热作模具钢讲座

1、热作模具钢Hot Work Tool Steel2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-26合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入合金元素Cr，W，Mo，Si，Mn，Ni，Co等提高其强度、硬度、耐磨性和耐热性。合金工具钢按用途可分为量具刃具用量具刃具用钢钢、耐耐冲击工具用冲击工具用钢钢、冷作冷作模模具用钢具用钢和热作热作模具用钢模具用钢。合金钢中的碳和合金元素的含量为适应不同的用途需要变化很大。钢材的定义钢材的定义钢含碳量在钢含碳量在0.02180.02182.112.11的铁碳合金

2、的铁碳合金0.02182.11钢钢工业纯铁工业纯铁铸铁铸铁有色金属(铝、镁、锌、铜合金)压铸模具普遍采用热作模具钢，工作条件的主要特点是与热态金属相接触。作为有色金属的压铸模具用钢一般应具有下述条件：（1）具有较高的淬透性具有较高的淬透性，热处理时可采用冷却强度较小的介质和具有较小的热处理变形；（2）具有高的抗热裂性和耐热疲劳抗力具有高的抗热裂性和耐热疲劳抗力，使模具经受激冷激热不易形成裂纹以及形成的裂纹不易扩展，避免模具失效；（3）具有高的抗热软化能力和抗高温磨损能力具有高的抗热软化能力和抗高温磨损能力，使模具保持一定的高温强度和尺寸稳定性；（4）具有高的抗液态金属的粘具有高的抗液态金属的粘

3、焊和焊和化学冲蚀损伤化学冲蚀损伤，国内以熔化液态金属的熔损来表征。要达到这些兼具高温强度和高韧度要求，又有较高的高温硬度和抗磨损能力，主要由钢的化学成分决定，一般采用中碳含量（0.350.45）和含Cr、W、M0和V等合金元素,合金元素总量合金元素总量在在625%范围。热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-26美国标准美国标准AISIAISI H10-H19 Chromium base ( (铬基铬基- -热热作作模具模具钢钢) )1.2343 (H11 ) )1.2344 (H13)1.2367(H13改良改良)德国德国标准标准DINDIN日本日本标准标准

4、JISJISSKD6 (H11) SKD61 (H13)在美国，热作模具钢分为三种：铬基热作模具钢 H10H19、钨基热作模具钢 H21H26和钼基热作模具钢 H42、H43 ，全部以H命名。H11 H13美国美国标准标准AISIAISI4Cr5MoSiV(H11 ) )4Cr5MoSiV1(H13)中国中国标准标准GBGB用于压铸模的钢种，用于压铸模的钢种，目前普遍目前普遍采用采用H11和和H13钢钢(包括包括其改良型其改良型)，它们都属于第一种它们都属于第一种 - 铬基热作模具钢。铬基热作模具钢。至于8407，Dievar，ADC3，W302，DAC55，TQ1等都是各钢厂的商品名。热作模

5、具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-262013-3-25热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13钢是使用最广泛和最具代表性的热作模具钢种,它的主要特性是：（1）具有高的淬透性和高的韧性；（2）优良的抗热裂能力，在工作场合可予以水冷；（3）具有中等耐磨损能力，还可以采用渗碳或渗氮工艺来提高其表面硬度，但要略为降低抗热裂能力；（4）因其含碳量较低，回火中二次硬化能力较差；（5）在较高温度下具有抗软化能力，但使用温度高于540（1000）硬度出现迅速下降（即能耐的工作温度为540）；（6）热处理的变形小；（7）中等和高的切削加工性；（8）中

6、等抗脱碳能力。 北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)NADCA #207-2003对对热作模具热作模具钢钢的分类的分类热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelAPremium H13优质H13BSuperior H13超级H13/高级优质H13C2367 & Modified2367及改良型蒂森2367，DieVar，W403，RPU等DH11 / 2343H11/2343蒂森2343 Supra，W300等EH11 ModifiedH11改良型TQ1，ADC3，W400，KDA-1等2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Ste

7、el北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)NADCA #207-2003对对热作模具热作模具钢钢的材料质量要求的材料质量要求 A化学成分化学成分（见后页） B 硬度硬度优质及高级优质钢均应：退火后的硬度不应超过HBW235。 C 显微清洁度显微清洁度显微清洁度（非金属夹杂物严重程度）的允许限度，应依据ASTM E45 的方法A（最新版本）确定。应用I-r 获取额定增量0.5。最大允许值如下。优质钢优质钢超级超级/高级优质钢高级优质钢杂质类型细系粗系细系粗系A（硫化物） 1.00.50.50.5B（铝化物）1.51.01.51.0C（硅酸盐） 1.01.00.50.5D（球状氧化物

