模具工程材料第3章热作模具钢课件

第3章 热作模具钢,3.1 热作模具钢的分类及钢号 3.2 高韧性热作模具钢 3.3 高热强性热作模具钢 3.4 高热韧性热作模具钢 3.5 热作模具钢热处理 3.6 陶瓷型精铸锻造模具及热处理 3.7 铸钢堆焊制模和电渣熔铸模具及热处理,3.1 热作模具钢的分类及钢号,3.1.1 热作模具钢的分类 热作模具钢按用途可以分为热锻模用钢、热挤压模用钢和 压铸模用钢，有可细分为锤锻模用钢、机锻模用钢、热挤压模 用钢、热锻模用钢、热冲裁模用钢和压铸模用钢。 按耐热性分类可以分为高耐热性用钢、中耐热性用钢和低 耐热性用钢，或按特有性能分为高韧性钢、高热强性钢和高耐 磨钢。 按合金元素分类可以分为钨系热模钢、铬系热模钢、铬铂 系及铬钨系热模钢，或按合金元素含量多少分为低合金热作模 具钢、中合金热作模具钢和高合金热作模具钢。,下一页 返回,3.1 热作模具钢的分类及钢号,3.1.2 热作模具钢标准钢号 国家标准GB1299-1985合金工具钢技术条件列入了12个 热作模具钢钢号，钢号分为三类，一类是原用老钢种，如 5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V、8Cr3等；一类是近年国内研制的 新钢种，如5Cr4Mo3SiMnAl、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、 4CrMnSiMoV等；另一类是引进国外通用钢种，如 4Cr3MoSiV(H10)、4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MnSiV1(H13)、 4Cr5W2VSi(W2)等。,上一页 返回,3.2 高韧性热作模具钢,3.2.1 5CrNiMo 该钢具有良好的塑性、韧性、尺寸效应不敏感。由于碳化 物形成元素含量低，二次硬化效应微弱，热稳定性差，高温强 度低。 1.临界点及组织特征 该钢的临界点为Ac1 730、Ac3 780和Ms 230 2.力学性能 不同淬火、回火温度下的硬度、冲击韧度值见表3-3、表3-4。,下一页 返回,3.2 高韧性热作模具钢,3.工艺性能 (1)锻造 锻坯加热温度11001150，开锻温度10501100，终锻温度800850，砂冷或坑冷 (2)退火 退火工艺曲线如图3-1、图3-2所示。 (3)淬火、回火工艺 淬火预热温度600 650 ，加热温度830 860 ，油淬。回火工艺见表3-5。 4.实际应用,上一页 下一页,3.2 高韧性热作模具钢,3.2.2 5CrMnMo 1.临界点及组织特征 该钢的临界点为Ac1 710、Ac3 760和Ms 220。 淬火组织为马氏体加少量残余奥氏体，奥氏体晶粒度大于合金元素较高的中、高合金热作模具钢。 2.力学性能 5CrMnMo不同温度下的力学性能见表3-6。 3.工艺性能 (1)锻造 钢坯锻造加热温度1 1001 150，开锻温度10501 100，终锻温度800850、锻后缓冷(坑冷或砂冷)，注意防止模具开裂。,上一页 下一页,3.2 高韧性热作模具钢,(2)退火 等温退火加热温度850870，等温温度680，退火硬度197241HBS (3)淬火 加热温度840860油淬，冷到150180左右出油并立即回火.为减少变形及开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到740780，然后入油。 (4)回火 回火工艺见表3-7。 4.实际应用 适用于制造要求较高强度和耐磨性，而韧性要求不甚高时的各种中、小型锤锻模具及部分压力机模块，也可用于工作温度低于500C的其他小型热作模具。,上一页 下一页,3.2 高韧性热作模具钢,3.2.3 4CrMnSiMoV 此钢具有较高的强度、耐磨性和良好的冲击韧度，其高温 性能、抗回火稳定性、热疲劳抗力均比5CrNiMo好。 1.临界点 该钢的临界点为Ac1 792、Ac3 855和Ms 330 2.力学性能 不同温度下的力学性能见表3-8。 3.工艺性能 (1)锻造 钢坯加热温度1 1001 140，开锻温度1 0501 100，终锻温度850，锻后砂冷或坑冷。,上一页 下一页,3.2 高韧性热作模具钢,(2)退火 等温退火加热温度840860，等温温度700720。 (3)淬火 大型锻模淬火温度870900，中小型锻模淬火温度900930。 (4)回火 大型锻模回火温度620660 ，硬度3842 HRC;中型锻模回火温度610 630，硬度4144 HRC;小型锻模回火温度470610 ，硬度38 42 HRC 4.实际应用 此钢适用于大、中型锻模，也适用于中、小型锻模。,上一页 下一页,3.2 高韧性热作模具钢,3.2.4 3Cr4MoWVNi 该钢具有二次硬化效应，经600C回火后，仍能保持较高 的硬度（45-50HRC），回火温度高于620C后硬度才急剧下 降，因而其稳定性较高。 1.临界点 该钢的临界点为Ac1 816、Ac3 833和Ms 68 2.力学性能 3Cr2MoWVNi钢室温及高温力学性能见表3-9。,上一页 下一页,3.2 高韧性热作模具钢,3.工艺性能 (1)退火 等温退火加热温度820，等温温度700720。 (2)淬火、回火工艺 淬火温度9801 020，回火温度610660，回火后硬度为4143 HRC。具体淬火、回火温度的选择应视要求模具有良好韧性或较高回火稳定性的具体情况而定。,上一页 返回,3.3 高热强性热作模具钢,3.3.1 3Cr2W8V 1.临界点 3Cr2W8V钢临界点为Ac1 830、Ac3 920和Ms 350 2.力学性能 （1）室温力学性能 经不同温度淬火及回火后硬度分别见表3-10、表3-11。 （2）高温力学性能 3Cr2W8V经不同工艺处理后的高温强度、高温冲击韧度等见表3-15。 3.工艺性能 (1)锻造 钢坯加热温度1 1301 160，始锻温度1 0801 120，锻后空冷到700后缓冷。,下一页 返回,3.3 高热强性热作模具钢,(2)退火 等温退火加热温度840880，等温温度720740，退火硬度241 HBS (3)淬火 淬火温度1 0501150，油冷，淬火硬度5054 HRC (4)回火 回火温度550650二次，每次2h，回火硬度4050 HRC 4.热处理新工艺及实际应用 （1）高温淬火工艺 （2）控制淬硬层淬火工艺 （3）贝氏体等温淬火工艺,上一页 下一页,3.3 高热强性热作模具钢,3.3.2 5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al） 1.高温力学性能 012A1的热稳定性及高温拉伸性能见表3-16及表3-17。 2.在热作模具上的应用 012Al在轴承套圈热挤压凸模及凹模上应用均获得满意效 果，与3Cr2W8V比较，寿命提高5-7倍；军品壳体热挤压凸模上 应用，模具寿命比3Cr2W8V提高2倍以上；在轴承穿孔凸模及碾 压辊上应用，寿命提高2-3倍。,上一页 下一页,3.3 高热强性热作模具钢,3.3.3 4Cr3Mo3W4VNb（GR） 1.化学成分 GR属钨钢系热作模具钢，其中加入少量Nb是为增强回火抗力及热强性。其化学成分见表3-18。 2.临界点 GR临界点为Ac1 821、Ac3 880、Ar1 752和Ar3 850 3.力学性能 经大气感应炉冶炼的GR室温及高温力学性能见表3-19。其热疲劳及热稳定性见表3-20及表3-21。 4.工艺性能 (1)锻造 始锻温度1 150，终锻温度900，锻后缓冷及时退火。,上一页 下一页,3.3 高热强性热作模具钢,(2)退火 等温退火加热温度850 ,等温温度720，冷到550以下出炉空冷 (3)淬火、回火 淬火温度1 1601 200，若要求高韧性及塑性，则选用较低淬火温度;若要求高的高温强度及回火稳定性，则选用较高淬火温度。回火温度630、600两次回火，每次23h，若复杂形状的大模具，可采用二次回火，回火后硬度为5054 HRC。 5.实际应用 GR成功地应用在齿轮高速锻造、精密锻造、轴承套圈热挤压、自行车零件及螺母热镦段、小型机锻模、滚锻模等方面，效果显著。,上一页 下一页,3.3 高热强性热作模具钢,3.3.4 奥氏体热作模具钢 1.高锰系奥氏体钢 （1）力学性能 室温力学性能见表3-22。 （2）处理工艺 固溶温度1 1501 180，固溶硬度18 25 HRC，时效温度700，时效硬度4647 HRC 。 （3）应用 该类钢室温强度、硬度并不高，韧性、塑性也较低，实际应用时应将模具加热到400450。