热作模具钢介绍（共3篇）
热作模具钢介绍 篇1
浅谈热作模具材料
一、前言
热作模具材料主要用于制造高温状态下进行压力加工的模具，作为一个国家工业发展水平的重要衡量指标之一的模具制造工业在我国工业发展中占据重要的地位。模具成型具有生产效率高、材料利用率高、降低产品生产成本等特点。由于热作模具钢的工作条件较为恶劣，热作模具钢应具备以下特点：⑴在工作温度下具有高热强性⑵具有较好综合机械性能，如韧性、硬度、抗疲劳性能⑶具有一定的抗氧化性⑷较高的使用寿命
二、使用性能
热作模具钢的使用性能要求，各种热作模具钢在工作过程中差异很大，它们的工作温度、载荷性质千差万别，而且任何一种模具钢也不可能同时具有极高的热强性、耐磨性、断裂抗力、抗热疲劳性能等。在选择模具钢时，只能抓住模具最最关键的性能要求，进行优先保证，其次再兼顾其他各项性能进行选材。热作模具钢采用以下技术指标进行评价。
①室温硬度、高温硬度（用以评价耐磨性和变形抗力）。②室温拉伸强度、高温拉伸强度（用以评价静载断裂抗力）。③室温冲击韧性、高温冲击韧性（用以评价冲击断裂抗力）。④长期保温后的硬度变化，用以评价抗回火能力及热稳定性。⑤机械疲劳裂纹扩展速率，可反映热疲劳裂纹萌生后，在锻压力的作用下向内部扩展时，每一应力循环的扩展量。机械疲劳裂纹扩展速率小的材料，每锻压一次裂纹的扩展量也少，这表明裂纹扩展得很慢。
⑥断裂韧性，反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料其中的裂纹如要发生失稳扩展，必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子，也就是必须有较大的应力或较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下，在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹，如果模具材料的断裂韧性值较高，则裂纹必须扩展得更深才能发生失稳扩展。
⑦变形抗力，模具钢的变形抗力反映了模具的抗堆塌能力。为了保证热作模具钢在较高的温度下工作，应保证模具钢具备较高的抗回火能力、热稳定性和高温强度。
⑧断裂抗力，由于热作模具钢的断裂过程是一种疲劳断裂，因此，热作模具钢的断裂抗力包括萌生疲劳裂纹的抗力、疲劳裂纹亚临界扩展的抗力和裂纹失稳扩展的抗力。萌生疲劳裂纹的抗力与热疲劳抗力关系密切。疲劳裂纹亚临界扩展的抗力可采用裂纹扩展速度da/dN9mm/次表示它表示每一次应力循环，裂纹的扩展长度。裂纹失稳扩展的抗力通过材料的断裂韧性表示。
⑨抗热疲劳能力，可以反映热疲劳裂纹萌生前的工作寿命。抗热疲劳能力高的材料，萌生热疲劳裂纹的循环次数较多。抗热疲劳能力决定了在疲劳裂纹萌生前的那部分寿命，可以决定裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。抗热疲劳能力可以用萌生热疲劳裂纹的循环数，或者经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均深度或长度表示。影响抗热疲劳能力的因素主要有：模具钢的热导率、线膨胀系数、屈服强度、抗高温氧化能力、硬度、冶金质量、合金元素以及热处理工艺等。热作模具钢应具备高的抗热疲劳能力、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值，不能仅根据材料的σb指标来选择钢种和选择热处理工艺，以免出现选用热作模具钢材谬误。尽管锤锻模的加载速度与一次冲击试验的加载速度相近，断裂往往是疲劳裂纹失稳扩展所造成。
三、热作模具的分类
热作模具钢主要分为三类：低合金热作模具钢、中合金铬系热作模具钢及高合金钨钼系热作模具钢。⑴低合金热作模具钢：主要为5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr3Mo2V1等Cr—Ni—Mo系钢种。
⑵中合金热作模具钢：主要为4Cr5MoSiV1、4Cr5Mo2V、4cr3Mo2NiVNb等铬系钢种。
⑶高合金热作模具钢主要为3Cr2W8V、4Cr3M03W4VNb、W9Mo3Cr4V等钨系钢种。1.1低合金热作模具钢
