《《4Cr5MoSiV1热作模具钢件的热处理》国家标准编制说明》

《4Cr5MoSiV1热作模具钢件的热处理》国家标准编制说明（征求意见稿）工作简况1.1任务来源本项目是根据国家标准化管理委员会于2020年3月31日下达的国标委发[2020]14号第一批国家推荐标准计划通知制定的，计划编号：20201639-T-469，项目名称：“4Cr5MoSiV1热作模具钢件的热处理”。1.2主要起草单位和工作组成员本文件起草单位：广东世创金属科技股份有限公司、北京机电研究所有限公司、大冶特殊钢有限公司、滁州华海中谊工业炉有限公司、华南理工大学、上海交通大学等。本文件主要起草人：董小虹、徐跃明、梁航、苏宇辉、李俏、常玉敏、王广生、周许、魏兴钊、顾剑锋等。1.3起草过程1）2017年10月在全国热处理标准年会上提出制定建议，广东世创金属科技股份有限公司于2018年5月向热标委提交推荐性国家标准项目建议书和标准草案稿。2018年11月全国热处理标准化委员会主任(扩大)办公会议上对4Cr5MoSiV1热作模具钢热处理工艺规范标准草稿进行了评审和修改。2）2019年10月通过国标委立项评估答辩，国标委于2020年3月下达计划，计划号：20201639-T-469。3）2020年3月成立了广东世创金属科技股份有限公司、北京机电研究所有限公司为牵头单位的标准起草工作组，收集相关资料，进行工艺试验，并对草案稿进行修改，形成标准征求意见讨论稿。4）2020年8月22日在广东顺德召开的标准工作组会上，对《4Cr5MoSiV1热作模具钢件热处理》标准征求意见讨论稿进行评审和修改，形成征求意见稿。5）2020年8月28日征求意见。制定本标准的目的及意义模具工业是国民经济的重要基础工业之一。模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高精密型产品，也是高新技术产业化的重要领域，其技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志，模具制造也是制造业的重要组成部分。用模具生产制品具有高精度、高一致性、高生产率等特点，降低原材料消耗和能源消耗，成本降低，使模具工业在制造业中地位越来越重要。我国模具工业发展迅速，已成为模具生产大国，但不是强国。模具寿命普遍低，一些优质的模具材料和大型复杂精密模具仍需进口。影响模具性能和使用寿命的关键因素是材料和热处理，约有60%~70%的模具早期失效是由于材料和热处理因素造成的，如表1所示，所以要大力发展高质量模具材料和先进的热处理技术，建立相应完善的标准体系。表1国内外模具早期失效原因统计数据失效原因

