模具材料熱作模具

關(guān)于模具材料熱作模具1第1頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月2第三節(jié)熱作模具鋼

熱作模具主要用于熱變形加工和壓力鑄造的模具。其工作特點(diǎn)是在再結(jié)晶溫度以上使金屬材料產(chǎn)生一定的塑性變形，或者使高溫的液態(tài)金屬鑄造成形，從而獲得各種所需形狀的零件或精密毛坯。第2頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月3第三節(jié)熱作模具鋼

根據(jù)加工形式，熱作模具可分為熱沖切模（熱切邊模、熱切料模）、熱變形模（錘鍛模、高速錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱擠壓模）和壓鑄模（鋁合金壓鑄模、銅合金壓鑄模、黑色金屬壓鑄模等）。

根據(jù)加工材料，熱作模具可分為金屬模具（黑色金屬、有色金屬）、非金屬模具（玻璃模具、塑料模具）等。

一、熱作模具的分類:第3頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月4第三節(jié)熱作模具鋼二、熱作模具的工作條件主要考慮受熱情況：1）受熱時(shí)間：錘鍛、擠壓；2）被加工材料：黑色金屬、有色金屬。3）潤滑、冷卻熱量來源：高溫金屬的熱傳遞、摩擦生熱、變形熱、模具預(yù)熱。

第4頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月5第三節(jié)熱作模具鋼模具溫度對(duì)組織性能的影響：1）模具溫度低于回火溫度：組織、性能變化不大；2）模具溫度高于回火溫度，但低于AC1（圖5-12，5-13，5-14）：強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性增加。3）模具溫度高于AC1：形成馬氏體組織，脆性增加。4）熱應(yīng)力循環(huán)，產(chǎn)生疲勞裂紋。第5頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月6第三節(jié)熱作模具鋼三、各類熱作模具的工作條件和性能要求

分錘鍛模、高速錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱擠壓模、熱沖切模和壓鑄模介紹。

第6頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月7第三節(jié)熱作模具鋼1、錘鍛模高溫下通過沖擊加壓、強(qiáng)迫金屬成形的工具。（1）工作條件承受很大的壓應(yīng)力和沖擊載荷，且沖擊頻率很高；模具型腔表面受到熾熱金屬的不斷加熱，可使模具升溫到300-400℃，局部溫度達(dá)到500-600℃

。鍛完一個(gè)零件毛坯之后，必須用水或油冷卻模具，從而對(duì)模具產(chǎn)生急冷急熱的作用。坯料對(duì)模具型腔還產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦。第7頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月8第三節(jié)熱作模具鋼1、錘鍛模（2）失效形式錘鍛模的主要失效形式氧化、磨損、斷裂、產(chǎn)生熱疲勞裂紋，形成龜裂；塑性變形造成型面塌陷。（3）性能要求較高強(qiáng)度和良好的韌性；良好的耐磨性和耐冷熱疲勞性；具有高的淬透性。良好的導(dǎo)熱性和抗氧化性。第8頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月9第三節(jié)熱作模具鋼2、熱擠壓模（1）工作條件熱擠壓模主要承受壓縮力和彎曲應(yīng)力，脫模時(shí)還承受一定的拉應(yīng)力，但沖擊力不大。模具與熾熱金屬接觸時(shí)間比錘鍛模長，使其受熱溫度比錘鍛模溫度更高，尤其是擠壓鋼件和難熔金屬時(shí)，工作溫度高達(dá)600-800℃。擠壓過程中模具表面與坯料之間的摩擦較大。第9頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月10第三節(jié)熱作模具鋼2、熱擠壓模（2）失效形式熱擠壓模的主要失效形式是模腔過量塑性變形、開裂、冷熱疲勞、熱磨損及表面氧化腐蝕。（3）性能要求熱擠壓模的尺寸一般比錘鍛模小。因此，對(duì)熱擠壓模的性能要求主要有：高的熱穩(wěn)定性；良好的冷熱疲勞抗力和高耐磨性；較高的高溫強(qiáng)度和足夠的韌性。第10頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月11第三節(jié)熱作模具鋼3、熱沖切模熱沖切模由切邊凹模和凸模組成。在切邊時(shí)凸模無刃口，只起傳力作用，由凹模切除飛邊、連皮。（1）工作條件由于是切邊凹模完成剪切過程，因而凹模刃口與毛坯相摩擦，同時(shí)受到一定的沖擊載荷。此外，刃口還受熱而升溫。（2）主要失效形式：刃口磨損、崩刃、卷邊等。（3）性能要求

