基本介紹
- 中文名：合金工具鋼
- 外文名：4Cr5MoSiV1
- 簡稱：合工鋼
- 類別：熱作模具鋼
- 執行標準：GB/T1299—2000
- 統一數字代號：A2050
概述,化學成分,性能,熱處理工藝,化學成分分析,
概述
4Cr5MoSiV1
合金工具鋼簡稱合工鋼，是在碳工鋼的基礎上加入合金元素而形成的鋼種。其中
合工鋼包括：量具刃具用鋼、耐衝擊工具用鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼、無磁
模具鋼、塑膠模具鋼。
4Cr5MoSiV1是熱作模具鋼。
執行標準GB/T1299—2000。
統一數字代號A20502；
牌號4Cr5MoSiV1；
模具鋼材
模具鋼材化學成分
4Cr5MoSiV1化學成分%：
碳 C ：0.32～0.45
矽 Si：0.80～1.20
錳 Mn：0.20～0.50
硫 S ：≤0.030
磷 P ：≤0.030
鉻 Cr：4.75～5.50
鎳 Ni：允許殘餘含量≤0.25
銅 Cu：允許殘餘含量≤0.30
釩 V ：0.80～1.20
鉬 Mo：1.10～1.75
性能
●物理性能：
其密度為7.8t/m3；彈性模量E為210000MPa。
4Cr5MoSiV1鋼的臨界溫度
臨界點 溫度（近似值）/℃
Ac1 860
Ac3 915
Ar1 775
Ar3 815
Ms 340
Mf 215
4Cr5MoSiV1鋼的線（膨）脹係數
溫度/℃ 線（膨）脹係數/℃-1
20～100 9.1×10-6
20～200 10.3×10-6
20～300 11.5×10-6
20～400 12.2×10-6
20～500 12.8×10-6
20～600 13.2×10-6
20～700 13.5×10-6
4Cr5MoSiV1鋼的熱導率
溫度/℃ 熱導率λ/W·(m·K)-1
25 32.2
650 28.8
●力學性能：
硬度：退火≤235HB，壓痕直徑≥3.95mm
熱處理工藝
熱處理：（交貨狀態：布氏硬度HBW10/3000（小於等於235）），淬火：790度+-15度預熱，1000度（鹽浴）或1010度（爐控氣氛）+-6度加熱，保溫5~15min空冷，550度+-6度回火；退火、熱加工；
交貨狀態：鋼材以退火狀態交貨。
化學成分分析
4Cr5MoSiV1鋼是C-Cr-Mo-Si-V型鋼，在世界上的套用極其普遍，同時各國許多學者對它進行了廣泛的研究,並在探究化學成分的改進。鋼的套用廣泛和具有優良的特性，主要由鋼的化學成分決定的。當然鋼中雜質元素必須降低，有資料表明,當Rm在1550MPa時,材料含硫量由0.005%降到0.003%,會使衝擊韌度提高約13J。NADCA 207-2003標準就規定:優級(premium)H13鋼含硫量小於0.005%,而超級(superior)的應小於0.003%S和0.015%P。下面對4Cr5MoSiV1鋼的成分加以分析。 碳：美國AISI H13，UNS T20813，ASTM（最新版）的H13和FED QQ-T-570的4Cr5MoSiV1鋼的含碳量都規定為（0.32~0.45）%，是所有4Cr5MoSiV1鋼中含碳量範圍最寬的。德國X40CrMoV5-1和1.2344的含碳量為（0.37~0.43）%，含碳量範圍較窄，德國DIN17350中還有X38CrMoV5-1的含碳量為（0.36~0.42）%。日本SKD 61的含碳量為（0.32~0.42）%。我國GB/T 1299和YB/T 094中4Cr5MoSiV1和SM 4Cr5MoSiV1的含碳量為（0.32~0.42）%和（0.32~0.45）%，分別與SKD61和AISI H13相同。特別要指出的是：北美壓鑄協會NADCA 207-90、207-97和207-2003標準中對H13鋼的含碳量都規定為（0.37~0.42）%。
