热变形模具钢的选材和热处理

huanggj

　　摘要：热作模具的工作环境有其特殊性，而且原材料成本较昂贵。因此正确选用热作模具钢和合理的进行热处理工艺的制定就更为重要。

　　关键词：热变形模具钢；变形模具钢

　　随着汽摩、轴承、齿轮、电讯、仪表等工业的发展，毛坯的需求量大量增加，相应的机械加工工业中热煅、热挤压、压铸等在生产中使用的热变形模具也越来越引起人们的关心和重视。人们在探索如何提高热作模具寿命问题时，对热变形模具的选材和相应的热处理工艺的探讨也越显重视。但是不论是锤锻、压力机锻、热挤压和压铸，其中的热作模具和冷作模具的工作条件是完全不同的。模具的工作面直接与高温金属或液态金属相接触，从而使机械性能降低；同时模具受到多次反复的热和冷却。因此表面引起体积的变化（胀和缩）产生的附加应力，而形成细的表面裂纹网络，即产生模具所谓“热疲劳裂纹”。随着继续使用。裂纹长大，最后导致开裂。此外模具在工作时受到很大的负荷（压缩、拉伸、冲击、疲劳、剪切等）变形金属温度愈底，变形程度愈大或速度愈高，则模具受到的负荷就愈大，从而可能引起模具的变形和开裂。因此，在使用热变形模具钢时，其需要满足以下基本性能的要求:

　　（1）高的机械性能。尤其在受热条件下，保持高的屈服强度和刃性，从而使模具的工作部分不发生变形和破坏，为此要求有高的抗回火稳定性。

　　（2）优良的耐热疲劳性。从热作模具钢断裂失效形式来看，大多是热机械疲劳断裂。因此热作模具钢应具有高的热机械疲劳断裂抗力指标。为此钢材必须有合理的合金化和具有高的断裂刃性。此外模具钢应有良好的导热性和可能小的膨胀系数，还要有较高的临界温度。使模具在工作温度下不发生α→γ 相变以减小应力值。

　　（3）高的淬透性。保证较大尺寸的热变形模具沿整个截面有均匀一致性能，尤其是刃性。

　　（4）抗氧化能力。尤其是受热较高的模具。

　　正因为热作模具的工作环境有其特殊性，而且原材料成本较昂贵。因此正确选用热作模具钢和合理的进行热处理工艺的制定就更为重要。







　　1 热变形模具钢的化学成分和热处理特点

　　为满足上述性能要求，热变形模具钢都采用合金钢，在化学成分方面碳含量较低，通常在0.30～0.55%范围内，以获得优良的热疲劳性和导热性，同时经热处理后有较好的机械性能。而作为合金元素加入的Gr、W、Mo、V 等四种元素可与碳结合形成特殊碳化物。这些特殊碳化物对热作模具钢的抗回火能力、回火后的硬度和热稳定性有很大的影响。因此在热作模具钢中必须含有Cv、W、Mo、V  等元素。W虽然能提高钢的热强性,但含 W 量过多使热疲劳性敏感性增高，Mo也能提高钢的热强性增加。Mo含量也能降低钢的热疲劳抗力,但如以 Mo 代 W，则在获得相同的热强性的条件下具有较高的抗热疲劳能力。这是目前国内一般压铸模已用含Mo的H11的H13(4G5MoV1Si)替代3G2W8V。但如考虑模具在高温下的热强性和抗变形能力，则3G2W8V优于H13或 H11。一些高温下工作的锻模和精模仍用3G2W8V。

　　实际应用中的热作模具钢不可能既具有较高的热强性和耐磨性，同时又具备较高的断裂抗力及抗热疲劳能力，然而有些钢可通过不同的热处理工艺分别使它具有不同的特性。因此对于许多现有的热作模具钢不可能只有一种或两种“最佳” 热处理工艺，对于这种模具可能是最佳，对于另一种模具也许并非最佳，甚至是不佳。因此要根据模具的工作条件和失效分析来制定合理的热处理工艺。其次作为热作模具钢来说，因为它的碳含量在0.30～0.55%之间，用不同的淬火加热温度，可使淬火后所得的淬火组织中马氏体的形态有很大的变化。即适当提高中碳含量钢的淬火温度，可使淬火组织中板条马氏结构组织增加，因而增强刚的强韧性，这也是热作模具钢热处理不同之处。