这类钢脆性也较大，实际应用受到限制。,上一页 下一页,3.3 高热强性热作模具钢,2.铬镍系奥氏体模具钢 该类钢室温强度并不高，但在高温下仍能保持较高的强度，而且具有很好的韧性与塑性。 3.高锰奥氏体高热强无磁模具钢7Mn10Cr8Ni10Mo3V2(7Mn15) 7Mn15是一种高锰饥系无磁模具钢。该钢在任何状态下都能保持稳定的奥氏体组织，除制作冷模具、无磁轴承及要求在强磁场中不产生磁感应的结构件外，因该钢还具有较高的强度和硬度(见图3-3 ),因此也可用来制作700800下使用的热作模具。,上一页 下一页,3.3 高热强性热作模具钢,3.3.5 4Cr3Mo2NiVNbB(HD) 1.化学成分 HD的化学成分见表3-23。 2.临界点 HD临界点为Ac1 830和Ms 350 3.力学性能 （1）室温力学性能 HD的室温力学性能见表3-24。 （2）高温力学性能 HD经1 130淬火、650回火后于650及700测量，高温力学性能见表3-25。,上一页 下一页,3.3 高热强性热作模具钢,4.工艺性能 (1)锻造 加热温度1 1001 150，始锻温度1 0001 050，停锻温度为850。 (2)退火 加热温度850，保温4h，炉冷到550以下出炉空冷。 (3)淬火、回火 不同淬火温度下的晶粒度及硬度见表3-26，回火温度与硬度的关系见表3-27。 5.实际应用 HD应用在钢质药筒热挤压凸模、铜合金管材挤压底模和穿孔针、热挤压轴承环凸模与凹模、气门挤压底模等模具，使用寿命均比3Cr2W8V提高。,上一页 返回,3.4 高热韧性热作模具钢,3.4.1 Cr为5%的铬系高强韧热作模具钢4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5MoSiV(H11)和4Cr5W2VSi(W2) 1.临界点 三种钢的临界点见表3-29。 2.力学性能 三种钢室温及高温力学性能数据见表3-30。 3.工艺性能 (1)锻造 加热温度1 1201 150，始锻温度1 0801 120，终锻温度850，锻后缓冷，及时退火。,下一页 返回,3.4 高热韧性热作模具钢,(2)退火 等温球化退火，加热温度860,等温温度750 ，冷到500以下出炉空冷;普通退火，加热温度860900 ，以30 /h冷速，冷到500以下出炉空冷 (3)淬火及回火 三种钢常用热处理规范见表3-31。 4.实际应用 Cr为5%的铬系热模钢是通用性较强的热作模具钢，广泛应用于铝型材挤压模，汽车、拖拉机、五金工具等行业的机锻模，辊锻模，轴承行业挤压模及碾压辊和压铸模等方面。,上一页 下一页,3.4 高热韧性热作模具钢,3.4.2 4Cr5Mo2MnVSi(Y10)及4Cr3Mo2MnVNbB(Y4) 1.化学成分 两种钢的化学成分见表3-32。 2.临界点 两种钢的临界点见表3-33。 3.力学性能 室温及高温力学件能见表3-34。,上一页 下一页,3.4 高热韧性热作模具钢,4.工艺性能 两种钢锻造及退火工艺与3Cr2W8V相近，但锻造性能良好，锻造温度范围宽，无特殊要求。退火硬度低于3Cr2W8V 淬火温度为1 0201 120，回火温度600630，根据用途及要求进行选择 5.实际应用 Y10及Y4在力学性能上，尤其是冷热疲劳及裂纹打一展速率方面优于3Cr2W8V，是比较理想的铝、铜合金压铸模材料。该两种钢用于压铸模具，使用寿命普遍提高110倍。 Y10及Y4热模钢在热挤压模、热锻模的应用方面也取得了明显成效。,上一页 下一页,3.4 高热韧性热作模具钢,3.4.3 析出硬化型热作模具钢2Cr3Mo2NiVSi(PH) 1.化学成分 PH的化学成分见表3-35。 2.钢的临界点 该钢的临界点为Ac1 776、Ac3 851和Ar1 672。 3.力学性能 室温及高温力学性能见表3-36。 4.工艺性能 (1)锻造 始锻温度1 0001 100，终锻温度850，锻后炉冷。,上一页 下一页,3.4 高热韧性热作模具钢,(2)退火 加热温度780，冷速40 /h，冷到680后随炉冷却，退火硬度217229 HBS (3)淬火及回火 淬火加热温度9901 020，截面 100 mm时可采用空冷，截面大于100 mm时为油冷。回火温度370400，回火一次即可。 5.