1）具有高的耐磨性，高的硬度及熱硬性；2）為避免崩刃，應(yīng)具有一定的強(qiáng)韌性。第11頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月12第三節(jié)熱作模具鋼4、壓鑄模在高壓下使液態(tài)金屬成型的一種模具。（1）工作條件壓鑄模工作時(shí)與高溫的液態(tài)金屬接觸，不僅受熱時(shí)間長，而且受熱溫度比熱鍛模高（壓鑄有色金屬時(shí)的溫度達(dá)400-800℃以上，壓鑄黑色金屬時(shí)的溫度可達(dá)1000℃

），同時(shí)承受很高的壓力，此外還受到反復(fù)加熱和冷卻的作用以及金屬液流的高速?zèng)_刷。第12頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月13第三節(jié)熱作模具鋼4、壓鑄模（2）失效形式：疲勞開裂（龜裂）、氣蝕、沖蝕磨損。低溫合金的壓鑄以磨損失效為主。（3）性能要求較高的耐熱性和良好的高溫力學(xué)性能；優(yōu)良的耐冷熱疲勞性和高的導(dǎo)熱性；良好的抗氧化性和耐蝕性；具有較高的淬透性。第13頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月14第三節(jié)熱作模具鋼熱作模具總的性能要求：1)抗熱性好（高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性）；2)抗冷熱疲勞性；3)高的強(qiáng)度和良好的韌性；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）錘鍛模突出要求高韌性；2）高速錘鍛模要求高的強(qiáng)韌性；3）壓力機(jī)鍛模和熱擠壓模要求有高的高溫強(qiáng)度；4）熱沖切模要求耐磨性和熱硬性高；5）壓鑄模要求高的冷熱疲勞抗力和熱強(qiáng)性。第14頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月15第三節(jié)熱作模具鋼四、熱作模具鋼的特點(diǎn)：1）熱作模具大多用合金工具鋼制造，少數(shù)用高溫合金和硬質(zhì)合金。一般不用碳素工具鋼（淬透性低、熱疲勞抗力差、脆性大、易崩裂）。2）為了保證鋼的韌性和熱疲勞抗力，碳化物量不能太多，熱作模具鋼中的碳含量一般在0.3％-0.6％之間，屬亞共析鋼。3）熱作模具鋼中的常用合金元素為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可增加抗熱性和耐磨性，Cr、Mn、

Si可獲得好的抗氧化性。第15頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月16第三節(jié)熱作模具鋼五、熱作模具鋼的分類第16頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月17第三節(jié)熱作模具鋼熱作模具鋼的分類1）按用途分：熱鍛模用鋼、熱擠壓模用鋼、壓鑄模用鋼、熱沖裁模用鋼。2）按性能分：高韌性熱作模具鋼、高熱強(qiáng)性熱作模具鋼、高耐磨性熱作模具鋼。3）按合金元素分：鎢系熱作模具鋼、鉻系熱作模具鋼、鎢鉬系熱作模具鋼、鉻鎢鉬系熱作模具鋼。4）按耐熱性分：低耐熱高韌性鋼（350-370℃）、中耐熱韌性鋼（550-600℃

）、高耐熱性鋼（600-700℃

）。第17頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月18第三節(jié)熱作模具鋼1、低耐熱高韌性鋼

常用鋼種有：5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等。成分特點(diǎn)：碳含量在0.4％-0.6％之間。為提高淬透性和熱強(qiáng)性，加入合金元素Cr、Ni、Mn、Si、Mo、V。屬亞共析鋼或接近共析鋼。性能特點(diǎn)：淬透性高；有一定回火穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度，可在500-600℃以下抗熱使用，但相對(duì)其它熱模鋼，其耐熱性較低；沖擊韌度高、疲勞強(qiáng)度高，屬高韌性鋼。主要用于錘鍛模。第18頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月19第三節(jié)熱作模具鋼不同牌號(hào)低耐熱高韌性模具鋼的性能特點(diǎn)：

1)5CrNiMo和5CrMnMo：由于碳化物形成元素含量低，碳化物主要為M3C型，阻止奧氏體長大的能力較差，耐熱性低，熱穩(wěn)定性較差，熱強(qiáng)性不高。

