模具材料热作模具

关于模具材料热作模具1第1页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三2第三节热作模具钢

热作模具主要用于热变形加工和压力铸造的模具。其工作特点是在再结晶温度以上使金属材料产生一定的塑性变形，或者使高温的液态金属铸造成形，从而获得各种所需形状的零件或精密毛坯。第2页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三3第三节热作模具钢

根据加工形式，热作模具可分为热冲切模（热切边模、热切料模）、热变形模（锤锻模、高速锤锻模、压力机锻模、热挤压模）和压铸模（铝合金压铸模、铜合金压铸模、黑色金属压铸模等）。

根据加工材料，热作模具可分为金属模具（黑色金属、有色金属）、非金属模具（玻璃模具、塑料模具）等。

一、热作模具的分类:第3页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三4第三节热作模具钢二、热作模具的工作条件主要考虑受热情况：1）受热时间：锤锻、挤压；2）被加工材料：黑色金属、有色金属。3）润滑、冷却热量来源：高温金属的热传递、摩擦生热、变形热、模具预热。

第4页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三5第三节热作模具钢模具温度对组织性能的影响：1）模具温度低于回火温度：组织、性能变化不大；2）模具温度高于回火温度，但低于AC1（图5-12，5-13，5-14）：强度、硬度降低，塑性、韧性增加。3）模具温度高于AC1：形成马氏体组织，脆性增加。4）热应力循环，产生疲劳裂纹。第5页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三6第三节热作模具钢三、各类热作模具的工作条件和性能要求

分锤锻模、高速锤锻模、压力机锻模、热挤压模、热冲切模和压铸模介绍。

第6页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三7第三节热作模具钢1、锤锻模高温下通过冲击加压、强迫金属成形的工具。（1）工作条件承受很大的压应力和冲击载荷，且冲击频率很高；模具型腔表面受到炽热金属的不断加热，可使模具升温到300-400℃，局部温度达到500-600℃

。锻完一个零件毛坯之后，必须用水或油冷却模具，从而对模具产生急冷急热的作用。坯料对模具型腔还产生强烈的摩擦。第7页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三8第三节热作模具钢1、锤锻模（2）失效形式锤锻模的主要失效形式氧化、磨损、断裂、产生热疲劳裂纹，形成龟裂；塑性变形造成型面塌陷。（3）性能要求较高强度和良好的韧性；良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；具有高的淬透性。良好的导热性和抗氧化性。第8页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三9第三节热作模具钢2、热挤压模（1）工作条件热挤压模主要承受压缩力和弯曲应力，脱模时还承受一定的拉应力，但冲击力不大。模具与炽热金属接触时间比锤锻模长，使其受热温度比锤锻模温度更高，尤其是挤压钢件和难熔金属时，工作温度高达600-800℃。挤压过程中模具表面与坯料之间的摩擦较大。第9页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三10第三节热作模具钢2、热挤压模（2）失效形式热挤压模的主要失效形式是模腔过量塑性变形、开裂、冷热疲劳、热磨损及表面氧化腐蚀。（3）性能要求热挤压模的尺寸一般比锤锻模小。因此，对热挤压模的性能要求主要有：高的热稳定性；良好的冷热疲劳抗力和高耐磨性；较高的高温强度和足够的韧性。第10页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三11第三节热作模具钢3、热冲切模热冲切模由切边凹模和凸模组成。在切边时凸模无刃口，只起传力作用，由凹模切除飞边、连皮。（1）工作条件由于是切边凹模完成剪切过程，因而凹模刃口与毛坯相摩擦，同时受到一定的冲击载荷。此外，刃口还受热而升温。（2）主要失效形式：刃口磨损、崩刃、卷边等。（3）性能要求

1）具有高的耐磨性，高的硬度及热硬性；2）为避免崩刃，应具有一定的强韧性。第11页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三12第三节热作模具钢4、压铸模在高压下使液态金属成型的一种模具。（1）工作条件压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热温度比热锻模高（压铸有色金属时的温度达400-800℃以上，压铸黑色金属时的温度可达1000℃

