模具鋼

熱變形模具鋼是一種冶金的專業術語。

一、熱變形模具的服役條件、失效方式和性能要求：

根據工作條件，熱變形模具（又稱熱作模具）可以分為錘鍛模、熱擠壓模、熱鐓模、精鍛模和壓鑄模。

1、錘鍛模

工作條件：在高溫下通過沖擊加壓，強制金屬成形。模具在工作過程中經受巨大的沖擊負荷，同時經受壓應力、拉應力和附加彎曲應力，被鍛金屬在模具型腔內流動又產生強烈的摩擦力，型腔表面經常與高溫金屬(黑色金屬為1100～1150℃,有色金屬溫度稍低)接觸，被加熱至300～400℃，局部高達500～600℃。此外用于經常受到反復加熱和冷卻，極易產生熱疲勞損傷。

失效方式：型腔尺寸被磨損和產生縱向、橫向裂紋，以及網狀裂紋(龜裂)，即所謂熱疲勞裂紋。

性能要求：在工作溫度下保持高的強度、良好的沖擊韌性、高的熱疲勞抗力、良好的抗氧化性、抗熱沖刷能力、良好的導熱性。

2、熱擠壓模

工作條件：熱擠壓模的受力情況與冷擠壓模有相似的一面，熱擠壓沖頭在整個工作過程中的受力狀況是承受帶彎曲應力的拉壓(大壓、小壓)交變應力(拉壓疲勞),也承受一定的多次沖擊壓縮負荷。另一方面在冷、熱應力作用下，沖頭又經受熱疲勞和沖刷(又稱熱磨損)。

失效方式：熱疲勞(龜裂)裂紋和表面磨損

性能要求：要求模具材料在工作溫度下有高的強度(拉壓疲勞強度和彎曲疲勞強度)、高的硬度和高的耐磨性，高的熱疲勞抗力、抗氧化性、抗熱沖刷能力和良好的導熱性。

3、壓鑄模

工作條件：在高壓下使熔融金屬壓鑄成形，故模具在工作時經受高的壓力，反復與熾熱金屬(有色合金600℃左右；黑色金屬壓鑄溫度更高)接觸，被反復加熱與冷卻、工作型腔易產生熱疲勞和磨損，且型腔與熾熱的金屬相接觸，易發生化學作用。

失效發生：在機械、熱和化學介質作用下，模具型腔變得粗糙，產生裂紋、損傷、磨損與腐蝕等。

性能要求：高的淬透性，優良的抗熱燒蝕性(包括高的熱疲勞抗力。抗氧化性和熱強性)。

二、鍛模用鋼

我國使用最廣泛的錘鍛模用鋼為5CrMnMo,5CrNiMo。

1.化學成分

這類鋼要求有一定的硬度，又要求有高的沖擊韌性。

碳：碳含量不宜過高，一般在0.45-0.6%之間。

鉻：鉻可以提高鋼的強度，含量在1％左右，能較明顯地提高鋼的沖擊韌性，同時增加鋼的淬透性和回火穩定性。

鎳：鎳顯著地提高鋼的強度和韌性，對于同時含鉻、鉬的鋼來說，鎳能大大提高鋼的淬透性。

錳：錳主要用來代替鎳，能顯著地提高鋼的淬透性，錳增加鋼的過熱敏感性并引起回火脆性。

硅：硅能增加鋼的淬透性，提高鋼的強度。回火穩定性和耐熱疲勞性，但硅含量較高(>1%)使，會增加鋼的回火脆性，降低沖擊韌性。

鉬、釩：鉬和釩的都能細化晶粒，減少過熱傾向，提高鋼的回火穩定性，鉬還能削弱回火脆性。

2、鍛造和退火

錘鍛模用鋼由于在工作過程中承受很高的應力和沖擊載荷，所以必須具有均勻的組織和性能，這對于大型的或形狀復雜的模具尤為重要。因此，對于制造承受高負荷或大型模具的坯料，要經過各向鍛造的過程，并進行鐓粗和拔長，其交替進行的次數應不少于2～3次。5CrNiMo、5CrMnMo等鋼的鍛造加熱溫度為1150～1180℃，終鍛溫度為850～880℃。為減輕脫碳現象，加熱溫度不宜過高，加熱時間不宜過長。鍛造后應進行緩冷。鍛坯可進行不完全退火或高溫回火。5CrNiMo鋼的退火工藝如下：