①5CrNiMo、5CrMnMo钢20世纪80年代以前，常用的热作模具钢有5CrMnMo、5crNiMo，这类钢要求淬透性高、冲击韧性好、导热性能好、有较高的热疲劳性，但5CrMnMo、5CrNiMo钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的要求，使用温度不能超过500℃。目前该类钢种正逐步被淘汰，仅在普通热锻模中选用这种低耐热高韧性钢。
②4Cr3Mo2V1钢4Cr3Mo2V1钢是一种低合金热作模具钢，是在H13钢基础上发展起来的。研发的主要依据是H13的铬含量（5%左右）太高，淬火后回火时，铬和碳可形成高铬的碳化物，不利于具有最高抗回火软化能力的碳化钒的形成，从而降低H13钢的高温热强性。因此，含有较少量铬（2.5%）的4Cr3Mo2V1钢反比H13钢具有更高的热强性，特别适用于制作既要耐高温，又需高韧性、高热疲劳性的热挤压模。现在4Cr3Mo2V１钢的不足之处是生产成本较高。
1.2中合金热作模具钢 ①4Cr5MoSiV1钢
4Cr5MoSiV1钢（代号H13）是第2代热作模具钢的典型代表，其应用很广泛。因其具有良好的热强性、红硬性和抗热疲劳性能，被广泛用于铝合金的热挤压模和压铸模。由于化学成分的优化，含有大量Cr、Mo、V等合金元素，基本上能满足热作模具所要求的使用性能。H13钢与高韧性热作模具钢5CrNiMo、5CrMnMo相比，具有更高的热强性、耐热性和淬透性，与3Cr2W8V相比，具有高的韧性和抗热振性。但H13钢在工作温度大于600度时的热强性欠佳。
②4Cr5Mo2V钢
4Cr5Mo2V钢是在H13钢的基础上研发而来的。从合金化成分设计的研究看，低Si高Mo的合金化设计在保持模具材料良好的热强性的同时，又能够提高韧性，4Cr5Mo2V钢正是基于该合金化设计思路。有研究表明：淬火温度、回火温度对4Cr5Mo2V的性能有明显的影响，推荐淬火温度1030℃。经过6００℃回火后的4Cr5Mo2V钢在保持与H13相当的硬度的同时具有更高的韧性和塑性。在此热处理后4Cr5Mo2V钢的室温冲击韧性均强于H13钢整体冲击韧性提高34.39%。
③4cr3Mo2NiVNb钢
4cr3Mo2NiVNb钢(代号HD)是一种新型热作模具钢，通过降低Mo、V的含量，加入Ni和Nb，提高了钢的室温和高温韧性及热稳定性，在70℃仍可以保持40HRC的硬度。在硬度相同条件下，HD钢比3Cr2W8V钢的断裂韧度高50％左右，700℃高温时抗拉强度高７0%、冷热疲劳抗力和热磨损性能分别高出一倍和50％。 1.3高合金热作模具钢
①3Cr2W8V钢
3Cr2W8V钢是我国热作模具的传统用钢。由于3Cr2W8V钢中富含Cr、W、V等碳化物形成元素，钢锭中普遍存在成分偏析及共晶碳化物数量较多等缺陷；如果模具中的碳化物偏析严重时，容易产生应力集中，直接影响模具的服役寿命。但是通过改进该钢种的生产工艺，如预处理工艺、稀土合金元素改性，可提高3Cr2W8V钢的使用性能。如1050℃×1h高温固溶+85℃×0.5h后750℃×0.5h(三次)循环球化退火即可细化钢中的碳化物，又可细化奥氏体晶粒，是一种可提高韧性和热疲劳性能的双细化预处理工艺。对3Cr2W8V钢钢进行稀土合金化处理，能够有效地改善钢中共晶碳化物的偏析程度，从而可以提高钢材质量。
②4Cr3Mo3W4VNb钢 4Cr3Mo3W4VNb钢，含有较高的钨和少量的钛和铌，具有最高的热强性和热稳定性以及良好的抗热疲劳性。与5Cr4W5Mo2V钢相比，降低了Cr、W的元素，增加了Ti、Nb的含量。细化了晶粒，在保持了高热稳定性和高温硬度的基础上，使碳化物分布更均匀。其硬度可达50一55 HRC，抗拉强度和冲击韧度都有了明显的改善。该钢的淬透性、冷热加工性均好，主要用于加工承受变形抗力较高，浅型槽的热锻摸及高温金属的热锻压模具，模具的使用寿命较3Cr2W8V钢模具有很大的提高。
③W9Mo3Cr4V钢
W9Mo3Cr4V钢是以中等含量的钨为主,加入少量钼,适当控制碳和钒含量的方法来达到改善性能、提高质量和节约合金元素目的的通用型钨钼系高速钢,属莱氏体型钢种。W9Mo3Cr4V钢热处理后具有更高的硬度和耐磨性,同时具有高热硬性、高淬透性和足够的塑性及韧性。
四、热作模具的选用原则