），同时承受很高的压力，此外还受到反复加热和冷却的作用以及金属液流的高速冲刷。第12页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三13第三节热作模具钢4、压铸模（2）失效形式：疲劳开裂（龟裂）、气蚀、冲蚀磨损。低温合金的压铸以磨损失效为主。（3）性能要求较高的耐热性和良好的高温力学性能；优良的耐冷热疲劳性和高的导热性；良好的抗氧化性和耐蚀性；具有较高的淬透性。第13页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三14第三节热作模具钢热作模具总的性能要求：1)抗热性好（高温强度、热稳定性）；2)抗冷热疲劳性；3)高的强度和良好的韧性；4)淬透性大；5)耐磨性好。其中，不同的模具又有各自突出的性能要求：1）锤锻模突出要求高韧性；2）高速锤锻模要求高的强韧性；3）压力机锻模和热挤压模要求有高的高温强度；4）热冲切模要求耐磨性和热硬性高；5）压铸模要求高的冷热疲劳抗力和热强性。第14页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三15第三节热作模具钢四、热作模具钢的特点：1）热作模具大多用合金工具钢制造，少数用高温合金和硬质合金。一般不用碳素工具钢（淬透性低、热疲劳抗力差、脆性大、易崩裂）。2）为了保证钢的韧性和热疲劳抗力，碳化物量不能太多，热作模具钢中的碳含量一般在0.3％-0.6％之间，属亚共析钢。3）热作模具钢中的常用合金元素为Cr、W、Mn、Mo、V、Ni、Si等元素，其中，Cr、Mn、Si、Mo可提高淬透性；W、Mo、V可增加抗热性和耐磨性，Cr、Mn、

Si可获得好的抗氧化性。第15页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三16第三节热作模具钢五、热作模具钢的分类第16页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三17第三节热作模具钢热作模具钢的分类1）按用途分：热锻模用钢、热挤压模用钢、压铸模用钢、热冲裁模用钢。2）按性能分：高韧性热作模具钢、高热强性热作模具钢、高耐磨性热作模具钢。3）按合金元素分：钨系热作模具钢、铬系热作模具钢、钨钼系热作模具钢、铬钨钼系热作模具钢。4）按耐热性分：低耐热高韧性钢（350-370℃）、中耐热韧性钢（550-600℃

）、高耐热性钢（600-700℃

）。第17页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三18第三节热作模具钢1、低耐热高韧性钢

常用钢种有：5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等。成分特点：碳含量在0.4％-0.6％之间。为提高淬透性和热强性，加入合金元素Cr、Ni、Mn、Si、Mo、V。属亚共析钢或接近共析钢。性能特点：淬透性高；有一定回火稳定性和高温强度，可在500-600℃以下抗热使用，但相对其它热模钢，其耐热性较低；冲击韧度高、疲劳强度高，属高韧性钢。主要用于锤锻模。第18页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三19第三节热作模具钢不同牌号低耐热高韧性模具钢的性能特点：

1)5CrNiMo和5CrMnMo：由于碳化物形成元素含量低，碳化物主要为M3C型，阻止奥氏体长大的能力较差，耐热性低，热稳定性较差，热强性不高。

5CrNiMo相对有良好的韧性和淬透性，主要用于制造各种类型的大、中型锤锻模。

5CrMnMo是考虑我国的资源状况，为了节约镍而研制的，相对来讲，5CrMnMo的韧性、淬透性、耐热疲劳性均比5CrNiMo差一点，但硬度、耐磨性高一些，主要用于制造各种类型的中小型锤锻模。第19页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三20第三节热作模具钢不同牌号低耐热高韧性模具钢的性能特点：2）5Cr2NiMoVSi在5CrNiMo的基础上添加了合金元素V、Si，适当增加了Cr的含量，与5CrNiMo钢相比，其高温强度、淬透性及热稳定性温度均得到了提高。600℃以上高温强度比5CrNiMo高一倍。稳定性温度提高了150-170℃。500mm×500mm截面的锻模，其心部硬度较5CrNiMo高13HRC。主要用于制造大型重负荷锤锻模和较小压力机锻模。第20页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三21第三节热作模具钢不同牌号低耐热高韧性模具钢的性能特点：3）4CrMnSiMoV含有Mo、V，提高了抗回火能力和高温硬度。具有较高的强度、耐磨性和冲击韧度，其高温性能、热疲劳抗力和淬透性均优于5CrNiMo钢。可用于制造压力机锻模生产汽车用连杆、前梁和齿轮。第21页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三22第三节热作模具钢

该类型模具钢的加工工艺：以5CrNiMo为例

5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730℃

；AC3为780℃

；Ms为230℃

。

锻造工艺：锻坯加热温度为1100-1150℃

，始锻温度为1050-1100℃

，终锻温度为800-880℃

，砂冷或坑冷。交替进行拔长和镦粗2-3次以上。第22页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三23第三节热作模具钢

退火工艺：采用完全退火或等温退火，退火工艺曲线如图所示。退火组织为片状或粒状珠光体+少量碳化物：主要为（Fe,M)3C，也有少量M23C6,M6C,MC。第23页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三24第三节热作模具钢

