1.4    热作模具钢

1.4.1  热作模具钢的工作条件

热作模具主要包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。，热作模具工作条件的主要特点与热态金属相接触，，这是与冷作模具工作条件的主要区别。因此，会带来以下两方面的问题。

(1)模腔表层金属受热  在锤锻模工作时，通常模腔的表面温度可达300- 400℃，热挤压模可达500一  800℃，压铸模模腔温度与压铸材料种类及浇注温度有关。如压铸色金属时模腔温度可达≥1000℃，这样高的使用温度会使模腔表面的硬度和强度显著降低，为此，对热作模具钢的基本使用性能要求是热襲变抗力高，包括高的高温硬度和高温强度，高的热塑变抗力，也就是钢的回火稳定性．而加入Cr、W、Si等合金元素，过合金化途径，可以提高钢的回火稳定性。

(2)模腔衰层金属产生热疲劳（龟裂）  热作模具在工作时一般具有间歇性，每次使热态金属成型后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。因此，其的工作状态是反复受热和反复冷却，从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压交变应力的作用．其结果会引起模腔表面出现龟裂，称为热疲劳现象，为此，要求热作模具钢具有高的热疲劳抗力。而影响钢的热疲劳抗力的主要因素如下。

①钢的导热性：较高的导热性，可使模具表层金属受热程度降低，从而减小钢的热疲劳倾向性，一般认为；．钢的导热性与含碳量有关，含碳量较高时导热性低，而含碳量过低时，会导致钢的硬度和彊度下降。因此，在生产中通常采用中碳钢傲热作模具。

②钢的临界点影响：通常钢的临界点iA-）越高，钢的热疲劳倾向性越低。因此，一般通过加入合金元素 Cr、W、S来通过提高钢的脑界点，达到提高钢的热疲劳力的目的。

1．4．2  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：用以评价臌磨性和变形抗力。

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视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。

a.抗回火能力：钢的抗回火能力除与碳化物的热稳定性和基体的再结晶温度有关外，还取决于钢在回火时的二次硬化效应的大小。

k热稳定性高的碳化物，自马氏体组织中析出的温度和聚集长大的温度均高，这不仅提高了马氏体的分解温度，同时，使自马氏体中析出的碳化物难以聚集长大，经高温回火后，仍能保持高的弥散度。这种现象主要是由于在回火时，舍金元素妨碍钢中各种元素的扩散，因而延迟马氏体分解和碳化物聚集。

V、W、Ti、Cr，Mo等强碳化物形成元素，对回火过程中的延迟作用特别显著。-’o、Si虽不形成碳化物，但均对渗碳体晶核的形成和长大，产生强烈的延迟作用。玥此，Co，Si含量较高时，可以允许在较高温度回火，也不致产生钢的软化。

高熔点金属如W、Mo等固溶于铁索体中，能明显提高再结晶温度，对提高钢的抗回火能力有良好的作用。热作模具钢的二次硬化效应与钢中合金元素的类别和数量有关。v、她、W、Cr依次由强到弱影响钢的二次硬化效应。由于回火时大量残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度升高，也会引起钢的二次硬化效应。

c·高温强度：在高温下保持高硬度的能力，主要取决于钢中马氏体的热稳定性及碳化物的热稳定性。钢中加人大量的铬、钨、钼、钒等元素后，一部分溶入基体中，将增加基体的高温强度，另一部分可与碳结合成特殊碳化物，具有很高的抗聚集能力。

⑧断裂抗力：由于热作摸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率出/dN9 (mm/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K,c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，萌生热疲劳裂纹所需的热疲劳循环次数较多。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，不能仅根据材料的吼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，必须评价锤锻模具钢的一次冲击韧性值，但是，大多数模具在断裂前已发生热力机械疲劳裂纹，断裂往往是疲劳纹失稳扩展所造成。所以，对热作模具钢应同时进行一次性试验，和增加反映疲劳过程的试验考核项目。

量。4。3  热作模具钢的性能

（互）通用型热作模具钢  热作模具钢主要用于热锻模具、压铸模具、热挤压模具，超塑成型等温锻造模具等。要求热作模具钢在工作温度下具有较高的强韧性、耐磨性、高温强度、耐冷热疲劳性能、抗氧化性和耐蚀性。美国标准中通用型热作模具钢主要有4个钢号，即L6，Hl0，H21、H13。

热作模具钢是在高温条件下使用，一·般在500～700℃之间工作，在压铸成型过程，钢与液态金属相接触，使用条件苛刻，常用国产热作模具钢有4个品种，包括5CrNiMo，*5CrMnMo、H13、3Cr2W8V，它们与日本及欧洲各主要的模具钢生产企业的对照见表1-1。

