热作模具材料的进展.pdf

热作模具材料的进展 上海交通大 学 邮编20 0030 司鹅程 叶伟江 一 引言 据不完全统计 至今国 内已研制发 展过的 热作模 具钢多达百种 其中已列入 国家热作模 具钢国标 G B 1 299一7 7 和推广使用 冶金 部 YB 210一10 以及试用的钢 号达2 5 种 作者列 出 了 12 种目前在生产 上被大量使用或推广使 用且效果良好的热作模具钢 表 1 对 其成分 性能 使用特点及热 处理工艺等进行了阐述 以 供读者借鉴 二 常用热作模具钢 至今仍广为应 用 以后 为了节约镍 研制了 SCrMnM 钢 其强度和 淬 透性不 亚 于 SC r N IM o 钢 但韧性稍差 这两种钢属 高韧性 热作模具钢 SC r N IM 适 宜于制造中 大型 锻 模高度大于 3 0 0mm 或型腔复杂的热 锻模 而 SC r M n M 适 宜于制造中 小型锻模 锻模 高度 小于 30 0m m SCrN IMo 和 SCrM n M o 钢的主 要缺点是热强度 热稳定性稍 差 用于受热条件 较恶劣的热段模 400 以上 时 热强性和使用 寿命欠 佳 SC r N IM 钢 自3 0年代初在工业中应 用后 表 1 热作棋具栩铜号与化学成分 种种 类类钢 号号化学成 分 wt C C C C C C C C CC r r r M o o o W W W 刁刁 Si i i 其 白 白 V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V V 常常用 用 SCrN 三Mo o o 夕 5 0 6 6 60 5 0 8 8 8 0 1 5 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 01 4 1 6Ni i i 热热模 模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模钢钢钢 SCrMnMo o o0 5 0 6 6 60 6 0 9 9 90 15 0 30 0 0 0 0 0 0 0 0 M nl 2 1 6 6 6 3 3 3 3 3CrZWSV V V 0 3 0 0 4 0 0 0 2 2 2 7 7 7 7 77 5 9 0 0 00 20 0 5 5 5 5 5 5 5 部部分 分 H10 3Cr3Mo3V 0 35 0 45 5 53 0 0 3 75 5 5 2 0 0 3 0 0 0 0 0 00 25 0 7 5 5 5 0 8 0 一 120 0 0 0 0 H H H系 列列热 Hll 4Cr5MosiV 0 3 3 0 4 3 3 34 75 5 5 0 0 01 10 1 6 0 0 0 0 00 3 0 0 60 0 0 0 8 0 1 20 0 0 0 0 模模钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢钢 资资资113 4Cr5MoVI S i 032 0 4 5 5 54 7 5 5 5 0 0 0 1 10 17 5 5 5 5 50 8 0 1 20 0 0 0 80 1 20 0 0 0 0 U U U HB B B 4Cr3MoZV 0 39 9 92 5 5 52 1 9 9 9 9 9120 0 0 0 01 SM n 0 0 05B B B Q Q QRO O O O O O O O O O O O O O O O O O O 8 8 80MMMMMMMMMMMMMMMMMMM 国国内内 HMI 4Cr3Mo3WZV 0 32 0 42 2 22 8 3 3 3 32 5 3 0 0 012 1 8 8 8 0 8 1 2 2 2 2 2 2 2 研研制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制制 的的新新 HM3 3Cr3M o3V Nb 0 20 0 28 8 82 6 3 2 2 2 2 7 3 2 2 2 2 2 一一一 0 08 0 1 5Nb b b 