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。
●通常在反復加熱和冷卻的條件下工作，變形加.加熱時間越長，加熱越嚴重。模具面溫升至300-700°C之間，需要高熱強度、熱疲勞和韌性，常選擇中碳(wc=0.3%一0.6%)制作合金鋼。
熱作模具材料第一節(jié)的主要性能要求●工作特點：熱作模具在機械載荷和溫度發(fā)生循環(huán)變化時工作。
●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。
熱作模具材料的使用性能要求●評價熱作模具鋼的性能指標：室溫和高溫條件下的硬度！強度！韌性等。
●使用熱作模具材料時，一般有七個性能要求。
(1)硬度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間。
應指出，鋼的最佳淬火溫度應通過鋼的淬火溫度一晶粒度一硬度關系曲線來選擇。
馬氏體中的二次硬化與鋼的合金化程度有關。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殘余奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，模具鋼的高溫硬度將提高。
(2)強度強度是模具中，模具的整個截面或某個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度。用拉伸試驗測定一定的溫度 抗拉強度較低σb,和屈服點σs,一般來說，模具不允許永久塑性變形，因此需要高屈服強度。當模具鋼塑性差時，一般不使用抗拉強度而使用抗彎強度σbb抗彎試驗作為一種力學指標，產(chǎn)生的應力狀態(tài)與許多模具工作表面的應力狀態(tài)非常相似，能夠準確反映構(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)熱疲勞強度越高。因此，應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。
(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展率：熱疲勞通常為20-750°C反復加熱冷卻時產(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，因為大多數(shù)錘鍛模具和壓力機模具都因磨損而失效。國內(nèi)現(xiàn)有單位在自制熱磨機上進行熱模鋼的高溫損傷試驗，效果較好。因為熱模通常在較高的溫度下工作，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。
二、熱作模具材料的工藝性能要求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)量直接關系到模具材料的推廣和應用。
1 鍛造工藝性
鋼的高溫強度越低，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，滿足設計使用壽命的要求。
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。
第二節(jié)熱作模具材料及熱處理一、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、平鍛機鍛模、大型壓力機鍛模等，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，使模具表面常溫達到300-400°C，有時局部可達500-6000°C。鍛造模具截面大，腔形復雜，要求鋼具有一定的高溫強度和良好的沖擊韌性、高硬度和耐磨件、耐熱疲勞、淬火，導熱性好，有利于散熱，避免腔表面溫度過高，降低機械性能，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含有過高的碳和碳化物形成元素，碳的質(zhì)量分數(shù)應控制在0.3%—0.5%，同時加入少量Cr、Mo、V、Ni、Mn、Si增加少量淬透性和熱強度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。
（一）5CrNiMo鋼01力學性能5CrNiMo鋼是20世紀30年代初應用至今的傳統(tǒng)熱鍛模具鋼，國內(nèi)應用廣泛。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，尺寸效應不敏感。由于碳化物形成元素含量不高，二次硬化效應弱.因此，熱穩(wěn)定性差，熱強度低，一般為400°C以下工作可保持高強度，超過400°C強度急劇下降，模具溫升至550°C時，σb與溫室相比，一半。
022.工藝性能5CrNiMo鋼的臨界點： Ac1 為730°C; Ac3為780°C; Ms為230°C。
(1 )鍛造:
市場上供應的鋼材有纖維組織。直徑越大，偏析越嚴重。對于承受高負荷或大型模具的坯料，應進行各向鍛造.并進行鍛粗和拉長，交替進行的次數(shù)應不少于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
淬火后的模具應立即移入回火爐進行回火，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.應用
許多國家主要使用大型熱鍛模型CrNiMo鋼，通用性強，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應用范圍逐漸縮小，該鋼的熱強度和耐磨性不如高強度熱模具鋼，不適合中小型鍛造模具。