5CrNiMo相對(duì)有良好的韌性和淬透性，主要用于制造各種類型的大、中型錘鍛模。

5CrMnMo是考慮我國的資源狀況，為了節(jié)約鎳而研制的，相對(duì)來講，5CrMnMo的韌性、淬透性、耐熱疲勞性均比5CrNiMo差一點(diǎn)，但硬度、耐磨性高一些，主要用于制造各種類型的中小型錘鍛模。第19頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月20第三節(jié)熱作模具鋼不同牌號(hào)低耐熱高韌性模具鋼的性能特點(diǎn)：2）5Cr2NiMoVSi在5CrNiMo的基礎(chǔ)上添加了合金元素V、Si，適當(dāng)增加了Cr的含量，與5CrNiMo鋼相比，其高溫強(qiáng)度、淬透性及熱穩(wěn)定性溫度均得到了提高。600℃以上高溫強(qiáng)度比5CrNiMo高一倍。穩(wěn)定性溫度提高了150-170℃。500mm×500mm截面的鍛模，其心部硬度較5CrNiMo高13HRC。主要用于制造大型重負(fù)荷錘鍛模和較小壓力機(jī)鍛模。第20頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月21第三節(jié)熱作模具鋼不同牌號(hào)低耐熱高韌性模具鋼的性能特點(diǎn)：3）4CrMnSiMoV含有Mo、V，提高了抗回火能力和高溫硬度。具有較高的強(qiáng)度、耐磨性和沖擊韌度，其高溫性能、熱疲勞抗力和淬透性均優(yōu)于5CrNiMo鋼?？捎糜谥圃靿毫C(jī)鍛模生產(chǎn)汽車用連桿、前梁和齒輪。第21頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月22第三節(jié)熱作模具鋼

該類型模具鋼的加工工藝：以5CrNiMo為例

5CrNiMo鋼的臨界溫度：AC1為730℃

；AC3為780℃

；Ms為230℃

。

鍛造工藝：鍛坯加熱溫度為1100-1150℃

，始鍛溫度為1050-1100℃

，終鍛溫度為800-880℃

，砂冷或坑冷。交替進(jìn)行拔長和鐓粗2-3次以上。第22頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月23第三節(jié)熱作模具鋼

退火工藝：采用完全退火或等溫退火，退火工藝曲線如圖所示。退火組織為片狀或粒狀珠光體+少量碳化物：主要為（Fe,M)3C，也有少量M23C6,M6C,MC。第23頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月24第三節(jié)熱作模具鋼

淬火和回火工藝：淬火+高溫回火淬火預(yù)熱溫度為600-650℃

，加熱溫度為830-860℃

，油淬?；鼗鸸に?00-550℃

。淬火組織為馬氏體，硬度為52-60HRC，回火組織為回火馬氏體，硬度為34-48HRC。第24頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月25第三節(jié)熱作模具鋼第25頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月26第三節(jié)熱作模具鋼2、中耐熱韌性鋼鋼種有4Cr5MoSiV(H11)，4Cr5W2SiV（H12）,4Cr5MoSiV1（H13），4Cr4MoWSiV等。主要為5%鉻的鉻型熱作模具鋼。含有較多的Cr、Mo、W、V等碳化物形成元素，中等耐熱性，可在600-650℃使用。成分特點(diǎn)：碳含量在0.3％-0.4％之間，合金元素主要有Cr（5%)、Mo、W、V等碳化物元素。Cr、Mo

、Si提高鋼的淬透性，V提高抗過熱敏感性。第26頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月27第三節(jié)熱作模具鋼

中耐熱韌性鋼性能特點(diǎn)：

淬透性高，Φ100mm工件可空冷淬透（空冷硬化鋼）。與5CrNiMo相比，韌性大致相當(dāng)，而硬度、熱硬性、耐磨性提高，綜合性能好。在所有熱作模具鋼中，這類鋼具有最高的疲勞強(qiáng)度。

主要用于壓力機(jī)鍛模、高速鍛模和壓鑄模。第27頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月28第三節(jié)熱作模具鋼中耐熱韌性鋼組織及工藝特點(diǎn)：（1）退火工藝及組織該鋼種退火溫度為1000-1070℃

，退火組織為珠光體+未溶碳化物（6%-12%），主要為M23C6（Cr23C6）和M6C（Fe3Mo3C）。Mo影響M6C型碳化物含量，對(duì)耐熱性有影響。V影響MC型碳化物含量，對(duì)耐磨性有影響。退火后硬度為207-229HBS，切削加工性能好。第28頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月29第三節(jié)熱作模具鋼（2）淬火回火工藝及組織：淬火溫度為1010-1060℃