表1-1  国内外遇用型热作模具钢对照

GB/T 1299  1 AISl:ASTMI    L)1N    1  NFA35  1 BS  l rOCT    l    JlS    l    IS()/DIS

6CrNiMnSiMoV I     L6     1         17350     1   590   i  4659  1    5950    1   4404   1 55NiCrMoV2

SCrNiMo      I    H13    1 55NiCrMoV6 I SNCDV7 I     I  5XHM   I  SKT4  i  40(:rtvtbV5

4Cr5MoSiVl    I     Hlo     I 56NiCrMoV7 I ZWCDV5 i  Bl-113  1  4X5M*ri>lC I  SKD6l  i   30CrMoV3

4Cr3M03SIV    I     H21      1  40CrMoV51  1 32CDV23 I  BH10 i   3X3M3由  I   SKD7   1   30C.rMoV9

3Cr2W8V    I           I X30CrMoV33 1230WCV91 BH21 1  3X283q,  I  SKD5  {

(2)高淬透性锻模用钢  该类钢一般为中碳低合金钢。5CrMnMo、5C.rNiMn是通用型的热锻模用钢，由于合金元素含嚣较低，淬透性较差，热稳定性也不高，并且钢中不含V元素。晶粒容易粗大，模具的使用寿命低。为了适应大截面锻锤和锻造压力机的要求，需要较高淬透性和回火稳定性的锻模钢，各国均开发了新钢种，如俄罗斯的4XM2西q、5X2MHV，IiDDEHGLMToughteM钢，  日本大同特殊钢的GF78，三菱制羁开发的HD14 (5CrNiMoV)，高周波钢业公司开发的KTVN (5CrN13MoV)等。西方国家常用的是55NiCr MoV6钢。

20世纪80年代以后，我国研制了类似的钢号5CrNiMoV钢，通过提高了SCrNiMo钢中的Cr、Ni、Mo的含量，并添加V元素，显著提高了钢的淬透性、淬硬性、高温强度和抗圆火稳定性，400mmX 400mm截面可以完全淬透，淬火后表面与心部硬度都保持在56- 60HRC，同一尺寸的SCrNiMo的心部硬度只有32- 41HRC。5 C.rNiMoV钢模块的抗回火稳定性比SCrNiMo高出100℃，使用寿命显著高于SCrNiMo。

5Cr2NiMoVSi钢与.5CrNiMo楣比，由于具有更高的合金元素含量，因此，具有更高的淬透性，其截面S00mmX500Inm的模块可以淬透，并且具有二次硬化效应，热稳两Bg彈透性，其截面500mm>< 500mm的模块可以淬

(3)高强韧性热作模具钢  该类热作模具钢使用量大，应用面广，典型的钢种是美国AISIH13钢。近些年来，’国外主要的模具钢生产厂开发了大量的新钢种。如瑞典UDDEHOI.M的QR090SUPFREME、H()TVAR，最近又研究了低Si优质热作模具钢DIEVAR，提高了高温强度，回火稳定性和韧性、抗热裂性等，美国C,ARPENTER工艺公司开发了Extendo-Ⅸe，提高了H13钢中的Cr、Mo含量，从而提高了模具使用寿命；美国CRUCIBLE公司开发了CRU161、WR95等新钢种；德国TEW通过调整X40CrMoV51钢的C、Cr，Mo、V含量，推出了X35CrMoV5ll；  日本的大同特殊钢公司的DH21等新钢种。另外，为了提高钢的红硬性和回火稳定性。在钢中增加一定鱟的Co，如美国的H19，英国的BH10A，  日本的MCZ、WDK，太同特殊钢的DH41、DH71，  日立金属的YHD45等。

为了满足高负荷、长寿命的锻造压力机用锻模的要求，发展了沉淀硬化型热作模舆，这类钢一般含碳量较低，得到高韧性的板条马氏体组织，在模具使用过程中，型腔表亩与高温工件接触而升温到550℃左右，由于金属问化合物和碳化物的弥散析出而增加硬度5- 8HRC。典型的钢种如日立金属的YHD26，大同特殊钢的DH67(3N13M03V)等，还有H13、Hl0、3Cr3Mc>3W2V,QR090、DH21、AH71、HD72、HD2、TM、Y4等。

(4)高温热作模具钢  ，当工作温度≥700℃时，一般的模具钢的强度急剧下降，为了满足此工作温度，国外发展了一些新型的热作模具材料。对于700- 800℃的模具，展了CrMn系和NiCrMn系高温模具钢，如日立金属的oMn15Crlo V2，大同特殊钢SMn18NNi8Cr、8M02V2钢等，在800℃下抗拉强度可大于600y＼