（二)5CrMnMo鋼01力學性能考慮到中國的資源，為節(jié)約鎳而開發(fā)的5CrMnMo鋼。其強度略高于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，其熱疲勞性能也較差。
02工藝性能5CrMnMo鋼的臨界點； 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，冷卻至150-180°C出油并立即回火。減少變形和開裂.淬火時最好延時冷卻，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
03應用與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模塊，對強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。
(三)4CrMnSiMoV鋼01力學性能4CrMnSiMoV鋼是原冶金部標準推薦的5CrMnSiMoV鋼的改進型。碳的質(zhì)量分數(shù)降低了0.1%的目的是在保持原有強度的基礎上提高鋼的韌性。該鋼無鎳，但強度、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鍛造模。CrMnSiMoV鋼可以代替5CrNiMo
02工藝性能4CrMnSiMoV鋼的臨界點： 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,加熱的溫度和時間不宜過高過長，鍛后進行砂冷或坑冷。為減少脫碳現(xiàn)象，大型鍛件應在鍛后放入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，淬火時的應力和變形比中、小型模具大，工作時應力分布不均勻，需要有較高的韌性，硬度選取較低。
3.應用
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、彎曲模和平鍛機鍛模，般壽 命都比5CrNiMo高出0.5倍。
(四) 5NiCrMoV鋼和5Cr2NiMoVSi鋼
從20世紀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80年代起，我國研制了類似鋼號5NiCrMoV,推薦將5NiCrMoV鋼用于大型、復雜形狀、重載荷的錘鍛模和壓力機鍛模。
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，從而使得其高溫強度大幅度提高，且具有更高的淬透性和熱穩(wěn)定性。
1.力學性能在500°C以下時，5Cr2NiMoVSi 鋼的高溫強度與5CrNiMo鋼相近;而當高于600°時，5Cr2NiMoVSi鋼的強度卻高出一倍以上。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。
2.工藝性能5Cr2NiMoVSi鋼的臨界點: 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
3.應用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?？梢赃x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口的55CrNiMoV6鋼模具提高0.5倍。
中耐熱韌性熱作模具鋼及熱處理許多熱擠壓模、熱鐓鍛模、精鍛模以及鍛壓機、高速錘上的模具等都是在繁重的條件下工作的。這些模具工作時需較長時間與被加工的金屬相接觸，受熱溫度往往比錘鍛模具要高，特別是當加工黑色金屬及難熔金屬時。這類模具盡管尺寸不是很大，往往比錘鍛模要小，但承受著較高的應力，擠壓比大的模具和細長的心棒承受的應力更高。所以要求具有高的熱穩(wěn)定性、比較高的高溫強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性熱作模具鋼之間。我國從20世紀60年代開始引進開發(fā)這類鋼號，用量逐漸擴大，現(xiàn)已成為主要的熱作模具鋼。
(一)含5wt. %鉻的鉻系熱作模具鋼1.H11鋼(4Cr5MoSiV)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，有時也用作壓鑄模和擠壓模。
(1)鍛造:H11鋼碳的質(zhì)量分數(shù)為0.4%，熱塑性較好，當鍛制大型鍛件時，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行。
(3)淬火、回火:淬火時不需預熱，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，所以應避免在500°C附近回火或進行化學熱處理。
2. H13鋼(4Cr5MoSiV1)H13鋼是國際上廣泛應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)量分數(shù)般在1%左右，熱強性和熱穩(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: 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鋼的回火或化學熱處理溫度同樣要避開500°C，但不宜超過650°C。
3. 4Cr5W2SiV 鋼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時具有比高韌性熱鍛模具鋼更高的硬度、熱強性和耐磨性，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。