它与炽热金属经常接触，型腔表面温度可高达400~600℃。因此它必须具有高的回火稳定性，以便在工作时仍能维持高的强度和韧性。它在工作中反复受到炽热金属的加热和冷却剂的冷却交替作用，极易引起龟裂现象，即所谓热疲劳。因此它必须具有抗热疲劳的能力。典型热作模具钢及其性能热作模具工作条件比冷作模具更加苛刻，受冷热反复作用，因此对模具钢的性能要求更高。
五、结论
热作模具钢随着科学的进步越来越重要，不只是在汽车，电子等方面也会出现它的身影。
热作模具钢介绍 篇2
一、对热作模具钢, 有以下基本要求
1高强度、高韧性, 一定的耐磨性;2.高红硬性、高的热稳定性;3.高的热疲劳性;4.高的淬透性;4.高的导热性。
二、模具失效的基本形式
1模具断裂与疲劳失效。模具在使用过程中突然出现大裂纹或分离成两部分或几部分, 使模具损坏而不能使用, 属于断裂失效。常见的断裂失效形式有:崩刃、劈裂、折断、脆裂等, 模具的断裂可分为一次性断裂和疲劳断裂两种。
一次性断裂是指模具在工作中突然断裂, 它的主要原因是严重超载或模具严重脆化;疲劳断裂是模具经过较长时间使用而发生的断裂, 与一次性断裂不同的是疲劳断裂的断口可以见到光亮区, 即在断裂面上有一部分经过长期磨合而被磨得光亮的部分。防止措施是:一是降低工作应力, 二是降低模具表面粗糙度和采用模具表面强化工艺, 减少产生微裂纹的机会。
2模具因产生塑性变形失效。模具在使用过程中出现型腔塌陷、型孔胀大、棱角倒塌, 以及凸模镦粗、纵向弯曲而使模具不能使用的情况, 都属于塑性变形失效。
产生塑性变形的根本原因是模具工作时其工作零件的局部内应力超过了材料的屈服强度。高温软化是热作模具钢失效的重要原因, 模具的工作表面与高温坯料接触, 使型腔表面的温度超过模具钢的回火温度, 在如此高的温度下, 其强度仅为室温强度的1/2或1/3, 很容易在外力作用下变形。
3模具因工作零件产生磨损失效。模具表面与被加工坯料相互摩擦, 引起表面损耗, 使其几何形状发生变化而不能继续使用。热作模具的型腔表面由于受热软化, 耐磨性降低。此外, 高温氧化腐蚀作用又会加剧磨损。
4模具因工作零件产生热疲劳失效。在急冷急热的条件下使用的热作模具、使用一段时间后, 型腔表面会产生许多细小的裂纹, 形状不一, 但不会向纵深发展, 严重影响工作零件表面的粗糙度。从而影响模具的寿命。
工业上最常用的模具材料为:
5Cr Ni Mo、5Cr Mn Mo、3Cr2W8V等钢种。
以上失效的形式均可以通过表面强化处理解决, 热作模具钢的表面强化一般为化学热处理, 化学热处理的机理为改变表面的化学成分, 其目的是在机体材料的原有特性的基础上再赋予新的性能从而提高模具寿命的一种方法。
三、钢的化学热处理表面强化
表面强化分为渗碳、渗氮、渗硼和多元共渗
1渗碳。将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入模具工件可以使模具工件表面获得较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。生产上所采用的渗碳深度一般在0.5~2.5mm。渗碳层的硬度不低于60HRC。非渗碳层表面及工件心部硬度一般在43~52HRC。热作模具钢渗碳后的寿命为普通淬火寿命的4~6倍。
2渗氮也称氮化, 是在Ac1以下的温度下将活性氮原子渗入到模具工件的表面的化学热处理工艺。渗氮比渗碳可以获得更高的硬度、较好的耐磨性、疲劳强度和抗蚀性。缺点是周期太长, 生产效率低, 成本高。渗氮的特点: (1) 渗氮使模具加工工艺的最后一道工序, 一般渗氮后只进行精磨或研磨, 为了使工件具有良好的力学性能, 在渗氮之前有必要对工件进行调质处理, 以获得良好的回火索氏体组织。 (2) 钢在渗氮后, 不再需要淬火便有良好的表面硬度和耐磨性, 这是由于渗碳层的表面形成了一层坚硬的渗碳物所致。 (3) 渗碳处理温度低, 变形很小, 它与渗碳淬火相比变形小得多。
3碳氮共渗碳氮共渗是在一定的温度下, 同时将碳、氮原子渗入到表层奥氏体中并以渗碳为主的的化学热处理工艺。这种化学热处理具有以下优点: (1) 渗层性能好 (2) 渗入速度快 (3) 工件变形小 (4) 不受钢种的限制。根据共渗介质不同, 碳氮共渗又分为固体、液体和气体三种。
