增大，超過1200°C時(shí)顯著增大。

表4-5   5CR4W5MO2V的回火硬度（1130°C淬火）

3.應(yīng)用

    RM-2鋼比3Cr2W8V鋼具有較高的熱強(qiáng)性、耐磨性及熱穩(wěn)定性，適于制作受熱溫度較高的小型熱沖頭、熱切邊模、精鍛模、平鍛模、壓印機(jī)凸模、熱擠壓凸模及輥鍛模等,使用壽命比3Cr2W8V鋼普遍延長2—3倍，個(gè)別模具可延長10—20倍。

    012AL鋼是冷、熱作兼用模具鋼，關(guān)于該鋼工藝性能及室溫力學(xué)性能已在冷作模具有關(guān)章節(jié)中作了介紹，下面主要介紹其高溫性能及在熱作模具上的應(yīng)用。

1.高溫力學(xué)性能

    由表46可見，012AI鋼的熱穩(wěn)定性高于3Cr2W8V鋼，說明該鋼具有較高的熱硬性，熱疲勞性也比3Cr2W8V鋼優(yōu)越得多。

2.應(yīng)用實(shí)例

    用012AL鋼制作的熱作模具比3Cr2W8V鋼制的模具使用壽命更長。在軸承套圈熱擠壓凸模及凹模上應(yīng)用，壽命可提高5-7倍; 在軍品殼體熱擠壓孟凸模上應(yīng)用，壽命可提高2倍以上;在軸承穿孔凸模及碾壓輥上應(yīng)用，比3Cr2w8v鋼提高壽命2-3倍。

表4-4    012A1鋼的熱穩(wěn)定性

    CG-2鋼是在高速鋼的基體鋼6W6Mo5Cr4V(低碳M2鋼)的基礎(chǔ)上作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，增加Ni含量，降低W、Mo含量研制而成的冷、熱兼用型基體鋼。

1.力學(xué)性能

    由于在鋼中加入了2wt.%的Ni,提高了基體的強(qiáng)度和韌性，其室溫及高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性均高于3Cr2W8V鋼，但高溫沖擊韌度與塑性要低于3Cr2W8V鋼。

2.工藝性能

    CG-2鋼的臨界點(diǎn): AC1為737°C,AC3為822°C ,MS為1 80°C。

    (1)鍛造:始鍛溫度為1140—1160°C, 終鍛溫度≥950°C。此鋼鍛造性能稍差，要求反復(fù)鐓撥三次以上，保證使碳化物均勻分布，鍛后應(yīng)緩冷并及時(shí)進(jìn)行退火以消除應(yīng)力。

    (2)退火: CG2鋼不易退火，故須采用球化退火，加熱溫度為810°C，等溫溫度為670°C，爐冷至400°C以下出爐空冷，退火硬度為220一240HB。

    (3)淬火及回火:淬火加熱溫度為1100—1130°C，油冷?；鼗饻囟仍?30°C，回火二次，每次2h,硬度為51—53HRC。若用作冷作模具，在540°C回火二次，硬度為59—62HRC。

3.應(yīng)用

    CG—2鋼適于制作熱擠、熱沖頭等模具。曾在軸承套圈熱擠壓凸、凹模上應(yīng)用過，壽命為3Cr2W8V鋼凸模的2- 3倍， 熱擠壓盂凸模，提高近一倍，制作底板，使用壽命是3Cr2W8V鋼底板的3- 6倍。

CG—2鋼可用于冷作模具，制作標(biāo)準(zhǔn)件及軸承滾子的冷鐓模、縫紉機(jī)零件冷鐓模，比Crl2MoV 鋼模具壽命明顯延長。

1.力學(xué)性能

    GR鋼屬于鎢鋼系熱作模具鋼，其中加入少量的Nb是為了增加鋼的回火抗力及熱強(qiáng)性。經(jīng)大氣感應(yīng)爐冶煉的GR鋼室溫及高溫力學(xué)性能如表4-7所示，熱穩(wěn)定性數(shù)據(jù)如表4—8所示，4Cr3Mo3W4VN b鋼有比3Cr2W8V更高的屈服強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性、冷熱疲勞抗力及高溫抗壓強(qiáng)度，但是韌性較差。