鋼中含碳量決定淬火鋼的基體硬度，按鋼中含碳量與淬火鋼硬度的關係曲線可以知道,H13鋼的淬火硬度在55HRC左右。對工具鋼而言，鋼中的碳一部分進入鋼的基體中引起固溶強化。另外一部分碳將和合金元素中的碳化物形成元素結合成合金碳化物。對熱作模具鋼,這種合金碳化物除少量殘留的以外，還要求它在回火過程中在淬火馬氏體基體上彌散析出產生兩次硬化現象。從而由均勻分布的殘留合金碳化合物和回火馬氏體的組織來決定熱作模具鋼的性能。由此可見，鋼中的含C量不能太低。
含5%Cr的4Cr5MoSiV1鋼應具有高的韌度，故其含C量應保持在形成少量合金C化物的水平上。Woodyatt 和Krauss指出在870℃的Fe-Cr-C三元相圖上,H13鋼的位置在奧氏體A和（A+M3C+M7C3）三相區的交界位置處較好。相應的含C量約0.4%。圖上還標出增加C或Cr量使M7C3量增多,具有更高耐磨性能的A2和D2鋼以作比較。另外重要的是,保持相對較低的含C量是使鋼的Ms點取於相對較高的溫度水平(H13鋼的Ms一般資料介紹為340℃左右)，使該鋼在淬冷至室溫時獲得以馬氏體為主加少量殘餘A和殘留均勻分布的合金C化物組織，並經回火後獲得均勻的回火馬氏體組織。避免使過多殘餘奧氏體在工作溫度下發生轉變影響工件的工作性能或變形。這些少量殘餘奧氏體在淬火以後的兩次或三次回火過程中應予以轉變完全。這兒順便指出，H13鋼淬火後得到的馬氏體組織為板條M+少量片狀M+少量殘餘A。經回火後在板條狀M上析出的很細的合金碳化物，國內學者也作了一定工作。
眾所周知，鋼中增加碳含量將提高鋼的強度，對熱作模具鋼而言，會使高溫強度、熱態硬度和耐磨損性提高，但會導致其韌度的降低。學者在工具鋼產品手冊文獻中將各類H型鋼的性能比較很明顯證明了這個觀點。通常認為導致鋼塑性和韌度降低的含碳量界限為0.4%。為此要求人們在鋼合金化設計時遵循下述原則:在保持強度前提下要儘可能降低鋼的含碳量,有資料已提出:在鋼抗拉強度達1550MPa以上時,含C量在0.3%-0.4%為宜。H13鋼的強度Rm，有文獻介紹為1503.1MPa(46HRC時)和1937.5MPa(51HRC時)。
查閱FORD和GM公司資料推薦的TQ-1、Dievar和ADC3等鋼中的含C量都為0.39%和0.38%等，相應的韌度指標等列於表1，其理由可由此管窺所及。
對要求更高強度的熱作模具鋼，採用的方法是在H13鋼成分的基礎上提高Mo含量或提高含碳量，這將在後面還會論及，當然韌度和塑性的略為降低是可以預料的。
2.2 鉻： 鉻是合金工具鋼中最普遍含有的和價廉的合金元素。在美國H型熱作模具鋼中含Cr量在2%~12%範圍。在我國合金工具鋼（GB/T1299）的37個鋼號中,除8CrSi和9Mn2V外都含有Cr。鉻對鋼的耐磨損性、高溫強度、熱態硬度、韌度和淬透性都有有利的影響，同時它溶入基體中會顯著改善鋼的耐蝕性能，在H13鋼中含Cr和Si會使氧化膜緻密來提高鋼的抗氧化性。再則以Cr對0.3C-1Mn鋼回火性能的作用來分析，加入﹤6% Cr對提高鋼回火抗力是有利的，但未能構成二次硬化；當含Cr﹥6%的鋼淬火後在550℃回火會出現二次硬化效應。人們對熱作鋼模具鋼一般選5%鉻的加入量。
工具鋼中的鉻一部分溶入鋼中起固溶強化作用，另一部分與碳結合,按含鉻量高低以(FeCr)3C、(FeCr)7C3和M23C6形式存在，從而來影響鋼的性能。另外還要考慮合金元素的互動作用影響，如當鋼中含鉻、鉬和釩時，Cr>3%<sup>[14]</sup>時，Cr能阻止V4C3的生成和推遲Mo2C的共格析出，V4C3和Mo2C是提高鋼材的高溫強度和抗回火性的強化相<sup>[14]</sup>，這種互動作用提高該鋼耐熱變形性能。
鉻溶入鋼奧氏體中增加鋼的淬透性。Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si﹑Ni都與Cr一樣是增加鋼淬透性的合金元素。人們習慣用淬透性因子加以表征,一般國內現有資料[15]還只套用Grossmann等的資料,後來Moser和Legat[16,22]的更進一步工作提出由含C量和奧氏體晶粒度決定基本淬透性直徑Dic和合金元素含量確定的淬透性因子(示於圖3中)來計算合金鋼的理想臨界直徑Di,也可從下式作近似計算:
Di=Dic×2.21Mn×1.40Si×2.13Cr×3.275Mo×1.47Ni (1)
(1)式中各合金元素以質量百分數表示。由該式，人們對Cr﹑Mn﹑Mo﹑Si和Ni元素影響鋼淬透性有相當明確的半定量了解。
Cr對鋼共析點的影響，它和Mn大致相似，在約5%的含鉻量時，共析點的含C量降到0.5%左右。另外Si﹑W﹑Mo﹑V﹑Ti的加入更顯著降低共析點含C量。為此可以知道：熱作模具鋼和高速鋼一樣屬於過共析鋼。共析含C量的降低，將增加奧氏體化後組織中和最後組織中的合金碳化物含量。
鋼中合金C化物的行為與其自身的穩定性有關，實際上，合金C化物的結構、穩定性與相應C化物形成元素的d電子殼層和S電子殼層的電子欠缺程度相關[17]。隨著電子欠缺程度下降，金屬原子半徑隨之減小，碳和金屬元素的原子半徑比rc/rm增加，合金C化物由間隙相向間隙化合物變化，C化物的穩定性減弱，其相應熔化溫度和在A中溶解溫度降低，其生成自由能的絕對值減小，相應的硬度值下降。具有面心立方點陣的VC碳化物，穩定性高，約在900~950℃溫度開始溶解，在1100℃以上開始大量溶解（溶解終結溫度為1413℃）[17]；它在500~700℃回火過程中析出，不易聚集長大，能作為鋼中強化相。中等碳化物形成元素W 、Mo形成的M2C和MC 碳化物具有密排和簡單六方點陣，它們的穩定性較差些，亦具較高的硬度、熔點和溶解溫度，仍可作為在500~650℃範圍使用鋼的強化相。M23C6(如Cr23C6等)具有複雜立方點陣，穩定性更差，結合強度較弱，熔點和溶解溫度較低（在1090℃溶入A中），只有在少數耐熱鋼中經綜合合金化後才有較高穩定性（如（CrFeMoW）23C6,可作為強化相。具有複雜六方結構的M7C3(如Cr7C3、 Fe4Cr3C3或Fe2Cr5C3)的穩定性更差，它和Fe3C類碳化物一樣很易溶解和析出，具有較大的聚集長大速度，一般不能作為高溫強化相[17]。
我們仍從Fe-Cr-C三元相圖可以簡便了解H13鋼中的合金碳化物相。按Fe-Cr-C系700℃[18~20]和870℃[9]三元等溫截面的相圖,對含0.4%C鋼中,隨Cr量增加會出現（FeCr）3C（M3C）和（CrFe）7C3(M7C3)型合金碳化物。注意在870℃圖上,只有含Cr量大於11%才會出現M23C6）。另外根據Fe-Cr-C三元系在5%Cr時的垂直截面,對含0.40%C的鋼在退火狀態下為α相（約固溶1%Cr）和（CrFe）7C3合金C化物。當加熱至791℃以上形成奧氏體A和進入（α+A+M7C3）三相區,在795℃左右進入（A+M7C3）兩相區,約在970℃時,（CrFe）7C3消失,進入單相A區。當基體含C量﹤0.33%時,在793℃左右才存在（M7C3+M23C6和A）的三相區,在796℃進入（A+M7C3）區（0.30%C時），以後一直保持到液相。鋼中殘留的M7C3有阻止A晶粒長大的作用。Nilson提出，對1.5%C-13%Cr的成分合金，欠穩定（CrFe）23C6不形成[20]。當然,單以Fe-Cr-C三元系分析會有一些偏差,要考慮加入合金元素的影響。
4Cr5MoSiV1回火
溫度/℃ | 室溫 | 540 | |
σ-1 | /ΜPa | 730 | 510 |
σ-1k | 670 | 370 |
表 3-1-1 4Cr5MoSiV1鋼推薦的回火規範
回火目的 | 回火溫度/℃ | 加熱設備 | 冷卻 | 回火硬度（HRC） |
清除應力和降低硬度 | 560～580 | 熔融鹽浴或空氣爐 | 空氣 | 47～49 |
①通常用兩次回火、第二次回火溫度應比第一次低20℃。
表3-1-2 4Cr5MoSiV1鋼推薦的表面處理規範
工藝 | 溫度/℃ | 時間/h | 介質 | 擴散層 | |
深度/mm | 顯微硬度（HV） | ||||
氰化 氰化 氮化 | 560 580 530～550 | 2 8 12～20 | 50%KCN+50%NCN 天然氣+氨 氨，α=30%～60% | 0.04 0.25～0.30 0.15～0.20 | 690～640 860～635 760～550 |