4渗硼渗硼是将金属材料置于含硼的介质中, 经过加热与保温, 使硼元素渗入其表面层, 形成硼化物的过程。具有以下特点: (1) 硬度较高, 耐磨性能好 (2) 红硬性好 (3) 耐蚀性能好 (4) 脆性大。根据渗硼介质的不同分为固体渗硼、液体渗硼、气体渗硼。经过渗硼后的模具寿命可以提高十几倍。
5多元共渗钢的化学热处理不仅可以渗入碳、氮、硼等非金属元素, 还可以渗入铬、铝、锌等金属元素。钢的表面渗入金属元素后, 使钢的表面形成渗入金属的合金, 从而可以提高抗氧化、抗锈蚀的性能, 这种将工件表面渗入两种或两种以上的金属元素的化学热处理工艺称为多元共渗。
根据模具使用的情况不同选择不同的化学热处理工艺, 以达到增加模具寿命的目的。
参考文献
[1].金盾出版社.应用热处理1.金盾出版社.应用热处理
热作模具钢介绍 篇3
【摘要】通过组织、力学性能研究了Mo对热作模具钢组织和性能的影响。结果表明；适应的Mo能提高钢的力学性能，Mo含量为1.39wt%时，钢有较好的力学性能，Mo含量过高，钢的强度明显下降。
【关键字】热作模具钢 Mo 力学性能
【中图分类号】TGl56 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0457-01
前言
热作模具钢在时冷时热状态下工作，其主要失效形式是工作表面产生裂纹（龟裂）。目前常用的热作模具钢主要是H13钢，但其在温度超过600℃高温条件下性能急剧下降。近年来，国内外研制了一些新型热作模具钢，如HD2、Y4、QR090M和HOTVAR钢，这些钢各有特点但只能在一定范围得到应用。
Mo能固溶基体中起固溶强化作用，同时其还能抑制Cr的碳化物析出，从而对MC型碳化物的析出起到积极作用，同时Mo也是二次硬化的主要形成元素，因此其对热作模具钢性能起一定影响，为了研制出性能良好的新型热作模具钢，本文讨论了Mo对钢性能的影响。
1、实验材料与方法
表1是实验钢的化学成分，实验钢在真空感应熔炼炉内冶炼浇注成5Kg钢锭后锻成φ18mm线材，然后进行880℃×1h+720℃×1h球化退火、1080℃×15min油淬、550℃×2h一次回火+530℃×2h二次回火处理。对实验钢进行硬度及拉伸实验，利用金相显微镜、扫描电镜观察显微组织。经显微组织、硬度和拉伸性能综合分析，研究了Mo含量对热作模具钢性能的影响。
2、试验结果与分析
2.1 力学性能
实验钢经热处理后的力学性能结果见表2，从表2发现：实验钢的硬度在49-52HRC范围，2号的硬度较低，3号的塑性较好，对比强度发现：3号钢的屈服强度和抗拉强度最大，2号钢最小。Mo含量为1.39wt%，钢的硬度、强度和塑性较好，Mo含量升高或降低，钢的强度和塑性都下降。
2.2 显微组织
图1是实验钢经热处理后的SEM图，其组织为其组织为回火马氏体+少量残余奥氏体+合金碳化物。在热作模具钢中，合金碳化物的类型、数量、大小分布对钢的性能有重大影响。图1发现，1号钢析出的碳化物较多且有大颗粒析出相，其析出相主要沿晶界析出，2号钢中析出相较少，3号钢析出相分布较弥散且细小。
2.3 Mo对钢性能的影响
Mo在钢中主要起固溶强化和析出强化作用，同时Mo还能与c结合形成M2C析出相，起到析出强化和二次硬化的效果。表2中所测的结果表明随着Mo含量从1.03wt%增至1.39 wt%，其硬度和强度都随之增加。这是由于随着Mo含量的增加，在淬火过程中更多的Mo固溶于基体，提高了钢的强度及硬度。在回火过程中，析出更多的细小的合金碳化物，这些碳化物不仅起到析出强化和二次硬化的效果同时能够在晶界处起到钉扎作用，阻止晶粒长大，提高钢的强韧性及力学性能；同时Mo也有与Cr争夺碳的作用，抑制Cr的碳化物析出，这也有利于钢性能的提高。但随着Mo含量从1.39wt%升至1.55 wt%，其回火后硬度下降，塑性有所下降，而强度有明显的下降，图1显示1号钢中存在大颗粒析出相。这是因为当Mo含量过高时会导致Mo的M6C转变为M6C，这类碳化物沿马氏体晶界或原奥氏体晶界析出，其析出颗粒尺寸较大且易于粗化。这些大颗粒析出相会降低钢的强韧性，使钢易于脆化，降低钢的性能。因此，适量的Mo能起到固溶强化和析出强化作用，提高钢的性能；过量的Mo会析出大颗粒析出相降，低钢的性能。Mo含量为1.39wt%时，钢有较好的力学性能及热疲劳性能。
3、结论
（1）Mo含量为1.39wt%时，钢有较好的力学性能，Mo含量增加或降低，钢的强度明显下降。