表4-7   GR鋼室溫及高溫力學(xué)性能

表4-8   4Cr3Mo3W4VNb、3Cr2W8V鋼熱穩(wěn)定性(硬度HRC)

2.工藝性能

    GR鋼的臨界點(diǎn): AC1為821°C, AC3為880°C， Ar1為752°C，Ar3為850°C。

(1)鍛造

    始鍛溫度為1150°C,終鍛溫度≥900°C,鍛后緩冷及時(shí)退火。

(2)退火

    等溫退火加熱溫度為850°C，等溫溫度為720°C，冷卻到550°C以下出爐空冷。

(3)淬火及回火

    淬火溫度在1160—1200°C內(nèi)選取，若選用的淬火溫度較高，則材料的高溫強(qiáng)度及回火穩(wěn)定件也較高，反之則塑件和韌性較高。

回火溫度分別取630°C和600°C，回火兩次，每次2—3h,形狀復(fù)雜的模具，可進(jìn)行三次回火，回火后的硬度約為50—54HRC。

3.應(yīng)用

    GR鋼主要用于制作熱鐓和精鍛模具，已成功地應(yīng)用在齒輪高速鍛模具、精密鍛造、軸承套圈熱擠壓、自行車零件及螺母熱鐓鍛、小型機(jī)鍛模、輥鍛模上，與3Cr2W8V 鋼相比，壽命提高數(shù)倍至數(shù)十倍，效果顯著。

（六）HD鋼(4Cr3Mo2NiVNbB)

    隨著少無切削新工藝的發(fā)展，常采用熱擠壓方法來加工黑色金屬及銅合金等有色金屬，熱擠壓模具的工作溫度可達(dá)700°C左右，在此條件下，國內(nèi)廣泛使用的3Cr2W8V鋼及鉻系熱作模具鋼H13鋼等的耐磨損和冷熱疲勞抗力已不能滿足要求，HD鋼是專為適應(yīng)700°C左右工作溫度而研制的新型熱作模具鋼。

    HD鋼的高溫力學(xué)性能:經(jīng)1130°C淬火， 650°C回火后，于650°C及700°C進(jìn)行測量，高溫下的屈服強(qiáng)度、塑性和韌性如表4-9所示;經(jīng)1130°C淬火，不同溫度回火的抗回火熱穩(wěn)定性如表4-10所示，回火溫度越高，HD鋼比3Cr2W8V鋼的硬度值越高。在相同的硬度條件下，HD鋼的斷裂韌度Kvc比3Cr2W8V鋼高50%，在700°C 下的高溫短時(shí)抗拉強(qiáng)度高出70%,冷熱疲勞抗力高出一-倍，熱磨損性能比3Cr2W8V鋼高50%。

表4-9   HD鋼的高溫力學(xué)性能

表4-10   不同回火溫度時(shí)的硬度值（1130°C加熱淬火（單位：HRC）

    HD鋼的臨界點(diǎn)：AC1為770°C，MS為320°C。

  （1）鍛造：加熱溫度1100—1150°C，始鍛溫度為1000—1050°C，終鍛溫度為850°C。

    (2)退火：加熱溫度為850°C，保溫4h,爐冷到550°C以下出爐空冷。

    (3)淬火、回火：淬火加熱溫度為1130°C，回火溫度為650一700°C。

HD鋼常用于鋼質(zhì)藥簡熱擠壓凸模、銅合金管材擠壓底模和穿扎針、熱擠壓軸承環(huán)凸凹模、汽車擠壓底模等，用來擠壓70-1錫黃銅、10-1-1鐵白銅、低碳鋼、4Cr9Si2鋼、GCr15鋼等材料，比3Cr2W8V 鋼制模具的使用壽命提高1一2倍。

(七) Y10鋼(4Cr5Mo2MnV Si)和Y4鋼(4Cr3Mo2MnVNbB)