(二)鉻鉬系熱作模具鋼這類鋼中碳含量較低，是在國外鋼號3Cr3Mo3CoV的基礎上發(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_上加入了微量的元素鋁(WNb=0.08%一0.15%), 使鋼保持高的強度和熱穩(wěn)定性。HM-1鋼的冷熱疲勞抗力比3Cr2W8V鋼高得多，同時還有較高的韌性。HM—3鋼在600°C以上的高溫強度高于4Cr5W2SiV鋼，但當試驗溫度低干600°C時.強度不如4Cr5W2SiV鋼。
HM-1鋼的臨界點: Ac1 為842°C;Ac3為922°C; Ms,為373°C。HM—3鋼的臨界點: 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，并及時進行退火。
(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，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、高強鋼精鍛模、小型壓力機鍛模、鋁合金壓鑄模等都有良好的應用。
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、具有廣闊應用前景的高強韌性熱作模具鋼。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1- 2萬件.最高達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19多倍。該鋼更適宜作為壓鑄模的材料，在鋁壓鑄模等應用上取得明顯效果。
2.析出硬化型熱作模具鋼PH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: 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時采用空冷，截面邊長大于100mm時采用油冷。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?？h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。
屬于此類的鋼中應用得較多較早的有3個鋼號:3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V(RM—2)、5Cr4Mo3SiMnVAI(012A1)鋼。另外還有幾個試用得較好的鋼號: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。
(一)3Cr2W8V鋼3Cr2W8V鋼是鎢系高耐熱熱作模具鋼的代表鋼號。早在20世紀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，鋼的高溫強度和硬度明顯要高于鉻系熱作模具鋼。
1.力學性能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，熱強性越好。由于W2C的析出，在650°C時，沖擊韌度最低，因此高溫韌性較差。
2. 工藝性能3Cr2W8V鋼的臨界點: 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，許多中小型機械廠仍廣泛應用，主要用在壓力機鍛模、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，從而提高了裂紋擴展抗力，使模具的平均壽命提高一倍，達到9000件以上，最高達3.8萬件。
(3)控制淬硬層淬火
采用高溫短時間加熱，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，在隨后淬火時可獲得內(nèi)外不同的組織。例如在1000-3000kN摩擦壓力機上鍛尖嘴鉗.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，而改用高溫短時加熱淬火處理的模具，壽命可達32000件。
(二)RM-2鋼(5Cr4W5Mo2V)1、力學性能
該鋼碳的質(zhì)量分數(shù)屬于比較高的，近0.5%，合金元素總的質(zhì)量分數(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時的熱穩(wěn)定性可達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: 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550°C回火時出現(xiàn)二次硬化峰值，700°C回 火時仍保持40.5HRC的硬度。淬火溫度超過1150°C時晶粒會明顯增大，超過1200°C時顯著增大。
表4-5 5CR4W5MO2V的回火硬度（1130°C淬火）
3.應用
RM-2鋼比3Cr2W8V鋼具有較高的熱強性、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，個別模具可延長10—20倍。
(三)012AI鋼(5Cr4Mo3SiMnVAI)012AL鋼是冷、熱作兼用模具鋼，關于該鋼工藝性能及室溫力學性能已在冷作模具有關章節(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用。
1.高溫力學性能
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.應用實例
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用，壽命可提高5-7倍; 在軍品殼體熱擠壓孟凸模上應用，壽命可提高2倍以上;在軸承穿孔凸模及碾壓輥上應用，比3Cr2w8v鋼提高壽命2-3倍。