　2 常用的热变形模具钢

　　2.1 低合金变形模具钢

　　这类钢的合金化各国都以Cr-Ni或 Cr-Mn为主加入合金元素Mo或Ti。目前国内仍广泛使用Cr-Ni或 Cr-Mn系统的低合金变形模具钢，其典型钢中为5CrNiMo和54NiMo它的化学成分和热处理类似调质钢,一般工厂在淬火时为防止模具变形和开裂，出油温度不敢压的很低，一般在200℃左右。此时仅略低于该钢种的Ms点,因而只有模具表面获得一层马氏体组织中,心部仍处于过冷奥氏体状态,为了防止模具开裂一般,又及时转入380～540℃的 回火炉中及时回火，这样心部的过冷奥氏体有可能在回火过程中转变为上贝氏体组织，冲击韧性较差。因而，造成国内锻模寿命普遍不高，不超过 3000 件，其失效方式是开裂，塑性变形和龟裂。

　　为了提高这类钢制热锻模的使用寿命，故采用复合等温热进行处理是行之有效的办法。该方法首先在160～200℃ 硝盐中分级停留使其发生部分马氏体转变，然后再转入 280～300℃ 硝盐中等温 2～3 小时，经过这样处理后的组织，由马氏体、下贝氏体、残余奥氏体组成，然后取出空冷，再根据所须硬度在规定温度下回火。这样处理后心部主要获得回火下贝氏体组织与上贝氏体相比在硬度相同的情况下，钢的韧性得到显著提高。此外淬火加热温度提高到 880～900℃，使得淬火后马氏体形态有所改变，板条结构的马氏体比例增加，淬硬度增加，经过如此处理后锻模寿命可以大幅度提高。

　　2.2 我国研制的无Ni、Cr低合金热变形模具钢

　　我国有关单位研制了符合我国资源以Si-Mn为基础的无镍铬低合金变形模具钢5SiMnMoV和5CrMnSiMoV分别代替5CrNiMo和5CrMnMo这类钢具有良好的高温疲劳强度和较好的淬透性，其中以5CrMnSiMoV为代表的大中型锻模钢，具有良好的淬透性、较高的强度、硬度、耐磨性和良好的冲击韧性。其抗回火稳定性和疲劳性都比 5CrNiMo 钢好，但塑性和冲击韧性比 5CrNiMo 钢低，但基本能满足要求，因此在大中型锻模中完全可以使用。







　　2.3 高合金变形模具钢

　　3Cr2W8V作为我国最典型和使用最广泛的高合金热变形模具钢，是Cr-W型系列的代表性钢种，被广泛用作热挤压模和Cu.A1合金的压铸模，这种钢热稳定性高，热强度好，使用温度达650℃，但导热性低，抗热疲劳性差，已逐渐被Cr-Mo系列热作模具钢所取代。因此，在压铸模，锻模近几年广泛采用H11（4Cr5MoVSi）或H13（4Cr5MoV1Si）。但3Cr2W8V仍是我国广泛被采用高合金热钢模，更为重视的是我国广大热处理工作者围绕着其高温强度、冲击韧性和断裂韧性进行了多种热处理工艺方面的改进。

　　2.3.1 细化碳化物的预先热处理

　　3Cr2W8V虽碳含量是0.3%左右，但属于过共析钢，基本组织为索氏体加碳化物，为使合金碳化物达到细、均、元，使热处理后钢具有高的强刃性，常规退火工艺是达不到的。

　　(1) 高温固容淬火快速均匀球化法。钢经1200℃奥氏体淬油，冷却到400～500℃取出再经730～750℃短时等温的空冷。

　　(2) 高温淬火——高温等温快速匀细球化法。钢经1020～1100℃ 均温油冷，再重新加热到 840～900℃均温后不保温随即炉冷，硬度 Hb210 左右，碳化物为0.4～0.9um，碳化物颗粒均细小。

　　2.3.2 强韧化热处理

　　(1) 高温淬火+高温回火。用1150℃加热淬火后经660～680℃×2～3次回火，能显著提高3Cr2W8V钢的强刃性和热疲劳抗力等性能。作者曾对自行车左右曲柄热锻模采用上述工艺经高温1150℃加热淬火后，用井式气体渗炭炉660～680℃加入少量甲醇和煤油进行保温。两次回火处理后模具使用寿命成倍提高。

