熱變形模具鋼是一種冶金的專業術語
基本介紹
- 中文名：熱變形模具鋼
- 類型：冶金的專業術語
- 分為：錘鍛模、熱擠壓模、熱鐓模
- 錘鍛模用鋼：最廣泛的為5CrMnMo,5CrNiMo
性能要求,錘鍛模,熱擠壓模,壓鑄模,鍛模用鋼,化學成分,鍛造和退火,淬火和回火,壓鑄模用鋼,
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。
錘鍛模
工作條件：在高溫下通過衝擊加壓，強制金屬成形。模具在工作過程中經受巨大的衝擊負荷，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℃。此外用於經常受到反覆加熱和冷卻，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、良好的衝擊韌性、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。
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),也承受一定的多次衝擊壓縮負荷。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。
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，反覆與熾熱金屬(有色合金600℃左右；黑色金屬壓鑄溫度更高)接觸，被反覆加熱與冷卻、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)。
鍛模用鋼
我國使用最廣泛的錘鍛模用鋼為5CrMnMo,5CrNiMo。
化學成分
這類鋼要求有一定的硬度，又要求有高的衝擊韌性。
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衝擊韌性，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，對於同時含鉻、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並引起回火脆性。
矽：矽能增加鋼的淬透性，提高鋼的強度。回火穩定性和耐熱疲勞性，但矽含量較高(>1%)使，會增加鋼的回火脆性，降低衝擊韌性。
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。
鍛造和退火
錘鍛模用鋼由於在工作過程中承受很高的應力和衝擊載荷，所以必須具有均勻的組織和性能，這對於大型的或形狀複雜的模具尤為重要。因此，對於製造承受高負荷或大型模具的坯料，要經過各向鍛造的過程，並進行鐓粗和拔長，其交替進行的次數應不少於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。鍛造後應進行緩冷。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℃後空冷
淬火和回火
小型鍛模：由於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範圍內。
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：大型鍛模由於鍛模尺寸很大，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範圍內為宜。
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53～585CrMnMo820-850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
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（%）CSiMnCrNiMoWV5CrNiMo0.50.6≤0.40.50.80.50.81.41.80.150.3----5CrMnMo0.50.60.250.61.21.60.60.9--0.150.3----4Cr5MoSiV0.320.420.81.2≤0.44.55.5--1.21.5--0.30.54Cr5MoSiV10.320.420.81.2≤0.44.55.5--1.21.5--0.81.13Cr2W8V0.30.4≤0.4≤0.42.22.7----7.59.00.20.5
1、鉻系熱變形模具鋼
鉻系熱變形模具鋼含有大約5%Cr,並加入W、Mo、V、Si。由於含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(由於含Cr和Si)，Si、Cr還提高鋼的臨界點，有利於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於製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鋼由於大量合金元素的加入，使共析點大大左移，因此含碳量不高，但已屬於過共析鋼。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後，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採用1080℃～1150℃淬火加熱。如要求高溫機械性能時(如作壓鑄模),則採用上限加熱溫度，使合金碳化物充分溶解，以保證高硬度和高的熱硬性。對於承受一定載荷，要求有較好韌性的模具(如熱鍛模)，則採用下限淬火溫度。淬火後的組織為馬氏體和過剩碳化物(6%左右)以及殘餘奧氏體。硬度為HRC50-55。
回火：回火溫度一般採用560～600℃，回火組織為回火馬氏體+過剩碳化物，硬度HRC40～48。
這類鋼主要用於製造高溫下承受高應力，但不承受衝擊負荷的壓鑄模、熱擠壓模和頂鍛模等。