8、） 2.01.01.51.0非金属夹杂物是非金属夹杂物是模具钢内部产生模具钢内部产生裂纹裂纹的起源的起源2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)NADCA #207-2003对对热作模具热作模具钢钢的材料质量要求的材料质量要求 D 超声波探伤超声波探伤 进行适当的超声波探伤，以确保无缺陷。所有坯料不应存在超声波探伤时的内部缺陷：如带状物、氧化物、孔隙、裂纹、严重偏析等。 E 冲击试验冲击试验 所有厚度2-1/2（63.5mm）的轧制成品都可以进行冲击性能试验。 a) 优质钢：平均值为8 英尺磅（10.8

9、J），单个最小值为6 英尺磅（8.0 J）。 b) 超级/高级优质钢：平均值为10 英尺磅（13.6 J），单个最小值为8 英尺磅。每批生产材料至少要取5 个试样进行冲击试验2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)NADCA #207-2003对对热作模具热作模具钢钢的材料质量要求的材料质量要求 F 晶粒度晶粒度 晶粒度等级采用ASTM 标准中的比较法获得，应控制在ASTM 标准7 级或更细（7 级）。 G 退火退火后的显微后的显微结构结构 对交货钢进行抛光，并用5%浓度的硝酸酒精溶液蚀刻之后，放大500

10、 倍，其显微结构应为：主要为铁素体基体，球状碳化物均匀分布在铁素体基体上。H13 钢退火显微结构参看NADCA 退火显微结构图片。 H 带状带状偏析偏析 与NADCA 带状偏析标准图相比，退火显微结构应无过度的带状偏析，对于尺寸4（100mm）的，除非初级碳化物过量，否则允许有带状偏析。2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)NADCA #207-2003对对热作模具热作模具钢钢的材料质量要求的材料质量要求 依照NADCA规范的优质或超级/高级优质H13 模具钢而指定的材料应附有材料供应商提供的出厂合格证

11、明，该证明应包含以下数据和信息：A. 供应商热处理说明B. 退火后布氏硬度C. 化学成分分析D. 显微清洁度等级E. 超探合格证F. 晶粒度等级G. 退火后显微结构等级H. 微观带状物等级I. 冲击试验结果：应包括试件的三个单独值以及平均值、热处理和最终硬度。2014-3-26北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)NADCA #207-2003热作模具热作模具钢钢化学成分化学成分热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel国内钢厂模具钢成分控制存在的主要问题是有害元素磷（P），硫（S）控制不稳定。2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool

12、SteelH-13 steel shall conform to the following chemical tolerances :C 碳 0.37-0.42Mn 锰 0.20-0.50Si 硅 0.80-1.20S 硫 0.003 Max.Cr 铬 5.00-5.50V 钒 0.80-1.20Mo 钼 1.20-1.75P 磷 0.015 Max. (was .02 max)GM通用汽车通用汽车要求的模具钢成分要求的模具钢成分2014-3-262014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)标准标准 - G

13、- G退火状态显微组织结构对比图退火状态显微组织结构对比图2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)标准标准 - H- H带状带状/微观偏析比照图微观偏析比照图可接受不可接受我总结H13的发展有3个阶段： 第1阶段：普通H13，相当于ASSAB的8402，日本的SKD61，德国的2344，中国的4Cr5MoSiV1; 第2阶段：H13+ESR等冶炼工艺改进，主要材料有：ASSAB的8407（ORVAR），相当于日本的DHA1，德国的2344ESR，W302，宝钢的SWPH13等。这一阶段是对该钢由常规熔炼方

14、法向真空脱气，炉外精炼和电渣重熔(ESR)发展，并采用均匀化处理方法来改善钢材内部质量，减少偏析，致在追求H13钢材质和性能的提高。 第3阶段：H13改良型Modified，化学元素成分作改变，比如增大Mo的含量。 H13钢成分改变主要的两种趋势是：低Si高Mo的合金化途径和加入Nb（铌）合金化。主要材料有：ASSAB的DieVar，相当于日本的DH31-S，DAC55，德国的2367，W303，W403，TQ1等。热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-26 普通炼钢工艺：普通炼钢工艺：熔炼铁水铁水氧气氧气+合金合金钢钢水水热作模具钢热作模具钢 Hot Wo