表4-4 012A1鋼的熱穩(wěn)定性
(四)CG -2鋼(6Cr4Mo3Ni2WV)CG-2鋼是在高速鋼的基體鋼6W6Mo5Cr4V(低碳M2鋼)的基礎上作適當?shù)母倪M，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.力學性能
由于在鋼中加入了2wt.%的Ni,提高了基體的強度和韌性，其室溫及高溫強度、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: 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，要求反復鐓撥三次以上，保證使碳化物均勻分布，鍛后應緩冷并及時進行退火以消除應力。
(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，制作標準件及軸承滾子的冷鐓模、縫紉機零件冷鐓模，比Crl2MoV 鋼模具壽命明顯延長。
(五)GR鋼(4Cr3Mo3W4VNb)1.力學性能
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性。經(jīng)大氣感應爐冶煉的GR鋼室溫及高溫力學性能如表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更高的屈服強度和熱穩(wěn)定性、冷熱疲勞抗力及高溫抗壓強度，但是韌性較差。
表4-7 GR鋼室溫及高溫力學性能
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: 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,形狀復雜的模具，可進行三次回火，回火后的硬度約為50—54HRC。
3.應用
GR鋼主要用于制作熱鐓和精鍛模具，已成功地應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700°C左右工作溫度而研制的新型熱作模具鋼。
1.力學性能HD鋼的高溫力學性能:經(jīng)1130°C淬火， 650°C回火后，于650°C及700°C進行測量，高溫下的屈服強度、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 下的高溫短時抗拉強度高出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鋼的高溫力學性能
表4-10 不同回火溫度時的硬度值（1130°C加熱淬火（單位：HRC）
2.工藝性能HD鋼的臨界點：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。
3.應用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，鋁合金的熔點較低，約為580—740°C，Y10鋼是在H13鋼的基礎上適當提高釩、錳、硅的含量，屬于含5wt.%鉻的鉻系高強韌性熱作模具鋼。銅合金的熔點溫度較高，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.力學性能
Y10和Y4在冷熱疲勞抗力及阻礙裂紋擴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: Ac1為815°C, Ac3為893°C，MS為271°C。
Y4鋼的臨界點: 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。
(一)奧氏體熱作模具鋼因為馬氏體型熱作模只鋼在650 °C以上會發(fā)生碳化物的聚集長大，致使硬度、強度降低，因此為保證模具在750°C以上能耐高溫、耐腐蝕、抗氧化，需要研制出奧氏體型熱作模具鋼。現(xiàn)在主要有鉻鎳系奧氏休鋼和高錳系奧氏體鋼兩類。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時效后具有較好的綜合力學性能，硬度為45—46HRC，但時效軟化抗力很高.直到800°C時效，硬度仍能保持在42HRc左右，遠遠超過3Cr2W8V鋼，其熱處理工藝與室溫力學性能如表4-11所示。
表4-11 奧氏體鋼室溫力學了性能
高錳奧氏體耐熱模具鋼主要用于制造工作應力較高、使用溫度達700 —800°C的高 溫熱作模具，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。 實際應用中應先將模具預熱到400—450°C,由于這類鋼的塑性、韌性不高，故實際應用受到限制。
(2)高錳奧氏體無磁模具鋼
7Mn15Cr2A13V2WMo(7Mn15)鋼是種高Mn-—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磁場中不產(chǎn)生成感應的結(jié)構(gòu)件外，因其在高溫下還具有較高的強度和硬度(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鋼的高溫力學了性能（1180°C水淬、700°C回火空冷）
2.鉻鎳系奧氏體模具鋼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時仍有250MPa的強度，且有很好的塑性與韌性。該類鋼可進行1150 —1180°C或1050—1150°C的固溶處理，再作750°C的時效處理.適合制造鈦合金蠕變成形模具和具有強烈腐蝕性的玻璃成形模具。