　　(2) 高温淬火+低温回火（620～640℃）。对于压陷形式失效的热作模具，可以提高其硬度，提高热强度和耐磨性，用1150℃淬火后用620～640℃回火的强刃化处理工艺。作者曾在摩托车零件的精锻模采用次工艺，使用效果较好。模具的耐磨性曾加。

　　(3) 低温淬火。用于承受强烈冲击负荷，模具因刃性不足而导致早期脆断的，可适当降低淬火加热温度，提高处理后钢的冲击刃性和塑性。

　　(4) 等温淬火。得到的马氏体+下贝氏体为主的复合淬火组织，模具经此处理后，具有良好的强韧性和多冲负荷下较低的裂纹敏感性，裂纹的扩展速率低等优点。作者曾对柴油机进排气门阀杆热锻模处理中采用过此工艺，1130℃加热油冷1-1.5分转入350～380℃硝盐炉等温1.5小时，取出空冷，再经600℃两次回火，处理后硬度Rc45-48.

　　4Cr5MoVSi(H11)和4Cr5MoV1Si，（H13）是Cr-Mo系列的代表性钢种，是我国目前近20年内使用较广泛的另一类型的热变形模具钢，此钢在中温（600℃）下具有良好的热强性，高冲击刃性和冷热疲劳性能。在许多国家广泛用于压铸模和压力机的热锻模，H13用于压铸模、H11用于热锻模。由于Cr、Si等合金元素的加入，钢的抗氧化性能良好，没有 W 的加入。则合金碳化物的偏析小，碳化物颗粒小，V 能细化晶粒。此钢热处理特点是预先组织的处理，因合金度高，成份偏析大，预先进行1150℃扩散退火，最好是扩散退火到正火能反复几次，其目的是使组织均匀。此点还没有引起人们的足够重视。另一点应引起热处理工作者重视的是H13钢的过冷奥氏体在珠光体转变区孕育期较长，在400～600℃之间极为稳定，为分级淬火创造了有利条件，但Cr-Mo钢在贝氏体转变区域的稳定性较差；同时此区的稳定性与钢的奥氏体化加热温度有关。一些资料表明，直径为φ200mm 的 H13 如采用1020℃加热油冷将出现贝氏体组织，若采用1070℃加热保温则同样直径以内保证不出现贝氏体组织。如果淬火组织中存在贝氏体，在高温回火将沿着条状的α相晶界析出碳化物，并在该处聚集长大，使钢的冲击刃性降低，出现“贝氏体脆性”，为此将淬火组织中的贝氏体量限制在10%以下。

　　3 新热变形模具钢

　　随着机械工业的发展，对于毛坯需求的质量要求越来越高、热变形模具的工作温度不断地提高，工作应力也是不断地增大。因此对热变形模具钢的高温强度、高温硬度、冲击刃性、耐热疲劳性、耐磨性和抗氧化都提出了更高的要求。为了适应这些要求，国内外均研制了一些新的热变形模具钢，并在实际应用中取得良好的效果。

　　(1) 北京钢厂和一机部机电所等单位在德国典型的热锻模钢35Cr3Mo3V的基础上进行改型发展成为35Cr3Mo3W2V（即HM1）和25 Cr3Mo3VNb（HM3）两种模具钢。在轴承环热挤压模等模具上使用，寿命比3Cr2W8V和H13高一倍左右。

　　(2) 上海材料研究所等单位研制成功的40Cr3Mo3W4VtiNb(即GR)在提高W、Mo含量的同时加Ti,Nb来细化晶粒和抗过热敏感性。从而提高了钢的高温强度和红硬度。用于高速锤精密锻造齿轮和大型螺帽的热镦锻模具取得较好的成效。

　　(3) 5Cr4W5Mo2V（代号RM2）此钢具有较高的抗回火能力及热稳定性，具有较高的硬度和耐磨性，有较好的高温变形能力，更适用于精锻模具淬火加热温度为1140℃油冷至180℃～200℃出油空冷，600～620℃回火两次硬度为Rc50～52。

　　(4) 6Cr4Mo3Ni2WV(代号CG2）钢，是在MA型基本钢的基础上，研制而成的新型模具模具刚。处理工艺是1120℃油淬，560℃回火两次，或1180℃油淬630℃回火两次，用CG2钢制作的热挤压冲头寿命比3Cr2W8V钢提高2～3倍。

ivanwongdg

3cr2w8v 基本不用了。