淬火和回火工艺：淬火+高温回火淬火预热温度为600-650℃

，加热温度为830-860℃

，油淬。回火工艺500-550℃

。淬火组织为马氏体，硬度为52-60HRC，回火组织为回火马氏体，硬度为34-48HRC。第24页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三25第三节热作模具钢第25页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三26第三节热作模具钢2、中耐热韧性钢钢种有4Cr5MoSiV(H11)，4Cr5W2SiV（H12）,4Cr5MoSiV1（H13），4Cr4MoWSiV等。主要为5%铬的铬型热作模具钢。含有较多的Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素，中等耐热性，可在600-650℃使用。成分特点：碳含量在0.3％-0.4％之间，合金元素主要有Cr（5%)、Mo、W、V等碳化物元素。Cr、Mo

、Si提高钢的淬透性，V提高抗过热敏感性。第26页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三27第三节热作模具钢

中耐热韧性钢性能特点：

淬透性高，Φ100mm工件可空冷淬透（空冷硬化钢）。与5CrNiMo相比，韧性大致相当，而硬度、热硬性、耐磨性提高，综合性能好。在所有热作模具钢中，这类钢具有最高的疲劳强度。

主要用于压力机锻模、高速锻模和压铸模。第27页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三28第三节热作模具钢中耐热韧性钢组织及工艺特点：（1）退火工艺及组织该钢种退火温度为1000-1070℃

，退火组织为珠光体+未溶碳化物（6%-12%），主要为M23C6（Cr23C6）和M6C（Fe3Mo3C）。Mo影响M6C型碳化物含量，对耐热性有影响。V影响MC型碳化物含量，对耐磨性有影响。退火后硬度为207-229HBS，切削加工性能好。第28页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三29第三节热作模具钢（2）淬火回火工艺及组织：淬火温度为1010-1060℃

，淬火后硬度为50-59HRC。由于Cr含量高，该钢种淬透性高，可采用空冷淬火。尺寸大于100mm的模具可采用油冷淬火。淬火组织为细晶马氏体+过剩碳化物（MoC、VC）+残余奥氏体。回火温度根据硬度要求而定，在540-650℃之间。硬度要求高，回火温度需低一些；硬度要求低，韧性要求高，回火温度可高一些。5%Cr热作模具钢通常的使用硬度为44-50HRC。在剧烈冲击和重负载荷下可采用40-44HRC。第29页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三30第三节热作模具钢

典型钢种的性能特点及应用：

4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1有较高的韧性和塑性，4Cr5W2SiV和4Cr4MoWSiV有较高的强度和硬度。4Cr5MoSiV1比4Cr5W2SiV的耐热性好，

4Cr4MoWSiV耐热性最好。

中耐热韧性钢主要用于热变形用模具（压力机锻模、高速锻模）和压铸模。

4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1韧性好，适用于高速锤锻模，4Cr4MoWSiV强度硬度高，适用于塑性变形抗力大的热变形模、高速锤锻模以及压铸模。第30页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三31第三节热作模具钢3、高耐热性钢典型钢种主要有：3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V，5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V。成分特点：碳含量在0.3％-0.5％之间，合金元素含量在8%-10%，属共析钢或过共析钢。主要有Cr、W、Mo、V、Si。第31页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三32第三节热作模具钢3、高耐热性钢

性能特点：耐热性好，即有较高的高温强度和高温硬度，可在600-700℃高温下使用。具有高耐磨性。但塑性韧性、抗冷热疲劳性能显著低于5%Cr的热模钢。淬透性好，小于150mm的模具空冷也能淬透，硬度高达55-62HRC，具有强烈的二次硬化、抗回火软化能力强、抗疲劳性好。第32页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三33第三节热作模具钢高耐热韧性钢组织及工艺特点：（1）退火工艺及组织该钢种退火温度为840-880℃

，退火组织为细颗粒珠光体+少量一次共晶碳化物。碳化物总的质量分数为10%-13%，主要为M6C型。含V高时，主要为MC型碳化物。退火硬度为207-255HBS，切削加工性稍差。第33页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三34第三节热作模具钢（2）淬火回火工艺及组织：淬火温度为1050-1140℃

，油淬后硬度为53-62HRC。该钢种淬透性高，可采用分级淬火。淬火组织为细晶马氏体+未熔碳化物（MoC、VC）+残余奥氏体。

高耐热钢均为二次硬化钢，二次硬化最佳温度为500-560℃。所以回火温度一般为560-630℃

，硬度达到48-56HRC。回火组织为回火马氏体、回火索氏体或回火托氏体。第34页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三35第三节热作模具钢