型型热热热热热热热 06 0 8 8 8 8 8 8 8 作作模 模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模模 具具俐俐 妥R 4Cr3M t 3W 4V TIN b 0 37 0 4 7 7 72 5 3 5 5 52 0气 3 0 0 0 35 4 5 5 5 1 0 1 4 4 4 01 0 ZTi i i0 1 0 ZNb b b o o o o o lZAI SCr4Mo3SIMnVAI 054 4 44 18 8 83 09 9 9 9 9 114 4 4 0 7 9 9 9J 40A I 0 89M n n n C C C C C G一2 6C r4Mo3N iZW V 0 55 0 3 4 4 43 8 4 3 3 32 8 3 3 3 30 9 1 3 3 3 0 9 1 3 3 3 3 312 2 ZN i i i 目前瑞典U D DEH OLM公司已用最新的UHRQRO 90SU PREME 钢取代U H BQR 0 80M 两种钢成分基本相同 UHB QR Og oS U PREME钢公布的成分为 0 4oC 0 3051 0 75Mn 2 6Cr 2 25Mo 0 gV 3CrZW8v 钢于2 0 年代开 始 在 工 业 上使更低 作者认为 3C r ZWSV钢冷热疲 劳性差 的 用 是一种高热强性热模钢并具有良好的锻造 原 因除含钨量高外 另一未 被 充分 认识的原因 机 械 加工和热处理工艺性能 在热挤模和热冲是不尽合理的碳量 众 所周知 碳对钢的冷热疲 模 上有广泛的应用 但 3CrZWSV 钢的冷 热疲劳性有很 大影响 其最高临界量应该为0 3 0 功性较差 尤其是用水冷却时 模 具热疲 劳寿命如 在同 样热疲劳试验条件下 4C r4wZMov 钢 金属热处理 1993 年第 l期 的 热 疲劳 裂纹长度为 3Cr4WZMoV 钢的 19 高碳 量 0 3 一0 4 平 均 0 35 超过 前 倍 l 1 鉴于上述钢 中碳对热疲劳性的影响 作者 述的临界 含 量 0 3 0 因此 不尽合理 它 在 一 认为美 英以及日本的含 碳 量低 在 0 2 5 一 定程度上损害了 3Cr ZWSV 钢 的热疲劳性 因 0 3 5 之 间 平均 为 0 3 0 对 提 高此 原苏联正在淘汰 3Cr Z WSV钢 对 我 国 来 3CrZWSV 的热疲劳性和热 疲 劳失 效 寿命是 有讲 如不淘 汰 3C rZW SV 钢 则 需对其合理 的 含 利 的 相反 原苏联与 我国 由于偏重 热处理 后碳量进行研究 的硬度和耐磨性而 忽视了热 疲 劳性 选 择 了较 表 2 不同国家 3Cr Zwsv 钢的化学成分 国国名名牌号号 C C C C r r r W W W V V VS i i i M n n n 中中国国 3 二 rZWSV V V 0 3 4 4 42 2 2 7 7 77 5 9 0 0 002 0 5 5 5 镇0 4 4 4 毛0 4 4 4 原原苏联联 3X2 B 8 中中 0 3 吸 4 4 4 2 2 一 2 7 7 77 5 8 5 5 50 2 0 5 5 5 镇0 4 4 4 毛0 4 4 4 美美国国 H2 1 1 1 0 2 6 0 36 6 63 0 3 7 5 5 58 5 10 0 0 00 3 06 6 60 15 0 50 0 00 1 5 0 4 0 0 0 英英国国 B HZI I I 0 25 0 3 5 5 52 25 3 25 5 5 8 5 10 0 0 0 0 4 4 4 蕊0 4 4 4 镇0 4 另有落0 6Mo 1 1 11 本本 S DK S S S 0 2 5 0 3 5 5 52 一3 0 0 090 10 0 0 003 0 5 5 5 0 4 4 4 0 6 6 6 Lr 月卜 卜 1 八匕 月 钻 占 U 叱 山 2 丈 三 H1 3 和QR O 90SUP RE ME热 模钢 我国前 些年生产 了Hlo H2 1 H 1 3钢 这 些钢用以制 造比 SC rN IM 和 SC r M n