，淬火后硬度為50-59HRC。由于Cr含量高，該鋼種淬透性高，可采用空冷淬火。尺寸大于100mm的模具可采用油冷淬火。淬火組織為細(xì)晶馬氏體+過剩碳化物（MoC、VC）+殘余奧氏體?；鼗饻囟雀鶕?jù)硬度要求而定，在540-650℃之間。硬度要求高，回火溫度需低一些；硬度要求低，韌性要求高，回火溫度可高一些。5%Cr熱作模具鋼通常的使用硬度為44-50HRC。在劇烈沖擊和重負(fù)載荷下可采用40-44HRC。第29頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月30第三節(jié)熱作模具鋼

典型鋼種的性能特點(diǎn)及應(yīng)用：

4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1有較高的韌性和塑性，4Cr5W2SiV和4Cr4MoWSiV有較高的強(qiáng)度和硬度。4Cr5MoSiV1比4Cr5W2SiV的耐熱性好，

4Cr4MoWSiV耐熱性最好。

中耐熱韌性鋼主要用于熱變形用模具（壓力機(jī)鍛模、高速鍛模）和壓鑄模。

4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1韌性好，適用于高速錘鍛模，4Cr4MoWSiV強(qiáng)度硬度高，適用于塑性變形抗力大的熱變形模、高速錘鍛模以及壓鑄模。第30頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月31第三節(jié)熱作模具鋼3、高耐熱性鋼典型鋼種主要有：3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V，5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V。成分特點(diǎn)：碳含量在0.3％-0.5％之間，合金元素含量在8%-10%，屬共析鋼或過共析鋼。主要有Cr、W、Mo、V、Si。第31頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月32第三節(jié)熱作模具鋼3、高耐熱性鋼

性能特點(diǎn)：耐熱性好，即有較高的高溫強(qiáng)度和高溫硬度，可在600-700℃高溫下使用。具有高耐磨性。但塑性韌性、抗冷熱疲勞性能顯著低于5%Cr的熱模鋼。淬透性好，小于150mm的模具空冷也能淬透，硬度高達(dá)55-62HRC，具有強(qiáng)烈的二次硬化、抗回火軟化能力強(qiáng)、抗疲勞性好。第32頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月33第三節(jié)熱作模具鋼高耐熱韌性鋼組織及工藝特點(diǎn)：（1）退火工藝及組織該鋼種退火溫度為840-880℃

，退火組織為細(xì)顆粒珠光體+少量一次共晶碳化物。碳化物總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%-13%，主要為M6C型。含V高時(shí)，主要為MC型碳化物。退火硬度為207-255HBS，切削加工性稍差。第33頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月34第三節(jié)熱作模具鋼（2）淬火回火工藝及組織：淬火溫度為1050-1140℃

，油淬后硬度為53-62HRC。該鋼種淬透性高，可采用分級(jí)淬火。淬火組織為細(xì)晶馬氏體+未熔碳化物（MoC、VC）+殘余奧氏體。

高耐熱鋼均為二次硬化鋼，二次硬化最佳溫度為500-560℃。所以回火溫度一般為560-630℃

，硬度達(dá)到48-56HRC?；鼗鸾M織為回火馬氏體、回火索氏體或回火托氏體。第34頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月35第三節(jié)熱作模具鋼

3Cr2W8V的性能特點(diǎn)：

3Cr2W8V用于熱作模具已有70年歷史，至今仍廣泛使用，是我國產(chǎn)量最大的模具鋼之一。用于壓鑄模、熱擠壓模、精鍛模、有色金屬成型模等。鋼中的碳和合金元素Cr、W、V的含量正好是高速鋼W18Cr4V的一半，故稱“半高速鋼”。高的W、V提高鋼的熱穩(wěn)定性和耐磨性；較低的含碳量可保證一定的熱疲勞抗力及塑性和韌性；Cr增加了鋼的淬透性，80mm以下可以淬透。因大量合金元素的作用，合金的共析點(diǎn)左移，屬過共析鋼，韌性較差。第35頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月36第三節(jié)熱作模具鋼