    Y10及Y4是分別為鋁合金及銅合金的壓鑄模而研制的新型熱作模具鋼，鋁合金的熔點(diǎn)較低，約為580—740°C，Y10鋼是在H13鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高釩、錳、硅的含量，屬于含5wt.%鉻的鉻系高強(qiáng)韌性熱作模具鋼。銅合金的熔點(diǎn)溫度較高，約在850—920°C，Y4是 屬于成分接近3Cr3Mo的鉻鋁系熱作模具鋼，但增加了微量元素鋁和硼。

1.力學(xué)性能

    Y10和Y4在冷熱疲勞抗力及阻礙裂紋擴(kuò)展的速率方面明顯要優(yōu)于3Cr2W8V鋼，是比較理想的鋁、銅合金的壓鑄模材料。用于有色金屬的壓鑄模，可使模具的使用壽命延長1- 10倍， 也可用于熱擠壓模、精鍛模。

2.工藝性能

    Y10鋼的臨界點(diǎn): Ac1為815°C, Ac3為893°C，MS為271°C。

Y4鋼的臨界點(diǎn): AC1為789°C、AC3為910°C，MS為263°C。

(1)鍛造與退火

    兩種鋼的鍛造及退火工藝與3Cr2W8V鋼相近，鍛造性能良好， 溫度范圍較寬，無特殊要求，退火硬度低于3Cr2W8V鋼。

(2)淬火和回火

    淬火溫度為1020—11 20°C,回火溫度為600—630°C， 可根據(jù)用途及要求進(jìn)行選擇。

四、特殊用途的熱作模具鋼及熱處理

    隨著工業(yè)技術(shù)的日益發(fā)展，出現(xiàn)了各種新的熱加工方法，對模具: 工作溫度的要求更高，工作條件也更加苛刻。為此.各種高速鋼、奧氏體耐熱鋼、高溫合金、難熔合金等，都被用于制造模具。

1.高錳系奧氏體鋼

     此鋼又分為高錳系奧氏體模具鋼和高錳奧氏體無磁模具鋼。

(1)高錳系奧氏體模具鋼

    5Mnl5Cr8Ni5Mo3V2和7Mn 10Cr8Ni10Mo3V2是高錳系奧氏休鋼，在加熱和冷卻過程中不發(fā)生相變，始終保持奧氏體組織，經(jīng)1150—1180°C固溶處理和700°C時(shí)效后具有較好的綜合力學(xué)性能，硬度為45—46HRC，但時(shí)效軟化抗力很高.直到800°C時(shí)效，硬度仍能保持在42HRc左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過3Cr2W8V鋼，其熱處理工藝與室溫力學(xué)性能如表4-11所示。

表4-11     奧氏體鋼室溫力學(xué)了性能

     高錳奧氏體耐熱模具鋼主要用于制造工作應(yīng)力較高、使用溫度達(dá)700 —800°C的高 溫?zé)嶙髂＞?，如不銹俐、高溫合金、銅合金的擠壓模，模具壽命比3Cr2W8V鋼制模具提高45倍。 實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)先將模具預(yù)熱到400—450°C,由于這類鋼的塑性、韌性不高，故實(shí)際應(yīng)用受到限制。

(2)高錳奧氏體無磁模具鋼

    7Mn15Cr2A13V2WMo(7Mn15)鋼是種高M(jìn)n-—V系的無磁模具鋼，7Mn1 5鋼在任何狀態(tài)下都能保持穩(wěn)定的奧氏體組織，除可制作冷作模具、無磁軸承及要求在強(qiáng)磁場中不產(chǎn)生成感應(yīng)的結(jié)構(gòu)件外，因其在高溫下還具有較高的強(qiáng)度和硬度(如圖4-3所示),因此，也用來制作700—800°C下使用的熱作模具。