M o 有 更 高强韧性要 求 的热 锻模和 比 3C rZw 8 V 有 更高 热疲劳性 能要求的热挤 压模 热冲模 和压铸模 但 H1 3 钢在 60 0 C以上 的 热强 性欠佳 在压铸 高熔点合金 钢合金 时 H1 3 钢就显得 不太适 应 此时 可试 用H lo 钢 Hlo钢比H13钢 有 更高的 热强性 但韧性和高温塑性略比 H1 3 钢 低 UH BQR 90SUPREME 钢 的 前身是 UHB QRO soM 后者是瑞典U D D E HOI 一M 公 司于 80 年代初 才 开 发 的中低合金 热 作 模 具 钢闭 虽然 这 种钢 的 合金 总量低于 H 1 3钢 但 耐 热 性明显优于H1 3钢 图 1 略 高于 3CrZWSV 钢 而巨具 有很 好的韧性 图2 和热 疲 劳性 图 3 特别 适 用于制作既要耐 高温 又 需 要韧性 高热 疲 劳性的热挤模 热冲模 热锻 模和压铸模 通用性强 也适合于制造压制粉末 的锻模 UH BQRO SOM 钢实际 上是 在H1 0钢基 础 上 发展 起来的 研制者 选配 这一成分 见表 l 的一 个主要 依据是 认 为H1 3中的 含铬量 一 5 Cr 太高 淬火 后回火时 铬和碳可形成高 铬 的碳 化物 妨 碍具 有 最高 抗回火软 化能 力的 蓉4 4 测 42 4 匕一一一止卜 24b 保温时间 h 图 l 淬火回 火态 试样软化曲线 试验温度 5 9 9亡 1 QRO 90SUPR E ME 2 H13 30 萦20卜 暴 i F令一一一 书1 1 一 龙 2 厂 1幻砚 户 20 0 40p 6 0 回火i益度 C 图 2 淬火回火 态 试样室温冲击韧性 1 QR O8oM 2 H13钢 碳 化 钒的形成 从而降低 H1 3 钢的高温 热 强 性 因此 含有较少量铬 2 5 Cr 的QR O 金 属热处理 199 3年第1期 80M 钢反 比 H1 3 钢具有更高的热强 性川 最新 资料 表 明 QR 90SU PR EME钢目前 在新 加坡的 国际市场价 仍高于 H1 3 钢 表 3 室沮与高沮冲击韧性团 钢钢种种冲击值 J emZ 试试试验温度 C 2 2 2 2 20 0 0 300 0 0600 0 0 H H HMI I I2 8 5 5 55 19 9 9 5 3 4 4 4 G G GR R R 2 30 0 0 2 5 2 2 23 1 0 0 0 o o olZAI I I 2 4 7 7 73 1 7 7 73 26 6 6 C C CG 一2 2 2 2 50 0 03 62 2 23 9 0 0 0 陈阶 办 沁 澎 绘 又卜4斌 QR O9 0S tJP尺EME 农 4 高沮硬度 1 哥瑕崖彰拓娜樱匆滚 H13 图3 淬火回火态试样 4 7 H R C 热疲劳裂纹扩展 速 率 室温至7 4 9C 空 冷 1 103 次 2 4 义 10 3 次 四 国内研制的新型热作模具钢 由 表 l 可知 汗IMI钢 4C r3 M o3WZV 和 HM3 钢 3e r3Mo 3vNb 是 结 合我 国资源 条件 研制而成的 HMI 钢获国家发明奖 这两种钢 突 出的优点是具 有最高 的室温与高 温冲击韧性 表3 和 优良的抗 冷热 疲 劳性 适用于制 作高 温 高 速 高载荷 水 冷条 件 下工 作 因断裂或热 疲劳 失效 的热作模具 GR 钢 4C r3Mo 3 W 4 v T INb 含有 较 高 的钨 和少 量 的钦及妮 具有 最 高 的热强性和热稳定性 表4 以及 良好的抗 热疲 劳性 适于制造 温度较高与工件接触时间 长 易 引起热 变 形塌陷或热 磨 损 失效 的模具 o12A I 钢 soC r4 M o 3SIM nV A I 和C 2钢 6C r4Mo 3N iZWV 属于基体钢 这 两种钢碳量 高 热 疲 劳 抗 力较 差 突出的 优点 是 有 高的硬 度 强度以及耐磨性 可 冷热兼用 可取代 Cr1 2 型钢和高速钢制用以造要求高强韧性的冷辙 冷 冲和冷挤模具 钢钢种种高温硬度 H R C 试试试验温度 C 3 3 3 3 30 0 0 06 