( 二）高溫臺金當擠壓耐熱鋼管時，模具型腔溫度會高達900一1000°C,用奧氏體耐熱鋼也不能解決問題，需要采用高溫合金來制作模具，如鐵基、鎳基、鉆基合金、常用的鎳基合金中，以尼莫尼克100號熱強性最高，其化學成分為:wc=0.3%，WTi=1.0%-2.0%，Wcr=10%-12 %，WA1=4%-6%，Wco=28%-22%，WMo=4.5%-5.5%，WFe<2%，其余為Ni。在900°C時持久強度仍有150MPa,可用于制作擠壓耐熱鋼零件或擠壓銅管的凹模及芯棒。(三)硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金具有很高的熱硬性和耐磨性，可用于制作工作溫度較高的凸?；虬寄Ｖ械蔫倝K。如氣閥挺桿熱鐓擠模，原用3Cr2W8V鋼制作.模具壽命為0.5萬件;改用鎢鈷類硬質(zhì)合金YG20后，模具壽命提高到1.5萬件。硬質(zhì)合金還可用于制作壓鑄模、熱切邊凹模等。(四)難熔合金通常將熔點在1700°C以上的金屬稱為難熔金屬。在壓鑄鋼鐵材料時，壓鑄模型腔的工作溫度可高達1000°C,型腔表面受到嚴重的氧化、腐蝕和沖刷，常因產(chǎn)生嚴重的塑性變形和網(wǎng)狀裂紋而失效，只能壓鑄幾十件或幾百件。因此可以來用鎢、鉬、鈮等熔點在2600°C以上的難熔合全來制作壓鑄模的型腔。由于它們的再結(jié)晶溫度高于1000°C，可長時間在此溫度之上工作。美國使用粉末燒結(jié)的鎢基合金Anviloy1150(ww=90%、wMo=4%、wNi=4%、wFe=2 % )和鉬合金TZM(wc=0.01%-0.04%、wZr=0.06%-0.12%、wTi=0.4%-0.55%， 余為Mo)制作壓鑄模。相比之下，鉬基合金的熱強度和持久強度較高，熱導性好、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，其使用壽命遠高于其他各種熱作模具鋼。
(五)壓鑄模用銅合金在壓鑄鋼鐵材料時，一般3Cr2W8V 鋼壓鑄模的表面接觸溫度在950一1000°C左右，采用熱導性高的銅合金制作的壓鑄模，其表面接觸溫度可降低到600°C。隨著模具型腔溫度梯度的降低，可減少模具的應力和應變，能收到滿意的效果。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，然后進行時效處理，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)常被反復加熱和冷卻，這就要求該模具鋼應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展而導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，該模具鋼還應有較高的高溫硬度和高溫強度。
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，保證模具整個截面的力學性能均勻一致，同時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，所以小型鍛模應在機械加工完成后進行淬火和回火。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), 此時應該把淬火、回火放在粗、精加工的中間進行為宜。大型鍛模由于鍛模尺寸很大(噸位>4t,鍛模高度72>350mm),淬火時的應力和變形比較大，工作時應力分布不均勻，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行粗加工，再進行淬火和回火，然后進行精加工成形，也可以在淬火和回火后再進行機加工。
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，鍛模回火后最好采用油冷。模尾回火可在專門的平板爐上進行，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，即將鍛模回火后油冷3—5min,把模尾提出油面，停留一段時間，使溫度回，然后再放入油中，再提出，反復3—5次以達到要求。
2.熱鍛模鋼的表面化學熱處理
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。總的來說，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間反面會增加脆斷機會。
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—預鍛模膛
熱擠壓模具鋼選用及表面處理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。但其工作時與熾熱金屬接觸時間比熱鍛模長，工作表面溫升可達800—850°C，反復加熱、冷卻導致的熱疲勞損壞更為嚴重，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力，要求有更高的高溫強度及回火抗力，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，常用的化學熱處理方法有滲碳、滲硼、離子氮化、氮碳共滲、滲金屬及復合滲等方法。
(1)硼氮復合滲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，強化過渡層，增強對表面滲硼層的支撐作用，避免滲硼層的利落。
(2)滲金屬與離子氯化復合滲前蘇聯(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)、擴散層a十M7C3(850—970HV)。 經(jīng)復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，某廠進口的中?350mm單輪雙槽徑向連續(xù)擠壓機，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,再進行硼氮復合滲。