7Mn1 5鋼常用的熱處理工藝為; 1180°C加熱水淬，700°C回火 空冷。

圖4-3  7Mn15鋼的高溫力學(xué)了性能（1180°C水淬、700°C回火空冷）

  4Cr1 4Ni1 4W2Mo、Cr1 4Ni25CoV鋼屬于鉻鎳系奧氏體鋼，在700°C以下具有良好的熱強(qiáng)性，在800°C以下有良好的抗氧化性及耐蝕性。如4Cr14Ni14W2Mo鋼在800°C時(shí)仍有250MPa的強(qiáng)度，且有很好的塑性與韌性。該類鋼可進(jìn)行1150 —1180°C或1050—1150°C的固溶處理，再作750°C的時(shí)效處理.適合制造鈦合金蠕變成形模具和具有強(qiáng)烈腐蝕性的玻璃成形模具。

    相比之下，鉬基合金的熱強(qiáng)度和持久強(qiáng)度較高，熱導(dǎo)性好、熱膨脹小，因此幾乎不引起熱裂。TZM合金的塑性較好，便于成形加工，室溫脆性也較鎢基合金小，但其抗變形能力有限，且力學(xué)性能的各向異性十分明顯。鋁基合金做壓鑄模具用得比較成功，主要用于銅合金、鋼鐵樹料的壓鑄模，也可用做鈦合金、耐熱鋼的熱擠壓模等，其使用壽命遠(yuǎn)高于其他各種熱作模具鋼。

常用的銅合金有鉻鋯釩銅(wcr=0.6%-0.8%、wzr=0.4%, wv=0.4%，其余Cu)、鉻鋯鎂銅(wcr= 0.4%、WZr=0.15%、WMg= 0.05%， 其余Cu)、鈷鈹銅(wco=0.5%-3%、WBe=0.4%-2%，其余Cu)等. 在600°C下這些銅合金的力學(xué)性能顯著高于1000°C下的3Cr2W8V鋼，模具使用壽命比3Cr2W8V鋼提高1.5—2倍。 用銅合金制壓鑄模鑲塊可在980°C淬火后冷擠成形，然后進(jìn)行時(shí)效處理，型腔的表面粗糙度好，可以提高使用壽命。

第三節(jié)熱作模具材料及熱處理工藝的選用實(shí)例

一、熱鍛模具鋼選用及熱處理工藝

1.熱鍛模具鋼的性能要求與熱處理

    熱鍛模只是在高溫、高壓、高沖擊載荷下工作.經(jīng)常被反復(fù)加熱和冷卻，這就要求該模具鋼應(yīng)具有高的沖擊韌度和斷裂韌度，其ak值≥30J/cm2,高的KvC可阻止或延緩因裂紋擴(kuò)展而導(dǎo)致模具的早期斷裂失效。為防止熱鍛模發(fā)生早期磨損及變形，該模具鋼還應(yīng)有較高的高溫硬度和高溫強(qiáng)度。

    由于鍛模的尺寸-般都比較大， 這就要求鍛模材料要有很好的淬透性，保證模具整個(gè)截面的力學(xué)性能均勻一致，同時(shí)要具有高的冷熱疲勞抗力和回火穩(wěn)定性，以及良好的工藝性能和抗氧化性。

    求的硬度和機(jī)械加工與最終熱處理工序的安排視模具的大小、形狀及服役條件而定。高的硬度雖然能保證有良好的耐磨性，但對冷熱疲勞比較敏感，容易引起裂紋;硬度過低，容易被壓下相失去工作尺寸。對于小型的鍛模(噸位<1t,鍛模高度< 250mm),因模鍛件冷卻比較快，提高了強(qiáng)度，因此需要模具的型腔具有較高的耐磨性，故硬度選在40—44HRC內(nèi)，若型腔淺而簡單，其硬度可選在41—47HRC。 由于硬度高了不易切削加工，所以小型鍛模應(yīng)在機(jī)械加工完成后進(jìn)行淬火和回火。中型鍛模(噸位為1—3t,鍛模高度為250—350mm)加 工的鍛件尺寸較大，允許模具型腔有較低的硬度(38—41HRC), 此時(shí)應(yīng)該把淬火、回火放在粗、精加工的中間進(jìn)行為宜。大型鍛模由于鍛模尺寸很大(噸位>4t,鍛模高度72>350mm),淬火時(shí)的應(yīng)力和變形比較大，工作時(shí)應(yīng)力分布不均勻，需要有較高的韌性，硬度在35—38HRC范圍內(nèi)為宜。大型鍛?？梢韵冗M(jìn)行粗加工，再進(jìn)行淬火和回火，然后進(jìn)行精加工成形，也可以在淬火和回火后再進(jìn)行機(jī)加工。