实际应用 PH适用于在500600范围内使用的热锻模具，制作常啮合齿轮模和连杆模等模具，使用寿命较H11提高1倍。,上一页 返回,3.5 热作模具钢热处理,3.5.1 热锻模具用钢及热处理 1.热锻模具钢的合理选用 （1）热锻模具钢的性能要求 高的冲击韧度和断裂韧度 高的高温硬度及高温强度 高的淬透性 高的热疲劳抗力 较高的回火稳定性,下一页 返回,3.5 热作模具钢热处理,良好的工艺性能 （2）热锻模具用钢及合理选材 2.热锻模具钢的锻造及退火 （1）热锻模具钢的锻造 工艺要点:关键是始锻温度、终锻温度、锻造比及具体操作 锻造温度范围:钢的始锻温度与终锻温度之间的间隙称为锻造温度范围，锻造温度范围越宽，钢的锻造性能越好。 锻造比 锻造比的计算公式是 y总=y1+y2+y3+ 式中 y1，y2，y3分别为单次徽粗比或拔长比。,上一页 下一页,3.5 热作模具钢热处理,式中 H锻粗前毛坯高度; h锻粗后毛坯高度; L拔长前毛坯长度; l拔长后毛坯长度。 操作:锻造下料方法一般有两种，即冷切和热切下料。 （2）热锻模具钢的退火 普通退火:模块退火可采用完全退火或等温退火，不同尺寸的模块退火时的保温时间、保温温度、升温速度、冷却速度都不相同。,上一页 下一页,3.5 热作模具钢热处理,防白点退火:白点是一种缺陷，是在钢材纵向断口上出现的银白色斑点，而在横向断面上经浸蚀后出现开裂。为此，模块锻后除进行普通退火外，还需进行防白点退火。 高温回火:锤锻模因磨损造成尺寸超差，可进行翻新。为了便于加工，需翻新的锻模应进行软化处理，即降低硬度。为此，可进行高温回火。 3.热锻模具钢的热处理 （1）淬火工艺 淬火前的准备工作 淬火温度及保温时间:表3-39为几种主要锤锻模用钢的淬火工艺，在给定的温度下淬火可确保钢中奥氏体晶粒不易长大，并保证钢具有较高的冲击韧度。,上一页 下一页,3.5 热作模具钢热处理,淬火冷却:锤锻模的冷却工艺及操作水平是影响模具质量的关键，冷却不当可能导致模具淬火变形及开裂。 （2）回火工艺 回火的目的是为使钢获得稳定的组织，并调整模具钢的硬度使其达到要求，此外，也为了降低模块内部淬火产生的内应力。硬度的理想标准是以模具不发生脆断时的最高硬度值。,上一页 下一页,3.5 热作模具钢热处理,3.5.2 热镦模具用钢及热处理 1.热镦模具工作条件及钢种选择 2.热镦模具应用实例 （1）汽车后桥半轴热镦模具 （2）组合夹具传动杆热镦模 （3）拉杆热镦模 （4）履带销镦头模,上一页 返回,3.6 陶瓷型精铸锻造模具及热处理,3.6.1 陶瓷型精铸制模工艺 1.工艺概述 2.工艺优点 （1）生产周期短，节约加工工时 （2）节约原材料 （3）容易生产及供货,下一页 返回,3.6 陶瓷型精铸锻造模具及热处理,（4）模具寿命较高 3.陶瓷型精铸工艺 （1）工艺路线 （2）母模材料 （3）造型材料 （4）造型工艺 4.金属型衬陶瓷型水冷密封工艺,上一页 下一页,3.6 陶瓷型精铸锻造模具及热处理,3.6.2 陶瓷型精铸锻模用钢及热处理 1.铸造模块的性能特点 2.铸造模具钢中的合金元素 3.陶瓷型精铸锻模用钢 4.热处理工艺 （1）预处理 （2）淬火及回火 （3）注意事项,上一页 下一页,3.6 陶瓷型精铸锻造模具及热处理,3.6.3 陶瓷型精铸模具应用实例 1.陶瓷型铸模性能特点 2.应用实例 （1）起重设备的手动电葫芦吊钩锻模 （2）汽车发动机连杆终锻模 （3）汽车突缘机锻模 3.渗硼处理,上一页 返回,3.7 铸钢堆焊制模和电渣熔铸模具及热处理,3.7.1 铸钢堆焊制模工艺 铸钢堆焊制模工艺是用焊接的方法，将两种金属材料熔合 成一个整体模块。 1.堆焊制模所需设备 2.堆焊槽的设计 3.焊接规范的选择 4.焊接裂缝及其防止,下一页 返回,3.7.2 双金属电渣熔铸模块的优点及应用 双金属电渣熔铸模块可以改善模具尾部的韧性，减少因模 尾断裂而使模块报废；生产工艺简单、可靠，因不需对模具尾 部进行专门回火处理，而减少了操作工序，节约了模具加工费 用。 双金属电渣熔铸模块成分均匀、气体含量低、夹杂少、偏 析小、组织致密、晶粒较细和各向异性小，钢材性能得以充分 发挥。,3.7 铸钢堆焊制模和电渣熔铸模具及热处理,上一页 返回,表3-3 淬、回火温度对5CrNiMo硬度的影响,返回,表3-4 淬、回火温度对5CrNiMo冲击韧