日本的统计数据%

上海地区的统计数据%模具材料质量不好

7

17.8模具设计不合理

10

3.3热处理工艺不妥44

52模具加工方法不好

78.9对模具材料性能缺乏认识

5—模具材料下料不当

3—模具材料选择不当

3—模具使用条件不好711锻造工艺不妥—

7其他方面14

—我国模具业发展迅速，但远远不能适应国民经济发展的需要。最主要的问题是低档模具过剩，高档模具却供不应求，甚至必须依赖进口。与国外同行的差距主要在以下五方面：原材料问题、制造工艺水平、模具设计体系、调试水平、配套体系。近年来，国内一些模具钢生产企业已相继建成和引进了一些先进工艺设备，使国内模具钢品种规格不合理状况有所改善，模具钢质量有较大程度的提高，相继制订了高质量模具钢标准，如GB/T34565.1-2017《热作模具钢第1部分：压铸模具用钢》、GB/T34564.1-2017《冷作模具钢第1部分：高韧性高耐磨性钢》。随着汽车和摩托车工业的快速发展，推动了压铸模生产的发展。汽车发动机缸罩、盖板、变速器壳体和摩托车发动机缸体、齿轮箱壳体、制动器、轮毂等铝合金压铸件以及压铸模实现了国产化。在模具寿命方面，铝合金压铸模具达到或接近国外同类模具寿命。模具热处理是保证模具性能和寿命的关键环节，近年来，真空热处理设备和工艺技术有了很大发展，迅速广泛推广使用，真空热处理已成为高端模具热处理主体。在压铸模生产中广泛使用真空热处理，特别是控制加热和冷却的真空高压气淬已成为高质量压铸模必不可少的热处理工艺。真空高压气淬作为一种新型真空热处理技术，自20世纪70年代迅速发展起来，除具有真空热处理的无氧化、无脱碳，可脱气脱脂，表面质量好，热处理零件综合力学性能优异、分散性小，清洁生产无污染，自动化程度高等一系列优点之外，还具有淬火均匀性好，工件变形小；淬火强度可控性好，淬火冷却速度可通过改变气体压力和流量流速进行控制；工件气冷后可省去清洗工序，无环境污染；生产便于自动化、柔性化，生产率高等优异性能，在技术含量高的中高档优质模具得到广泛应用，已成为4Cr5MoSiV1热作模具钢热处理的主导工艺。北美压铸协会制定的NADCA#207-2003《优质和高级优质H13钢及其压铸模具热处理验收标准》获得了国际上普遍认同并广泛采用。我国的4Cr5MoSiV1热作模具钢与H13钢相当，主要用作压铸模、挤压模、热锻模及塑料模等，在铝合金和镁合金的挤压模、压铸模中普遍应用，占80%~90%以上，特别是大型复杂的模具中几乎全用这个钢种，并采用真空高压气淬工艺，但国内没有高质量4Cr5MoSiV1热作模具钢真空高压气淬标准，严重影响了我国高精尖模具生产和发展，更不利于模具工业水平提高和走向世界，因此急需制订4Cr5MoSiV1热作模具钢真空高压气淬为主的热处理工艺规范国家标准，指导和规范4Cr5MoSiV1热作模具钢热处理生产，提高模具生产水平，推动我国模具工业发展迅速，尽早成为模具生产强国。3国内外情况说明4Cr5MoSiV1热作模具钢主要用作压铸模、挤压模、热锻模及塑料模等，国内外广泛应用的相近牌号有十多种，如表2所示。国外4Cr5MoSiV1热作模具钢用作压铸模都要求使用优质钢，钢的纯净度要求提高，热处理要求更加均匀和可靠，减少热处理过程中的过度变形和开裂风险，并使模具寿命更长。NADCA#207-2003《优质和高级优质H13钢及其压铸模具热处理验收标准》中H13杂质元素和夹杂物如表3所示。在热处理工艺方面，推荐采用5bar以上真空高淬，真空高淬炉要求保证一定冷却速度，对1030℃模具进行真空高压气淬的最小冷却速率为28℃/min。热处理过程中配置载荷热电偶监控升温速度和冷却速度，模具的随炉试样的冲击性能达到要求。表24Cr5MoSiV1（H13）各国牌号对照表中国美国德国奥地利GB/T1299GB/T34565.1-2017宝钢特钢东北特钢抚钢AISIASTMDINBOHLER4Cr5MoSiV1优质G级4Cr5MoSiV1高级Q级4Cr5MoSiV1特殊质量级P级SWPH13F413F413（电渣）H131.2344X4Cr5MoV51W302日本韩国瑞典法国JIS大同日立斗山ASSABAUBER&DUVALSKD61DH1DH2FDACSTD-618407ORVARSUPREMEADC3表3NADCA#207-2003对H13钢原材料非金属夹杂物要求杂质元素高级优质钢特级优质钢硫含量(%)＜0.005＜0.003磷含量(%)≤0.025≤0.015夹杂物细系粗系细系粗系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）2.01.01.51.0近年，我国热作模具钢及其模具有了长足进步，长寿命、大型复杂模具采用国际先进标准，实现了与国际对接。模具钢材料等效采用国外先进标准，相继制订了高质量模具钢标准，如GB/T34565.1-2017《热作模具钢第1部分：压铸模具用钢》、GB/T34564.1-2017《冷作模具钢第1部分：高韧性高耐磨性钢》。在热处理方面，很多模具厂采用NADCA#207-2003推荐的真空高压气淬工艺和质量验收标准，提高了模具生产水平和使用寿命，获得外商认可，同时也积累了丰富的经验，因此当前有条件和急需建立符合我国国情又具有国际先进水平的模具热处理标准，通过总结我国4Cr5MoSiV1热作模具钢的材料质量及其热处理工艺研究成果和生产经验，参考国内外相关先进标准，全面系统提出4Cr5MoSiV1热作模具钢材料和热处理的各项要求，指导4Cr5MoSiV1热作模具钢热处理生产，推动我国模具技术发展和质量提升，完善我国热处理标准体系。本标准的先进性和创新性标准提出4Cr5MoSiV1热作模具钢热处理工艺采用先进的真空高压气淬工艺，代替传统的盐炉或电炉加热油淬、分级淬火工艺，提高了模具性能和寿命，减少变形、避免开裂。提出真空高压气淬热处理工艺过程中配备载荷热电偶，用于监控表面及心部的加热和冷却状况。以心部载荷热电偶控制加热速率和保温时间，以表面载荷热电偶控制冷却速率.模具高压气淬冷却的最小的速率为28℃/min。