    鍛模燕尾與模體需以不同溫度回火，保證燕尾部分的韌性，避免燕尾開裂失效。為了降低回火脆性，鍛?；鼗鸷笞詈貌捎糜屠?。模尾回火可在專門的平板爐上進(jìn)行，將燕尾向下放在平板上，保持2.5—3.5h, 然后取下空冷或油冷也可以采用自行回火法，節(jié)省燕尾回火工藝，即將鍛?；鼗鸷笥屠?—5min,把模尾提出油面，停留一段時(shí)間，使溫度回，然后再放入油中，再提出，反復(fù)3—5次以達(dá)到要求。

2.熱鍛模鋼的表面化學(xué)熱處理

    要提高熱鍛模的耐熱疲勞性能和耐磨性，延長模具壽命和保證鍛件質(zhì)量，其主要工作零件如上、下模必須進(jìn)行表面硬化處理。在日本熱鍛模的表面硬化主要是離子氮化和鍍鉻，在部分歐洲國家對熱鍛模進(jìn)行粉末滲硼則很流行。

    以日本的SKD61鋼制造的熱段模為例(相當(dāng)于H13鋼)，其模具零件在550°C經(jīng)20h離子氮化與未經(jīng)表面處理相比.側(cè)板凸模壽命延長約1.4倍，連接件鍛模延長1.18倍，汽車曲軸鍛模延長2.55倍，連桿鍛模延長1.39倍，前叉鍛模延長2.25倍?？偟膩碚f，熱緞模經(jīng)離子氮化后，在耐磨性、抗熱疲勞性、脫模方便等方面均有所改善，這都是導(dǎo)致模具壽命提高的原因。

俄羅斯對(5CrMnMo)和5XHM鋼(5CrNiMo)

    制的熱鍛模進(jìn)行的滲硼后淬火處理，可以提高模具壽命0.5—2倍。 由于錘鍛模承受的沖擊力較大，為降低硼化物層的崩落傾向，可以在30wt.%SiC+ 70wt. %硼砂熔融料中進(jìn)行950°C、4—6h的滲硼，以獲得單相的Fe2 B層(顯微硬度約為1520—1650HV)，該層比FeB+ Fe2 B雙相層的韌性要好。但是如果提高滲硼溫度和延長滲硼時(shí)間反面會增加脆斷機(jī)會。

    例如，某轎車的叉形軸鍛件(如圖4-4所示)，在錘上模鍛的工步安排為：滾壓—預(yù)鍛—終鍛。圖4—5是它的鍛模圖。該鍛模屬于小型鍛模，選用4Cr5MoSiV (H11 )鋼制造，模面硬度要求為40一45HRC, 經(jīng)加工和淬火、回火后采用輝光離子氮化，要求氮化層深度為0.2—0.3mm。

圖4-4叉形軸鍛件圖，圖4-5叉形軸鍛模，圖1一滾壓模膛2—終鍛模膛3—預(yù)鍛模膛

    熱擠壓模具所承受的沖擊載荷比熱鍛模小，對沖擊韌度與淬透性的要求沒有熱鍛模具鋼高。但其工作時(shí)與熾熱金屬接觸時(shí)間比熱鍛模長，工作表面溫升可達(dá)800—850°C，反復(fù)加熱、冷卻導(dǎo)致的熱疲勞損壞更為嚴(yán)重，因此要求擠壓模具材料具有更高的室溫及高溫硬度和熱穩(wěn)定性，有較高的抗氧化能力，以減緩模具磨損失效的發(fā)生。這類模具承受著較高的應(yīng)力，要求有更高的高溫強(qiáng)度及回火抗力，防止模具產(chǎn)生塑性變形及推塌，推遲熱疲勞開裂的發(fā)生。