圖4-6鋁合金連續(xù)擠壓模凸模
三、熱切邊模、熱鐓模用鋼及熱處理工藝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，凸模壓住鍛件，由凹模切去鍛坯的飛邊。因凸模磨損并不嚴重，故要求硬度不必過高，有35—40HRC即可;凹模要求硬度較高，應為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、更換及修復使用，特別適用于大型及形狀復雜的切邊模。
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具有高的耐磨性、硬度及熱硬性，一.定的強韌性以避免崩刃，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?；鼗饻囟葹?70—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
金屬壓鑄是機械化程度和生產(chǎn)效率都很高的生產(chǎn)方法，是先進的少無切削工藝。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，壓鑄成形巳廣泛應用于汽車、拖拉機、儀器儀表、航海航空、電機制造、日用五金等行業(yè)。
壓鑄模具是在高的壓應力(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、熱導性及良好的耐磨性、耐蝕性、高溫力學性能等。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。
1.鋅合金壓鑄模鋅合金的熔點為400—430°C,鋅合金壓鑄模型腔的表層溫度不會超過400°C:由于工作溫度低、也可以采用合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr、30CrMnSi、40CrMo淬火 后中溫(400—430°C)回火 處理，模具壽命可達20—30萬次/模;甚至可以采用低碳鋼經(jīng)中溫氮碳共滲、淬火、低溫回火處理，使用效果也很好。常用的模具鋼有5CrMnMo、CrWMn等，經(jīng)淬火、400°C回火后，壽命可達100萬次1模。2.鋁合金壓鑄模鋁合金壓鑄模的服役條件較為苛刻，鋁合金溶液的溫度通常在650—700°C左右， 以40—180m/s的速度壓入模具型腔，在20—120MPa壓力下保壓5—20s.每次壓射間隔大約為20—75s。 模具型腔表面受到高溫高速鋁液的反復沖刷，因此會產(chǎn)生較大的應力。鋁合金壓鑄模的壽命取決于兩個因素，即是否發(fā)生粘模和型腔表面是否因熱疲勞而出現(xiàn)龜裂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，起重電動機鋁合金殼體的擠壓鑄造。圖4-8為PK系列3P/13型電動機殼體，殼體內(nèi)部鑲有硅鋼片，它是經(jīng)預疊壓后放人模具再擠壓鑄造成形的。
圖4-8電動機殼體
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。根據(jù)零件的形狀持點，模具設計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- 圖動機殼體的壓鑄模
模具的成形零件表面預熱到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)，通人氮氣、氫化硼和氫氣至1.33x103Pa,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，因為氮與硼向工件表面擴散，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。
3、銅合金和黑色金屬壓鑄模高熔點金屬的壓鑄模工作條件極為苛刻。銅液溫度通常高達870—940°C， 以0.3—4.5m/s的速度壓入銅合金壓鑄模型腔，壓力約為20—120MPa,保壓時間僅為4—6s,每次壓射的間隔大約為15—35s。而鋼的熔點為1450—1540°C, 使鋼鐵材料壓鑄模的工作溫度高達1000°C,致使模具型腔表面受到嚴重的氧化、腐蝕及沖刷，模具壽命很低。模具一般只壓鑄幾十件或幾百件即產(chǎn)生嚴重的塑性變形和網(wǎng)狀裂紋而失效。由于銅液溫度較高，且熱導性極好，工件傳遞給模具的熱量多，且快，常使模具型腔在極短時間即可升到較高溫度，然后又很快降溫，產(chǎn)生很大的熱應力。這種熱應力的反復作用，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性、熱導性、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行離子氮化表面處理，Y4鋼氮化后，表面硬度可達990HV,能避免銅合金的粘?，F(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成分(質(zhì)量分數(shù))
瑞典SSAB鋼鐵集團研發(fā)的顛覆性全新概念預硬工具鋼，預硬至45—48HRC無需熱處理，極少的碳化物析出和極少的殘留奧氏體，幾乎沒有應力，瑞典皇家工學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)境應用。
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來源：熱處理生態(tài)圈