00 0 070 0 0 0 H H HMI I I 38f i i i2 93 3 31 44 4 4 G G GR R R38 6 6 6293 3 31 5 1 1 1 0 0 01ZA I I I3 7导 导 2 96 6 61 4 6 6 6 e e eg 一 2 2 2 3 91 1 12 69 9 9143 3 3 五 H13 钢 与Q RO 9 0SUP REME 钢的热处理 1 工艺与设备 表 5 给出 了优质 H13 钢和QRO 90S U PEME 钢推荐的热处理工艺 工业 发达国家多 用真空 炉进行工模具 的加 热淬火 经 真空炉加 热淬火的模具表 面光亮 变形 小 寿命较高 但 从我国现 状来看 真空热处理 炉一次性投资较 大 笔者推荐采用在外热式 刚玉流动粒子 炉 中 进行处理 在北美 美国和 加拿大 流动粒子炉 的制造商和用户 数量 分别以z 5 和4 速度 递 增困 近些 年流态炉 在国 内发展也较快 已有 许多单位 在用或希望 用外热式 刚玉流态炉 进行 模具的热处理 表 s 优质 H一3钢与QRO 90SU p R EME 桐处理工艺 钢钢号号退 火硬度度淬火火回火火 HB 预预预预热温度度加热温度度淬火介质质淬火硬度度加热温度度硬度度 C H R C C H R C H H H13 3 3 蕊2 2 9 9 9 600 8 5 0 0 0 10 0 0 10 60 0 0 气淬 油油 5 1 5 4 4 45 6 0 64 0 0 0 4 0 52 2 2 Q Q QR 0 90 0 0 镇200 0 0 60 0 8 50 0 01010 10 5 0 0 0 分级淬火火 5 5 57 7 760 0 680 0 040 50 0 0 S S SU PR EME E E E E E E E E E E E E E E E E 2 奥氏体 化与冷却 H1 3 钢和QR 90SUPREME 钢 的 奥 氏 化 温 度 范 围分别为 10 0 0 1060心和1010 1050C 通常都为 loZoC 选择此奥氏体化 温 金属热处理 19 93年第l期 度范 围的主要 原 因是 考虑 既 要保 证奥氏体 中 溶 有足够的碳和合金元素以得 到回火 后高的红 硬性 同 时又要保证 奥 氏体晶 粒尺寸小于 A STMg 级 以确 保足 够的韧性 这两 种钢的连 续 冷却转 变 曲线如图 4 所示 不同 淬 火温 度 下 的硬 度 晶粒尺寸如图 5 所示 讼 侧 蛆 1010 竺 I 10 4 10 时间 s 图 4 H13钢连 续冷却转变 曲线 奥 氏体化 10 4 1 们0 0表面 2 争1 0 心部 3 K 先共析 渗够 一的芝 侧 护 份 叱 娜 准 6 口 巴 二52 妻 娜 化 要进行2 3 次的高 温回火 通常在模具淬 火时 在温度低于7 0 C 后 就 应及 时回火 回火 温度的 选择取决于模具 种类 工况和硬 度要求 需要注意 的是 H1 3 钢在 425 520 C QR O 90 SUPREME 钢在 450 600 C范 围内回火时 在 出现二次硬 化峰 的同 时 均 易出现 回火 脆性 图 6b 其 原因是 在回火 时 在马 氏体板 条 间析 出有较大的碳化物 以及在回火冷却时残 留奥 氏体转 变为马 氏体之故阁 为此 对这两种钢应 避免在此回火脆性温度区进行回火 4 表面渗氮与镀铬 渗氮对 热模钢 是较 合适 的 可以同时提 高 模具 的耐磨性 耐热性和耐蚀性 H 1 3钢和 QRO 90suPR EME 钢均 有 非常好 的渗氮性 能 淬 火回火后经 52 5 C气体渗氮或 4 80 C 离子 渗氮后 表面硬 度可 高 达 10 00一1 2 5oHV H 13 优 质钢 和 10 0 0 一 z soH V QRO 90 SuPR EME钢 离子渗氮 的性能 如表 6所 列 热模钢渗氮 时 表面渗氮层不 宜太厚 否则会 引 起脆性或诱 发热 疲 劳裂 纹 渗层厚度 一般 应 小 于 0 3m m 模 具工作时的热冲击或温 度梯度越 大 渗氮层则应越薄 表 6 离子渗氮 o H Z斗 一 10 N