    為提高熱擠壓模具的耐磨性，常用的化學(xué)熱處理方法有滲碳、滲硼、離子氮化、氮碳共滲、滲金屬及復(fù)合滲等方法。

     Cr2W8V鋼熱擠壓凸模先經(jīng)570°C加熱、保溫3h離子軟氮化，再加熱到900°C保溫5h滲硼，隨爐升溫到1040° C保溫2h后油淬、550° 下2h回火三次后，平均壽命可提高到0.7-1萬件，最高可達(dá)4.15萬件。該熱擠壓凸模若未經(jīng)表面處理，僅能夠擠壓0.1一0.2萬件、只經(jīng)滲硼、淬火處理，也可以獲得高硬度、高耐磨的表面層，使模具壽命提高1—2倍， 達(dá)0.3—0.4萬件。僅滲硼層較脆，易剝落，如有氮的滲入，則可增加滲層深度，降低滲層脆性，強(qiáng)化過渡層，增強(qiáng)對表面滲硼層的支撐作用，避免滲硼層的利落。

     前蘇聯(lián)對3X2B8(3Cr2W8V )和4X5B2C(4Cr5W2VSi)鋼經(jīng)過在1050°C鉻釩共滲5h后，連同裝試樣的密封容器一起空冷，重新加熱油淬(到850—920°C淬火)， 再經(jīng)520—540°C、18h離子氮化，540°C、 6h退火處理后，獲得12—20μm的 碳氮化合物。滲層由三層組成，分別為MN(1530—1680HV)、M2(N、C) (1450HV)、擴(kuò)散層a十M7C3(850—970HV)。 經(jīng)復(fù)合處理后鋼的耐磨性大為提高，由于滲入了釩，提高了抗氧化性能，也使模具耐用度提高1-2倍。

例如，某廠進(jìn)口的中?350mm單輪雙槽徑向連續(xù)擠壓機(jī)，用來生產(chǎn)3A21(原LF21)鋁 合金的?15.88mm x0.9mm薄壁圓管。連續(xù)擠壓模的凸模如圖4—6所示。選用4Cr5MoSiV 1(H13)鋼制造，經(jīng)800°C退火，1020—1050°C分級淬火后經(jīng)600°C回火，硬度為42—47HRC,再進(jìn)行硼氮復(fù)合滲。

圖4-6鋁合金連續(xù)擠壓模凸模

1.熱切邊模具用鋼及熱處理

    熱切邊模是將鍛制成形的毛坯切去飛邊。工作時(shí)，凸模壓住鍛件，由凹模切去鍛坯的飛邊。因凸模磨損并不嚴(yán)重，故要求硬度不必過高，有35—40HRC即可;凹模要求硬度較高，應(yīng)為43—45HRC,以保證其耐磨性。凹模有整體式及組合式兩種。整體式凹模適用于中、小型或簡單的切邊模;組合式凹模由兩塊或多塊鑲塊組成，制造工藝簡單易行，熱處理變形小，不易淬火開裂，也便于調(diào)整、更換及修復(fù)使用，特別適用于大型及形狀復(fù)雜的切邊模。

    切邊模在服役過程中要承受一定的沖擊載荷，在剪切過程中，凹模刃口與毛坯相摩擦，易使刃門磨損變鈍，還會受熱而升溫。這就要求熱切邊模具材料應(yīng)具有高的耐磨性、硬度及熱硬性，一.定的強(qiáng)韌性以避免崩刃，以及良好的工藝性能。常用的熱切邊凹模材料有8Cr3、7Cr3、4CrW2Si和5CrNiMo、5CrMnMo等;熱切邊凸模常用的材料有8Cr3和7Cr3.其中以8Cr3鋼應(yīng)用最廣。

     8Cr3鋼的退火工藝為加熱溫度780—800°C爐冷，硬度<255HBS;淬火及回火工藝為淬火溫度820—840°C，油冷到150—200°C出油，立即回火。回火溫度為470—520°C,可滿足凹、凸模的性能要求。