15、rk Tool Steel2014-3-26电极水冷结晶器电渣锭熔渣电渣重熔热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel电渣重熔的冶炼工艺能够进一步提高钢的纯净度，采用多元渣系可使钢中夹杂物被吸附去除。2014-3-26电渣重熔热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelASSAB电渣重熔2014-3-26 电渣重熔（电渣重熔（ESR）将粗钢坯置于电渣炉中，通入强电流，使将粗钢坯置于电渣炉中，通入强电流，使电炉产生很高的温度，使粗钢坯熔化成钢水，电炉产生很高的温度，使粗钢坯熔化成钢水，钢水流经电渣，杂质被电渣过滤吸附，从而钢水流经电渣，杂质被电渣过滤吸附，从而达

16、到纯化的效果。达到纯化的效果。整体重熔速度快，但一些非常细小的杂质整体重熔速度快，但一些非常细小的杂质并未除去。并未除去。现在一般好一点的现在一般好一点的H13H13钢都是电渣重熔钢。钢都是电渣重熔钢。热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelESR / VARAll H-13 steel shall be produced using the electro-slag remelt (ESR) or vacuum arc remelt (VAR) process except small round stock when availability is non-existe

17、nt. Under no circumstances may any piece above 3 in diameter be a non-ESR or VAR steel.2014-3-26真空电弧重熔（VAR） 在真空炉里，通入在真空炉里，通入强电流在钢胚上，钢胚强电流在钢胚上，钢胚底部开始熔化，杂质汽底部开始熔化，杂质汽化成气体被抽走，从而化成气体被抽走，从而将钢材纯度提高，而且将钢材纯度提高，而且它是一滴一滴地凝固，它是一滴一滴地凝固，凝固速度非常快，组织凝固速度非常快，组织变得很致密。特点是杂变得很致密。特点是杂质去得彻底，但整体重质去得彻底，但整体重熔速度慢。熔速度慢。热作模具钢热

18、作模具钢 Hot Work Tool Steel钢材的锻打热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel在正确选材的前提下，还要注意毛坯的锻造，最好采用六面锻造（3D锻打）的方法，反复镦拔。锻造后应球化退火，其主要目的：在原材料阶段进行结晶组织的改良；方便加工而降低硬度；防止加工后变形和淬火裂纹而去除内应力。退火后的硬度不应超过HB235。Forgings for dies must have a minimum upset forging ratio of 5 to 1, forging must be done in three directions. Forging rat

19、ios are determined linearly. 瑞典一胜百 ASSAB：8407(ORVAR)，DieVar 奥地利百禄Bohler：W302，W403 （代理： 香港乐嘉文）香港乐嘉文） 法国A&D奥伯杜瓦：ADC3(H11)，SMV3W 德国蒂森克虏伯：2344ESR，2367 （代理：斯穆斯穆 - 碧根碧根柏公司）柏公司） 德国凯德Kind：TQ1，RPU （代理：宁波宁兴特钢）宁波宁兴特钢） 日本大同：DHA1，DH31-S 日本日立：DAC，DAC55 日本高周波：KDA-1，KDAMAX （代理：上海优华）热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel市面上

20、部分知名的H13/H11钢2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel一胜百 ASSAB和百禄Bohler都隶属于瑞典乌德霍姆UDDEHOLM集团。一胜百 ASSAB只是乌德霍姆UDDEHOLM在亚太区的销售商，总部在新加坡。乌德霍姆乌德霍姆2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelFord 批准的热作模具钢批准的热作模具钢暂定的供应商Ford 认可的认可的暂定暂定的的热作模具钢热作模具钢批准认可的供应商暂定的供应商经验证材料满足Ford的各项要求，只不过没有经过长期的实践应用。2014-3-26Ford 模具标准里的钢材化

21、学成分模具标准里的钢材化学成分热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-26德国德国Kind的模具钢化学成分的模具钢化学成分热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelGM通用汽车通用汽车批准的批准的模具钢及热处理供应商（模具钢及热处理供应商（2005年）年）热处理厂2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelGM通用汽车通用汽车暂定的暂定的模具钢及热处理供应商模具钢及热处理供应商 （2005年）年）热处理厂2014-3-26热处理热处