典型鋼種的性能比較及應(yīng)用：

4Cr3Mo3W2V和3Cr2W8V的韌性、塑性較好，而強(qiáng)度、硬度偏低；

5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V為基體鋼，具有高速鋼的高強(qiáng)度及低合金工具鋼的韌性，相對(duì)于前兩種鋼，強(qiáng)度、硬度較高，而塑性、韌性偏低。這兩種鋼的回火抗力均高于3Cr2W8V，可在700℃高溫下工作。這類鋼適用于耐熱性、耐磨性要求較高而韌性要求較低、形狀不太復(fù)雜的模具，如壓力機(jī)鐓鍛模、擠壓機(jī)以及壓鑄模等。第36頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月37第三節(jié)熱作模具鋼4、特殊用途熱作模具鋼

(1)超高強(qiáng)度鋼

有40CrMo、40CrNi2Mo、30CrNiMnSiA等。

性能特點(diǎn)：有很高的抗拉強(qiáng)度和足夠的塑性、韌性。

成分特點(diǎn)：中、低含碳量，低合金量（小于5%），主要靠特殊的冶煉工藝及后續(xù)熱處理（回火時(shí)效、形變熱處理、晶粒超細(xì)化處理）獲得高強(qiáng)性和高韌性。應(yīng)用：主要用于工作溫度低于450℃

，需要高強(qiáng)度和高韌性的模具零件。如熱擠壓用擠壓筒、壓力機(jī)鍛模用模座、高速錘鍛用模套、壓板、頂桿。第37頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月38第三節(jié)熱作模具鋼4、特殊用途熱作模具鋼

(2)馬氏體時(shí)效鋼

有18Ni（250），18Ni（300），18Ni（350）

。

18Ni（250）成分：Ni18，Co7.75，Mo5.0，Ti0.4，Al0.1。成分特點(diǎn)：超低碳量（小于0.03%)，高含鎳、鈷量（Ni大于10%，Co7%左右），以及一定量的Mo、Ti、Al。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體，并在冷卻到室溫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體，而具有較高的塑性。鈷能使鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高，避免形成大量殘留奧氏體。第38頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月39第三節(jié)熱作模具鋼4、特殊用途熱作模具鋼

(2)馬氏體時(shí)效鋼

熱處理：固溶+時(shí)效處理固溶處理（800-900℃

）后組織為Fe-Ni板條馬氏體，有很高的位錯(cuò)密度和小孿晶,其韌性較Fe-C馬氏體為高。時(shí)效處理（480-500℃

）后，析出共格金屬間化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),具有超高硬度和良好的塑性、韌性，硬度高、耐磨性好，斷裂韌度也高。同時(shí)，具有高的抗熱性能、抗高溫疲勞性能、抗氧化性能。不存在淬透性問題。

第39頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月40第三節(jié)熱作模具鋼4、特殊用途熱作模具鋼

(2)馬氏體時(shí)效鋼

應(yīng)用：由于含鎳、鈷高，價(jià)格貴。主要用于精密復(fù)雜長壽命壓鑄模，也常用于冷擠模、精密塑料模、鋁壓鑄模、精密鍛模等。

第40頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月41第三節(jié)熱作模具鋼

4、特殊用途熱作模具鋼

(3)高速工具鋼

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，耐熱性好，可在600℃工作，強(qiáng)度高、但韌性差?？捎糜跓釘D壓模、熱沖壓用沖頭、熱成形鋁合金壓鑄模。第41頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月42第三節(jié)熱作模具鋼4、特殊用途熱作模具鋼

(4)奧氏體耐熱鋼分為Cr-Ni系（Cr14Ni25Co2V)和Cr-Mn系(5Mn15Cr8Ni5Mo3V)

。主要為了滿足耐高溫、耐腐蝕、抗氧化而引入。Ni、Mn可無限擴(kuò)大奧氏體區(qū)，加熱及冷卻過程中不發(fā)生相變，高溫強(qiáng)度高、耐熱性好。

工藝：退火+固溶時(shí)效處理，時(shí)效溫度700℃

。

應(yīng)用：溫度介于700-900℃的模具，如鋼或高溫合金擠壓模、粉末燒結(jié)模、壓鑄模等。第42頁，課件共48頁，創(chuàng)作于2023年2月43第三節(jié)熱作模具鋼熱作模具的選材P86錘鍛模：低耐熱高韌性鋼。高速錘鍛模：中耐熱韌性鋼。壓力機(jī)鍛模：中耐熱韌性鋼。4熱擠壓模：高耐熱性鋼。5熱沖切模：