浅谈热作模具材料

浅谈热作模具材料（共2篇）

浅谈热作模具材料 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。



浅谈热作模具材料 篇2

【摘 要】热作模具在制造过程必须进行锻造处理，才能满足模具的使用要求。所以模具一般都能承受机械负荷与热负荷，出现模具的失效的情况非常多，工作环境不好是一个重要的形式，失效的情况主要表现在早期断裂、疲劳断裂、热疲劳、形腔堆塌和磨损，这些失效的原因主要和制造磨具的材料有着密切的关系，原材料存在的缺陷有密切的关系。本文主要介绍这些加工缺陷以及预防的措施。

【关键词】模具钢锻造；加工缺陷；原材料；预防

热作模具在制造过程要进行锻造处理，才能满足需要，常见的模具有才能满足模具的使用要求。常见的压铸模具模仁、型芯，主要的材质为SKD61、H13。成型模、压型模和收口模具，主要材质为 5CrMnMo，这些都是典型的热作模具。都工作中都需要承受机械负荷与热负荷，出现失效的形式有早期断裂、疲劳断裂、热疲劳、形腔堆塌和磨损；这些失效与模具钢的原材料存在的缺陷有密切的关系。对于模具毛坯的锻造的加工方式，需要锻造成适当的几何图形，消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线。

1.热作模具钢裂纹的缺陷产生原因

模具钢在锻造进行制造的时候，需要承受一定的受拉应力、切应力和附加拉应力，在这样的作用力下就产生一定的裂纹，对于模具比较薄的地区是承受力最大的地区，也是很容易被破坏的地区，在坯料表面和内部的微裂纹、坯料内部本身存在组织缺陷、在进行热处理的时候、热处理不当使材料塑性下降、变形超过模具钢允许的塑性指标等，则在撤粗、拔长、冲孔、扩孔、弯曲和挤压等工序中均会产生裂纹缺陷。这些现象的产生严重影响了模具钢的使用性能，这些现象的出现需要进行有效的预防。

2.模具裂纹产生的防治措施

2.1提高锻造加工时静水压力

裂纹的产生与模具钢的受力情况和模具钢的塑性有关，塑性是材料的一种特性，主要取决变形物体的结构和物体的外部条件，其中应力状态的变化可以增大静水压力，抵消由于不均匀变形引起的附加拉应力，减轻其中的作用，温度和应变速度变化也是一定的，在应用过程中，从而减轻了附加拉应力所造成的拉裂作用。当温度和应变速度一定时，由拉应力引起的三向等压应力不会使裂纹扩展，在利用锻压变形中存在微小的未被氧化的裂纹，在高的三向压应力作用下，完全合一实现完全可以锻合。对于低塑性材料采用反推力挤压及带套激粗都是用采用提高静水压力的数值来防止开裂。挤压和拔长时减少附加拉应力，是防止开裂最有效的办法。

2.2对材料的变形温度进行有效控制

对材料的变形温度进行控制，能够促使严格控制材料变形温度提高材料温度促使材料塑性提高，塑性成形性能得到改善。将变形温度升高到再结晶温度以上时，对材料的加工需要消除结晶软化，一方面要提高金属的塑性形成，不要出现热度过高的现象，对于材料的晶粒急剧长大，出现材料塑性降低的情况，在这种状态下，产生接近熔点就会产生“过烧”现象，材料晶界氧化甚至熔化导致塑性变形能力完全消失，坯料甚至产生报废。出现温度过低，容易产生冷变形硬化，在塑性的情况下，出现温度过高的现象，就很容易过烧，造成模具出现变形的状态。

2.3控制材料的变形速度

对材料的变形速度进行有效控制，所谓的变形速度是指单位时间内变形程度的大小。出现变形速度越大，金属在出冷变形的强度很严重，会产生热效应，出现不能及时散发热量的情况，造成温度过高的现象，在出现锻压加工塑性较差的合金钢或大截面锻件时，必须采用较需要采用变形速度小的，如果不这样就会出现变形不均匀的现象，产生裂纹。在实际操作中要选用适合的材料进行设备的锻造，热作用模具在静电压力机上变形时再结晶温度为500℃ 以上，而在冲压机下需在750℃以上变形才能获得完全的再结晶组织。这是模具制造过程的重要内容，涉及的方面也很多。

2.4必要时需进行中间退火

如果在制造过程中，模具的变形速度不能够得到有效的控制，就会产生一定的裂缝，一般都采用中间退火的方式进行防治，但是这种措施在应用中会对模具造成一定的缺陷，一般在制造过程中不会采用这种方式进行防治。

2.5采用热压变形的方式

如果在制造过程中，材料再结晶过程不能够有效的进行，就会产生的裂纹，针对这种情况需要采用热压变形工艺方式，这种方式一方面能够消除出现的变形引起的模具具有一定缺陷。另一方面还能够提高材料的塑性，实现更好的制造过程。

2.6改善坯料的组织

这种方式的应用需要在组织上应避免出现结晶温度的上限的时候，低熔点物质和脆性化合物，在其中加入适当铬、钒等元素，提高材料的高塑性和有用性。

2.7采用高温均匀化的形式

一般材料要进行高温均匀化，利用这种方式能够有效的改善材料组织的不均匀性，一方面有效提高材料的塑性，另一方面，降低材料产生裂纹的可能性。

3.制造的过程中减少金属杂质物出现

模具在制造的过程中要减少非金属杂质的量，这些非金属杂质能够使模具锻件性能降低、并且产生裂纹。其中杂质的大小、分布情况对锻件的影响最大。出现的锻件断裂处都会有一些链状和条状的物质，这些物质具有很大的危害性，都分布在坯料底部的负偏析区。所以要在锻造的过程中需要降低非金属杂质的含量。

降低非金属杂质的具体措施主要有以下几点：

（1）对于锻压应力，要求在规定的数值中，不能超过这个数值。

（2）进行变形处理的时候，最好采用满砧送料和“宽砧”锻造这两种方式。

（3）选用合理的镦粗比和锻造比，需要进行有效的控制。

（4）在设备的工艺参数和锻造过程，需要进行合理的选择。

（5）在水口端和帽口端留有足够的加工余量。

（6）在坯料加热时进行高温扩散退火。

4.锻造过程消除锻件粗晶及防止锻件出现白点

对于锻造过程，需要在锻造挤压过程中，金属与锻造模之间产生的摩擦就会产生粗晶。这些材料的颗粒比较大，对筒壁有一定的影响，在温度比较低的情况需要挤压时未能完全再结晶，防止表层形成了粗晶环，出现粗晶环的坯料锻造时容易开裂。在锻造过程中需要防止锻件出现白点，合金结构钢很容易产生白点缺陷，钢材的力学性能会急剧下降。

5.其他的改进措施

在生产过程中，可能会产生网状碳化物，这些物质的特点是有的硬度过高或硬度不够、硬度不均、锻件流线分布不顺。出现这种现象的主要防治措施是，需要加热炉体结构和烧嘴高低位置使喷出火焰分散。注意装炉位置是否合理。

6.结束语

上文中介绍了有关模具锻造过程会出现的缺陷以及防治办法，在制造过程中需要制定合理的锻造工艺，采用正确的锻造方法是保证模具毛坯质量，一方面提高模具使用寿命，另一方面，要降低生产成本的一个重要环节。 [科]

【参考文献】

[1]谭补辉.热作模具钢锻造加工的缺陷及预防[J].知识经济，2012，（5）：105-105.

[2]朱宗元.我国热作模具钢性能数据集[J].机械工程材料，2001，25（1）：40-42.