标准提出真空高压气淬炉要有充分的冷却能力，对表面温度为1030℃的模块进行冷却的最小的速率为28℃/min，预先采用406mm×406mm×406mm试块进行测试评定。提出模具热处理要随炉配备能代表模具性能的V形缺口夏比冲击试样，用于监控模具性能。4标准主要内容和适用范围本标准规定了压铸模等高质量热作模具用优质4Cr5MoSiV1钢的材料质量要求、热处理设备要求、热处理工艺规范、热处理质量检验等技术要求。本标准适合于优质4Cr5MoSiV1热作模具钢件以真空高压气淬为主的热处理，其他优质热作模具钢及热处理工艺也可参照执行。5本标准制定原则1）本标准参照和借鉴北美压铸协会NADCA#207-2003《优质和高级优质H13钢及其压铸模具热处理验收标准》相关内容和要求，在总结我国4Cr5MoSiV1热作模具钢的材料质量及其热处理工艺研究成果和生产经验的基础上，全面系统提出4Cr5MoSiV1热作模具钢材料和热处理的各项要求，坚持高水平与实践相结合，实现与国际接轨。2）本标准结合国内外的4Cr5MoSiV1热作模具钢的材料质量及其热处理工艺最新技术要求和我国的实际应用现状，吸收国外先进标准并经我国验证的内容而制定，使标准保持国际先进水平；本标准规定了高质量热作模具用优质4Cr5MoSiV1钢的材料质量要求、热处理设备要求、热处理工艺规范、热处理质量检验等技术要求，使本标准标准系统和完整，具有全面性；标准全面收集引用了目前我国高质量热作模具用优质4Cr5MoSiV1钢的材料标准、热处理设备标准及热处理工艺规范，以适应我国模具生产需要，使本标准具有实用性。3）严格按照GB/T1.1《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》编写，保持清晰的章、节、条、段结构，符合国家标准的标准文件。6验证试验针对优质热作模具钢热处理对真空高压气淬炉冷却速度要求，真空热处理炉生产厂家都做了高压气淬炉冷却速率验证试验。1）北京华海中谊环保科技股份有限公司与德国KINDER&Co公司2011年测定H13钢压铸模试件10bar真空高压气淬炉在9bar气淬时冷却速度。试件材料为H13钢，尺寸为430mm×430mm×430mm，重量600kg。测温孔位置和尺寸：表面热电偶测温孔在试件表面中心位置，尺寸φ6mm×18mm；心部热电偶测温孔在试件心部，尺寸φ6mm×215mm。热处理工艺：室温加热至650℃×3h；650℃保持5h；650℃加热至850℃×1.5h；850℃加热至1020℃×0.5h；1020℃保持4h；9bar高压气冷，9bar恒压补气，至心部温度冷却到200℃。真空高压气淬炉冷却速度测试记录见图1。试验结果表明：表面温度从1011.2℃冷却至538.1℃用时16min，平均冷却速度为29.57℃/min，满足北美压铸协会标准冷却速度≥28℃/min要求。2）北京华海中谊环保科技股份有限公司与南南铝加工公司2015年测试了4Cr5MoSiV1钢挤压模试件在外循环真空高压气淬炉5bar气淬冷却速度。依据北美压铸协会标准NADCA#207-2003标准进行试验。图1真空高压气淬炉冷却速度测试记录试验采用新式真空气淬炉—6bar外循环真空高压气淬炉，型号HGVF，有效加热区尺寸为2000mm(L)×1200mm(W)×500mm(H)，最大装炉量：4000kg。试件材料为4Cr5MoSiV1钢，尺寸为400mm(L)×400mm(W)×400mm(H)，重量为500kg。试件上布置两支工艺热电偶，一支表面热电偶靠近表面中心位置，距表面深度24mm，另一支心部热电偶布置在试件后部中心位置，深度200mm。真空高压气淬炉冷却速度测试记录见图2。试验结果表明：表面温度从1025℃降至540℃用时14min，冷却速率为34.64℃/min，满足北美压铸协会标准冷却速度≥28℃/min要求。图2真空高压气淬炉冷却速度测试记录德国施梅茨公司系统研究了真空高压气淬时冷却速率试验采用H13钢的406mm×406mm×406mm(16”×16”×16”)正方体模块试件，在顶、底、左、右、前、后面中心的表面及心部各放置1支热电偶，测定12.9bar和10bar气淬时1038℃～540℃冷却时间和冷却速度，试验结果如表4所示。试验结果表明，12.9bar气淬时最小冷却速度为39.68℃/min，10bar气淬时最小冷却速度为28.20℃/min，满足北美压铸协会标准冷却速度≥28℃/min要求。表4真空高压气淬炉冷却速度测试结果部位12.9bar气淬10bar气淬冷却时间/min冷却速度/℃/min冷却时间/min冷却速度/℃/min顶面7.6465.1817.6628.20底面9.1754.3116.6329.95左面10.0749.4514.2335.00右面7.8763.2817.2528.87前面10.7846.2011.1344.74后面12.5539.6817.2528.87平均值9.6853.0215.6932.70NADCA≥28技术要求≤18≥28≤18≥28心部43.6511.4147.6610.457主要技术内容的说明1）技术内容范围本标准规定了压铸模等高质量热作模具用优质4Cr5MoSiV1钢的材料质量要求、热处理设备要求、热处理工艺规范、热处理质量检验等技术要求，主要内容和技术要求与北美压铸协会NADCA#207-2003《优质和高级优质H13钢及其压铸模具热处理验收标准》保持一致，章、节、条、段结构按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写规则》编写，符合国家标准的标准文件。本标准与NADCA#207-2003对比如表5所示。4Cr5MoSiV1热作模具在制造过程中需经过多次热处理，概括起来模具热处理包括预备热处理、最终热处理(淬火回火)、表面热处理三部分，本标准规定了预备热处理、淬火回火、表面热处理工艺，重点规定了真空高压气淬工艺的技术要求。标准中真空热处理与NADCA#207-2003保持一致，与NADCA#207-2003不同的是本标准还对预备热处理、表面热处理分别进行了规定。表5本标准与NADCA#207-2003主要内容和技术要求对比章