3Cr2W8V的性能特点：

3Cr2W8V用于热作模具已有70年历史，至今仍广泛使用，是我国产量最大的模具钢之一。用于压铸模、热挤压模、精锻模、有色金属成型模等。钢中的碳和合金元素Cr、W、V的含量正好是高速钢W18Cr4V的一半，故称“半高速钢”。高的W、V提高钢的热稳定性和耐磨性；较低的含碳量可保证一定的热疲劳抗力及塑性和韧性；Cr增加了钢的淬透性，80mm以下可以淬透。因大量合金元素的作用，合金的共析点左移，属过共析钢，韧性较差。第35页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三36第三节热作模具钢

典型钢种的性能比较及应用：

4Cr3Mo3W2V和3Cr2W8V的韧性、塑性较好，而强度、硬度偏低；

5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V为基体钢，具有高速钢的高强度及低合金工具钢的韧性，相对于前两种钢，强度、硬度较高，而塑性、韧性偏低。这两种钢的回火抗力均高于3Cr2W8V，可在700℃高温下工作。这类钢适用于耐热性、耐磨性要求较高而韧性要求较低、形状不太复杂的模具，如压力机镦锻模、挤压机以及压铸模等。第36页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三37第三节热作模具钢4、特殊用途热作模具钢

(1)超高强度钢

有40CrMo、40CrNi2Mo、30CrNiMnSiA等。

性能特点：有很高的抗拉强度和足够的塑性、韧性。

成分特点：中、低含碳量，低合金量（小于5%），主要靠特殊的冶炼工艺及后续热处理（回火时效、形变热处理、晶粒超细化处理）获得高强性和高韧性。应用：主要用于工作温度低于450℃

，需要高强度和高韧性的模具零件。如热挤压用挤压筒、压力机锻模用模座、高速锤锻用模套、压板、顶杆。第37页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三38第三节热作模具钢4、特殊用途热作模具钢

(2)马氏体时效钢

有18Ni（250），18Ni（300），18Ni（350）

。

18Ni（250）成分：Ni18，Co7.75，Mo5.0，Ti0.4，Al0.1。成分特点：超低碳量（小于0.03%)，高含镍、钴量（Ni大于10%，Co7%左右），以及一定量的Mo、Ti、Al。镍可使钢在高温下得到单相奥氏体，并在冷却到室温时转变为单相马氏体，而具有较高的塑性。钴能使钢的马氏体开始转变温度升高，避免形成大量残留奥氏体。第38页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三39第三节热作模具钢4、特殊用途热作模具钢

(2)马氏体时效钢

热处理：固溶+时效处理固溶处理（800-900℃

）后组织为Fe-Ni板条马氏体，有很高的位错密度和小孪晶,其韧性较Fe-C马氏体为高。时效处理（480-500℃

）后，析出共格金属间化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),具有超高硬度和良好的塑性、韧性，硬度高、耐磨性好，断裂韧度也高。同时，具有高的抗热性能、抗高温疲劳性能、抗氧化性能。不存在淬透性问题。

第39页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三40第三节热作模具钢4、特殊用途热作模具钢

(2)马氏体时效钢

应用：由于含镍、钴高，价格贵。主要用于精密复杂长寿命压铸模，也常用于冷挤模、精密塑料模、铝压铸模、精密锻模等。

第40页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三41第三节热作模具钢

4、特殊用途热作模具钢

(3)高速工具钢

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，耐热性好，可在600℃工作，强度高、但韧性差。可用于热挤压模、热冲压用冲头、热成形铝合金压铸模。第41页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三42第三节热作模具钢4、特殊用途热作模具钢

(4)奥氏体耐热钢分为Cr-Ni系（Cr14Ni25Co2V)和Cr-Mn系(5Mn15Cr8Ni5Mo3V)

。主要为了满足耐高温、耐腐蚀、抗氧化而引入。Ni、Mn可无限扩大奥氏体区，加热及冷却过程中不发生相变，高温强度高、耐热性好。

工艺：退火+固溶时效处理，时效温度700℃

。

应用：温度介于700-900℃的模具，如钢或高温合金挤压模、粉末烧结模、压铸模等。第42页，讲稿共48页，2023年5月2日，星期三43第三节热作模具钢热作模具的选材P86锤锻模：低耐热高韧性钢。高速锤锻模：中耐热韧性钢。压力机锻模：中耐热韧性钢。4热挤压模：高耐热性钢。5热冲切模：高耐磨钢