22、理 钢材的热处理是指经过加热然后冷却，通过控制钢材的加热温钢材的热处理是指经过加热然后冷却，通过控制钢材的加热温度、保温时间及冷却速度来改变钢的性能，以满足加工或使用要求的度、保温时间及冷却速度来改变钢的性能，以满足加工或使用要求的工艺过程。工艺过程。 主要的热处理工艺有：退火、淬火、回火。主要的热处理工艺有：退火、淬火、回火。热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-26H13H13的热处理的热处理 优质和超级H13 钢热处理时最关键的工艺参数是奥氏奥氏体化温度体化温度和随后的淬火冷却淬火冷却速度速度。为获得最佳的金相组织和力学性能，并尽量减少工、模具的变形和

23、开裂，真空炉必须能够控制淬火冷却速度。 NADCA认为，虽然也可以应用其它热处理方法和手段例如盐浴奥氏体化和油淬工艺进行H13 钢的热处理，但唯有真空炉才能应用其特有的程序控制工艺。热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13 钢的最关键热处理参数为：奥氏体化和冷却速率奥氏体化和冷却速率。冷速必须严格控制，以减少变形和开裂的风险，同时获得最优的冶金性能。2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel设备设备装炉装炉热电偶布置热电偶布置预热操作预热操作奥氏体化奥氏体化淬火淬火 (分级淬火分级淬火)回火回火NADCA真空热处理要求2014-3-

24、26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelNADCA 推荐淬火和回火热处理曲线2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelNADAC对所用真空炉的要求：u真空炉至少应有25bar的气淬压强，并且备有连接若干个工件热电偶的可编程序控制器。近年来国内外真空高压气淬技术突飞猛进，目前国内真空气淬炉的冷却压强已普遍提高至613bar，并采用对流加热技术。u真空炉要有足够的冷却能力，能使模具表面从1030冷却的速率不不小于小于28/min。u在淬火冷却过程中，必须具有等温保持功能，能根据工件的表面和心部热电偶的输入信号进行分级冷却。注：1巴（bar

25、)=0.1MPa=0.987标准大气压=1.02 kgf/cm22014-3-26H13H13真空热处理炉真空热处理炉热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel 压强为6bar(N2)的气淬真空炉，通常能淬硬的H13钢有效厚度有效厚度200mm。 对于200mm的H13钢，气淬压强必须10bar。2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13H13真空热处理冷却速度与冲击韧性的关系真空热处理冷却速度与冲击韧性的关系2014-3-26H13H13真空热处理真空热处理 装装炉炉热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel国内热

26、处理厂的初步拟装炉照片国内热处理厂的初步拟装炉照片红色标记为德国红色标记为德国KIND钢厂的要求钢厂的要求 装炉时，工件的摆放应考虑到加热和冷却的均匀性。 必须考虑到工件的几何形状，以确保热处理的均匀性，并防止开裂。 炉子不得过载，以保证达到最低淬火率。2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel德国德国KIND钢厂的要求钢厂的要求修正修正后正式装后正式装炉的照片炉的照片H13H13真空热处理真空热处理装炉装炉2014-3-26H13H13真空热处理真空热处理 热电偶热电偶布置布置热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel2014-3-26N

27、ADAC H13H13真空热处理真空热处理热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel热电偶布置热电偶布置u 建议将表面热电偶(TS)放置在一个专用的孔中，孔径通常为3.1756.35mm，依据所用的热电偶直径选用，孔深为16mm3mm。u 表面热电偶(TS)孔应设在模具最大表面的背面中心附近，即在1/4L(长)1/4W(宽)的范围内。对于圆形模具，设在1/2半径的近中心范围内。u 心部热电偶(TC)应尽量靠近模具质量中心，或利用模具现有的冷却孔。在不能放置心部热电偶的情形下，则可用一块有效尺寸相同的替代模块，在其心部放置热电偶，以控制炉内工件温度。u 所有热电偶孔都要用耐火纤

28、维填充，以免热电偶与冷却介质直接接触。热电偶必须固定，以防淬火过程中移动。如果炉中同时有多种工件，热电偶应放置在截面最大的工件上。u 与采用经验公式计算工件保温时间的方法相比，用工件热电偶法控制保温时间更为科学合理。另外，热电偶的放置位置很重要，特别是对模具截面尺寸相差较大的或需要进行分级淬火的工件。2014-3-26NADAC H13H13真空热处理真空热处理热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel预热操作预热操作 将工件装入冷炉内，以400 /h（220/h）的速率升 温，温度由Tc 测定。 将炉温加热至1000 至1250 （540至至675）并保持，直到Ts-Tc2