本标准NADCA#207-20031

材料质量要求(包括材料质量合格证)材料质量要求2热处理设备要求材料质量合格证3热处理工艺规范预备热处理2)淬火回火3)表面热处理热处理质量要求-真空热处理要求4热处理质量检验(包括热处理质量合格证)热处理质量检验要求5—热处理质量合格证2）热处理工艺4Cr5MoSiV1热作模具钢主要用作压铸模、挤压模、热锻模及塑料模等，国内外广泛应用。热作模具在服役过程中，和高温材料接触，模腔表面发生摩擦，还要受反复加热和冷却作用，所以要求模具表面有一定硬度，特别是良好热强性，还要有高的冷热疲劳性能、韧性和耐磨性。4Cr5MoSiV1钢制造模具的用途不同、尺寸不同及复杂程度不同，选取的硬度值也不同，见表6和表7，所以4Cr5MoSiV1钢模具必须针对模具的服役条件，正确选择热处理工艺，本标准6.2条列出优质4Cr5MoSiV1热作模具钢件的淬火回火工艺，重点是真空高压气淬工艺，包括：真空高压气淬工艺参数、装炉、热电偶布置、升温、淬火加热、淬火冷却，这些要求与NADCA#207-2003保持一致。表64Cr5MoSiV1钢按用途选择硬度值（HRC）类别铝合金压铸模挤压模热锻模硬度HRC42～4844～5044～52表74Cr5MoSiV1钢按尺寸及复杂程度选择硬度值（HRC）类型复杂模简单模小型中型大型46～4842～4440～4248～5244～4642～443）最小速率测试北美压铸协会NADCA#207-2003《优质和高级优质H13钢及其压铸模具热处理验收标准》在设备和淬火冷却工艺都提出了最小冷却速率28℃/min要求。但缺少最小的速率测试方法。本标准也同样有最小冷却速率28℃/min要求，并根据NADCA#207-2003规定和我国的实践经验，提出了最小的速率测试方法，详见本标准附录E（规范性附录）真空高压气淬炉冷却能力测定方法。4）带状组织评定GB/T34474.1-2017钢中带状组织的评定第1部分：标准评级图法中带状组织分为6级，即0～5级，对于碳含量0.4％的钢的带状组织评级，以铁素体和第二类组织带组织特征来分级。在4Cr5MoSiV1钢热作模具失效分析中发现，故障件很多带状组织特征是碳化物带状分布，如图3所示，与NADCA#207-2003《优质和高级优质H13钢及其压铸模具热处理验收标准》的带状组织不合格典型照片相似。所以本标准采用了NADCA#207-2003带状组织评定典型照片和我国4Cr5MoSiV1钢热作模具失效分析中发现的碳化物带状分布的带状组织照片。(a)故障件1带状组织(b)故障件2带状组织图3故障件典型带状组织5）淬火回火组织评定JB/T8420-2008热作模具钢显微组织评级分为6级，2-5级合格。热作模具钢显微组织评级图分别由淬火加热温度不同而形成的典型显微组织，只根据马氏体针最大长度来评级，与实际使用情况有一定差别。在4Cr5MoSiV1钢热作模具失效分析中发现，故障件