鋼號加熱溫度
(℃)保溫時間
(h)冷卻方法
5CrNiMo780-8004-6
爐冷(50℃/h)至～500℃后空冷

3、淬火和回火

小型鍛模：由于小型模鍛件冷卻比較快，強度較高，故鍛模需具有較高的耐磨性，硬度應在HRC40～44范圍內。

中型鍛模：中型鍛模加工較大的鍛件，允許有較低的硬度HRC36～41。

大型鍛模：大型鍛模由于鍛模尺寸很大，淬火時的應力和變形比較大，需要有較高的韌性，硬度以在HRC35～38范圍內為宜。

錘鍛模用鋼的淬火溫度和回火如下：

鋼號淬火溫度(℃)冷卻介質硬度(HRC)
5CrNiMo830-860油53～58
5CrMnMo820-850油53～58

鋼號
鍛模類型回火溫度(℃)硬度(HRC)
5CrNiMo小型490～52044～47
　中型520～54038～42
大型
560～59034～37

5CrMnMo小型490～52041～47
-中型520～54038～41

三、熱擠壓、壓鑄模用鋼

許多熱擠壓模、壓鑄模需較長時間與高溫的金屬接觸，受熱的溫度比較高，還要承受較高的應力。

此類鋼常見的有鉻系和鎢系，成分如下：

鋼號化學成分（%）
CSiMnCrNiMoWV
5CrNiMo0.5
0.6≤0.40.5
0.80.5
0.81.4
1.80.15
0.3----
5CrMnMo0.5
0.60.25
0.61.2
1.60.6
0.9--0.15
0.3----
4Cr5MoSiV0.32
0.420.8
1.2≤0.44.5
5.5--1.2
1.5--0.3
0.5
4Cr5MoSiV10.32
0.420.8
1.2≤0.44.5
5.5--1.2
1.5
--0.8
1.1
3Cr2W8V0.3
0.4≤0.4≤0.42.2
2.7----7.5
9.00.2
0.5

1、鉻系熱變形模具鋼

鉻系熱變形模具鋼含有大約5％Cr,并加入W、Mo、V、Si。由于含Cr較高，因而有較高的淬透性。加入1％Mo時，淬透性更高，故尺寸很大的模具淬火時也可以空冷。圖8-4-1為淬火溫度對4Cr5MoSiV鋼硬度的影響。

圖8-4-1淬火溫度對4Cr5MoSiV鋼硬度的影響

這類鋼具有高的強度和韌性，抗氧化性較好(由于含Cr和Si)，Si、Cr還提高鋼的臨界點，有利于提高其抗熱疲勞性能，加入V可加強鋼的二次硬化現象，增加熱穩定性。圖8-4-2為回火溫度對幾種鋼硬度的影響。

圖8-4-2回火溫度對幾種鋼硬度的影響

2、鎢系熱變形模具鋼

鎢系熱變形模具鋼主要用于制作尺寸不大的熱鍛模、鋁及銅合金的壓鑄模、鋼及銅合金的熱擠壓模等。

鎢系熱變形模具鋼的主要特點是具有高的熱穩定性，W提高熱穩定性和耐磨性，含W量越高，熱穩定性越高。Cr增加鋼的淬透性，使模具有較好的抗氧化性。3Cr2W8V鋼由于大量合金元素的加入，使共析點大大左移，因此含碳量不高，但已屬于過共析鋼。碳化物形成元素W和Cr提高鋼的臨界點，因而提高抗熱疲勞性能，同時在高溫下比低合金熱變形模具鋼具有更高的強度和硬度。

3、鍛造和熱處理：

以3Cr2W8V鋼為例：

鍛造：
始鍛溫度為1080～1120℃，終鍛溫度為900～850℃。

退火：
退火工藝為830～850℃，保溫3～4h后，以?40℃/h的速度爐冷至?400℃，出爐空冷。退火狀態組織為鐵素體基體上分布著M2C和M23C6。

淬火：
成品熱處理工藝一般采用1080℃～1150℃淬火加熱。如要求高溫機械性能時(如作壓鑄模),則采用上限加熱溫度，使合金碳化物充分溶解，以保證高硬度和高的熱硬性。對于承受一定載荷，要求有較好韌性的模具(如熱鍛模)，則采用下限淬火溫度。淬火后的組織為馬氏體和過剩碳化物(6%左右)以及殘余奧氏體。硬度為HRC50-55。

回火：
回火溫度一般采用560～600℃，回火組織為回火馬氏體＋過剩碳化物，硬度HRC40～48。

這類鋼主要用于制造高溫下承受高應力，但不承受沖擊負荷的壓鑄模、熱擠壓模和頂鍛模等。