29、00 (90). 将炉温加热至1550 士50 （845士10）并保持，直到Ts-Tc100 (40). 热处理人员或工具制造者可自行决定是否需要额外预热步骤。2014-3-26NADAC H13H13真空热处理真空热处理热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel奥氏体化奥氏体化 从最终预热温度快速加热至1885 士10 (1030士士5)。 高温保温时间：Ts-Tc25 后，保温30min；或在Ts 达到1885 （1030）后，最多保温90min，以先发生的为准。2014-3-26NADAC H13H13真空热处理真空热处理热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool

30、 Steel淬火淬火 按Ts 测定，尽可能快速淬火至850 (455)。 最小淬火率：按Ts 测定，在1885 到1000 （1030到540）之间，冷却速率为50 /min（28/min）（换句话说，Ts 在18 分钟以内应达到1000 （590）。 当Ts 在850 到750 （455到400）之间时，可利用分级淬火。建议当Ts 和Tc 的温差大于9 0 时，就推荐利用分级淬火。 当 Ts-Tc 200 (90)时或当Ts 达到分级温度最多3 0 分钟后，结束分级冷却，然后继续进行快速压缩气体淬火（继续快冷）。 持续进行压缩气体淬火，直至Tc300 (150)。（保持气淬压力，直至Ts=6

31、5时出炉。） 在回火之前，应将模具放在静止空气中冷却，直到表面温度120（50）。此时应立即将模具装炉，进行第一次回火。2014-3-26NADAC H13H13真空热处理真空热处理热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel淬火淬火l 精加工之前要求至少进行两次回火精加工之前要求至少进行两次回火。一般进行。一般进行3次回火次回火。l 在回火之间，工件应冷却到室温。l 将工件加热到最高回火温度以下50 （25）或最低温度为1000 （565），在空气中冷却进行去应力回火（这项操作至少会产生三轮回火）。l 在炉热电偶测定的基础上，进行回火和应力回火的工件，每英寸厚度的至少保温1h

32、，最少保温2h。 淬火冷却速度快，能获得良好的组织性能，但随之有引起模具变形开裂的危险。采用分级冷却工艺分级冷却工艺能做到两者兼顾，对大型复杂模具更显得重要回火回火NADAC H13H13真空热处理真空热处理Upon cooling to 150F (65 C), immediately temper at 1000-1140F (538-615 C) for one hour per inch of thickness, two hours minimum. Cool to room temperature and measure hardness.Minimum of three tota

33、l draws (tempers) required.Minimum of three total draws (tempers) required.2014-3-262013-3-25热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool Steel北美压铸协会北美压铸协会(NADCA)(NADCA)标准标准淬火后显微组织结构对比图淬火后显微组织结构对比图热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13H13真空热处理真空热处理淬火工艺曲线2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13H13真空热处理真空热处理淬火的模具冷却到约时，就要立即进

34、行回火，以防止继续产生变形，甚至开裂。回火温度由工作硬度来确定，一般要进行三次回火三次回火。回火工艺曲线2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13H13真空热处理真空热处理硬度ASSAB一胜百对压铸模具钢硬度的建议：1，重量在500Kg以上的建议使用HRC44-46；2，重量在300Kg-500Kg的建议使用HRC45-47；3，重量在100Kg-300Kg的建议使用HRC46-48；4，重量在100Kg以下的建议使用HRC47-49；5，对于很小的模具可以建议采用48-50HRC。以上是针对8407和DieVar而言，其中8407做中下限。2014-

35、3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13H13真空热处理真空热处理硬度NADCA推荐的硬度范围为HRC42-50HRC42-50。硬度的下限推荐用于开裂严重的模具，而上限则推荐用于改进了热裂纹抵抗力的模具。具体硬度范围必须由客户规定，称为3 点范围；例如，HRC 44-46。应在客户同意的位置取至少五个硬度读数（四个角落和中心表面四个角落和中心表面）。最终的硬度由模具压铸者自行决定。回火温度不低于回火温度不低于1000F（540）。低硬度用于较大型工具，以提供较好的韧性高硬度（高硬度（HRC 48）：更强的耐磨性和更好的抗热裂性）：更强的耐磨性和更好的抗热裂性低硬度（HRC 42）：较强的抗毛开裂性，较低的抗热裂性2014-3-26热作模具钢热作模具钢 Hot Work Tool SteelH13H1