    切邊凹模的刃口容易磨損，為提高其耐磨性，可在刃口部位推焊一層高耐磨、高熱強(qiáng)的材料，也可以用等離子弧噴焊或激光熔覆一層合金粉，有鉆基、鎳基、鐵基三種。常用的為鈷基合金粉末WF111,其化學(xué)成分為: Wc =0.8%-1.2%、Wcr:=25%-30%、Ww=3.5%-4.5%、WB=1 .8%-2.2%、Wsi:=0.8%-1.2%、 WFe<5%，其余為Co.由于WF111的高溫性能好，因此可將切邊凹模刃口的使用壽命提高5—10倍以上。

    圖4-7是汽車行星齒輪熱切邊模，原用8Cr3鋼整體結(jié)構(gòu)制造，刃口易發(fā)生早期變形及磨損，模具壽命僅為0.3—0.4萬件;改用鑲套結(jié)構(gòu)后，將壓制燒結(jié)成形的YG20硬質(zhì)合金刃口鑲塊，經(jīng)精磨后鑲在模體內(nèi)，耐磨性顯著提高，模具壽命提高到10萬件以上。

圖4-7   汽車行星齒輪熱切邊模

2. 熱鐓模具用鋼及熱處理工藝

    有些端部需要局部鍛粗成形的桿狀零件，可采用熱鍛工藝，熱鍛的頻率根據(jù)被鍛件的形狀和所用設(shè)備不同，選擇30—60次 / min不等。對于鐓鍛模具用鋼的性能要求，既要有較高的熱強(qiáng)性和韌性，又要有較好的耐磨性.以防讓過早的熱磨損和堆塌變形，上節(jié)介紹的高耐熱熱作模具鋼HM—1、012A1、GR、HM—3以及3Cr2W8V鋼等，都可用作熱檄模具。

    汽車后橋半軸法蘭盤的鍛造終成形凹模，原用3Cr2W8V鋼制造，使用壽命為2000件;對使用條件較為苛刻的平鍛機(jī)熱鐓模采用5Cr3Mo3VNb(HM一3)鋼制造，并可用離子氮碳共滲處理，以提高模具表面的耐磨性和抗粘著能力，使用壽命超過4000—6000件。

四、壓鑄模具材料及熱處理工藝

    金屬壓鑄是機(jī)械化程度和生產(chǎn)效率都很高的生產(chǎn)方法，是先進(jìn)的少無切削工藝。壓鑄生產(chǎn)可以將熔化的金屬液直接壓鑄成各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精確、表面光潔、組織致密以及用其他方法難以加工的零件，如薄壁、小孔、凸緣、花紋、齒輪、螺紋、字體以及鑲襯組合等零件。近年，壓鑄成形巳廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、儀器儀表、航海航空、電機(jī)制造、日用五金等行業(yè)。

    壓鑄模具是在高的壓應(yīng)力(30—150MPa)下將400一1600°C的熔融金屬壓鑄成形。在成形過程中，模具周期性地與熾熱的金屬接觸，反復(fù)經(jīng)受加熱和冷卻作用，且受到高速噴入的金屬液的沖刷和腐蝕。因此，壓鑄模具用鋼要求有較高的熱疲勞抗力、熱導(dǎo)性及良好的耐磨性、耐蝕性、高溫力學(xué)性能等。壓鑄模具的選材，主要是根據(jù)澆注金屬的溫度及種類而定。

    鋁合金壓鑄模常用鋼為: 4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5MoSiV(H11)、3Cr2W8V及新鋼種4Cr5Mo2MnVSi (Y10)和3Cr3Mo3VNb(HM-3)等。

例如，起重電動機(jī)鋁合金殼體的擠壓鑄造。圖4-8為PK系列3P/13型電動機(jī)殼體，殼體內(nèi)部鑲有硅鋼片，它是經(jīng)預(yù)疊壓后放人模具再擠壓鑄造成形的。

圖4-8電動機(jī)殼體

    由于合金收縮包緊硅鋼片使之成為一整體，所以電動機(jī)工作溫度小，散熱條件好，起重扭矩大，是一種節(jié)能型電動機(jī)。根據(jù)零件的形狀持點(diǎn)，模具設(shè)計(jì)采用斜銷抽芯四開模，模具結(jié)構(gòu)如圖4-9所示。模具工作前，用紅外線板

圖4-  圖動機(jī)殼體的壓鑄模

     模具的成形零件表面預(yù)熱到100—120°C， 將熔煉好的鋁合金液澆注到由定模塊和壓頭組成的壓鑄室中。模塊材料采用Cr5MoSiV1(H13)、模體材料采用45鋼。鋁合金壓鑄模的模塊制造工藝流程是:鍛造球化退火.粗加L-精加工一淬火、回火一鉗修-拋光一離子 氮化(或離子氮碳共滲)裝配。經(jīng)氮化處理過的鋁合金壓鑄模，無粘附、剝落、擦傷及腐蝕現(xiàn)象，壓鑄千余次后，表面仍光潔完好如初，脫模順利。在使用過程中若間隔進(jìn)行2—3次離子氮化， 可再延長50%的使用壽命。

     日本采用硼氨共滲法將鋁合金壓鑄模的工件放在真空度為13.3Pa的爐子內(nèi)，通人氮?dú)狻浠鸷蜌錃庵?.33x103Pa,氣體比例為N2：B7H6：H2=20:10:70,以工件為陰極，爐子為陽極，輝光放電共滲800°C、2h。經(jīng)此工藝處理后，因?yàn)榈c硼向工件表面擴(kuò)散，形成氮化硼滲層，具有良好的耐燒傷性，沒有鋁合金粘附現(xiàn)象，使用壽命可提高4倍。

     由于銅液溫度較高，且熱導(dǎo)性極好，工件傳遞給模具的熱量多，且快，常使模具型腔在極短時(shí)間即可升到較高溫度，然后又很快降溫，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力的反復(fù)作用，促使模具型腔表而產(chǎn)生冷熱疲勞裂紋，并會造成模具型腔的早期開裂。因此，銅合金壓鑄模的壽命遠(yuǎn)比鋁合金及鋅合金壓鑄模的壽命低。因而要求銅合金壓鑄模具材料具有高的熱強(qiáng)性、熱導(dǎo)性、韌性、塑性，高的抗氧化性、耐金屬侵蝕性及良好的加工工藝性能。

     國內(nèi)仍大量采用3Cr2W8V鋼制造銅合金的壓鑄模具，也有的用鉻鋁系熱作模具鋼。近年來，我國研制成功的新型熱作模具鋼Y4(4Cr3Mo2MnVNbB).其抗熱疲勞性能明顯優(yōu)于3Cr2W8V鋼:3Cr3Mo3V鋼模具的使用壽命也比3Cr2W8V鋼模具高。銅合金壓鑄?？蛇M(jìn)行離子氮化表面處理，Y4鋼氮化后，表面硬度可達(dá)990HV,能避免銅合金的粘模現(xiàn)象。

     壓鑄模常用的材料仍為3Cr2W8V鋼，但因該鋼的熱疲勞抗力差，因此使用壽命很低。目前國內(nèi)外均趨向于使用高熔點(diǎn)的鉬基合金及鎢基合金制造銅合金及黑色金屬壓鑄模，其中TZM及Anviloy1150兩種合金受到普遍重視。采用熱導(dǎo)性好的合金，如銅合金制造黑色金屬壓鑄模，也收到了滿意的效果。表4-12為幾種黑色金屬壓鑄模具材料.主要是銅合金材料。

表4-12  幾種黑色金屬壓鑄模具材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

    瑞典SSAB鋼鐵集團(tuán)研發(fā)的顛覆性全新概念預(yù)硬工具鋼，預(yù)硬至45—48HRC無需熱處理，極少的碳化物析出和極少的殘留奧氏體，幾乎沒有應(yīng)力，瑞典皇家工學(xué)院堪稱韌性與硬度的完美結(jié)合，具有超高的韌性和尺寸穩(wěn)定性，高溫性能非常優(yōu)秀，極其適合熱作環(huán)境應(yīng)用。

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來源：熱處理生態(tài)圈