7Mn15Cr2A13V2WMo钢是我国研制的无磁钢，应用较多，经高温固溶处理后的组为奥氏体和少量的碳化物，固溶处理后硬度为20一 22HRC左右。时效后的硬度可以达到47HRC左右，可用于高温热作模具，磁性材料的压制成型用模具，具有较高的耐磨性。

当工作温度太子800℃时，一般用Fe基或Ni基高温合余制造。最近由于超塑恒温成型工艺的发展，有些高温合金的超塑性的温度高达iioo℃。日立金属公司开发了一种叫“Nimowal”的Ni基合金，如5Mn15、AH、7Mn15等钢。

(5)马氏体时效钢  在微量的碳加18%-25%Ni的基础上，再添加Al、Ti、Co、Mo等元素，通过马氏体强化机制，可在750℃的高温下保持相当的红硬性，美图Lokomo公司和CRUCIBLE公司开发的该类钢与18Ni相近。Tby-r-othrm2799是一种新型的马氏体时效钢(N112M08C08T1)，具有较高的热稳定性，奥地利B()HLER的W700也属此类。

此外，还有高温耐蚀模具钢，如大同特殊钢开发的DH42，日立金属开发的YHD45等。还有粉末冶金耐热模具钢，如德国的X40CrMoV51，美国VASCO的MA等。

(6)压铸模具钢  压铸模具钢主要应用于汽车、摩托车、军事电子、农业机械和替通机械制造等工业生产中的压力铸造、挤压铸造、重力铸造、锻造成犁等所需的热作具。

①HM1钢。该钢种已纳入GB 1299--85的国家标准模具钢号。它具有良好的抗热疲劳性能、抗回火稳定性能和良好的冶炼、锻造、热处理及机械加工工艺性能，是国内综合性能优良，符合我国资源条件的高强韧性热作模具新钢种。适用于高温、高负荷，急热急冷条件下的压力机锻模、轴承热锻凹模、成型滚锻模、高强度和高热强钢的精密锻造、铝和铜合金压铸模，热挤压模具等。使用寿命可比3Cr2W8V提高又一4倍。在高温性能方面明显优于H13钢．

②HM3钢：该钢种与HM1为同一系列产品，其高温强韧性能和抗热疲劳性能非常突出，特别适合于冲击载荷较大、工作温差高的模具。如辊段成型模具，有色金属压模具，耐热不锈钢及高强度材料锻压成型模具，轴承环套躅热锻成型凹模等，使用寿命比原用H13，3Cr2W8V和5CrNiMo都有成倍提高。

③RM2钢：．RM2钢是一种多用途基体钢，既可用于热作模具，也可用于冷作模具。该钢种已纳入（粥1299-85国家标准中，具有极高的高温强度、红硬性能、热稳定能和高温耐磨性能．特别适用于铜合金挤压模具，温锻模具和冲击载荷较小的热挤冲头模具。在切边模具、齿轮精锻模具、轴承环挤压冲头、不锈钢餐具滚轧模具的应用寿，都远高于原用H13、3Cr2W8V模具钢。

) JDH3钢：该钢种是一种最新研制的模具材料，其性能特点是介于HM1、HM3H13之间，即强度高于HM3，韧性高于HMl,抗热疲劳性能高于H13钢。主要适用于热锻模具，精锻模具、辊锻模具。

⑤H13 (4(_'.rSMoSiVl)钢等，以上材料的供货状态均为电渣重溶钢。

7)热作模具钢新材料

①通用型热作模具钢：以55NiCrMo\r6为代表的低合金热作模具钢；以H13为代的中合金热作模具钢； 3Cr3M03VSi钨系钼系热作模具钢。目前在我国4CrSMoSiVl是产量最高的热作模具钢。

②高痒透性特大型锻压模块用钢：淬透性好．尺寸较大的模具心部可以获得均匀的性能。如IS04957标准中的40NiCrMoV；法国NF-35-590标准中的dONCD16；我圆的4Cr2 MoVNi、3Cr2 MoWVNi等。

③高热强性模具钢又可分为以下四类。

9·中合金高热强性模具钢：一般是在3Cr3M03S1V (Hl0)和4CrSMoSiVl钢的基础上增加w、Mo、Co、Nb等元素，提高其高温性能，如美国ASTM标准钢号H玉oA、我国开发的3Cr3M03W2V等。

b沉淀硬化型热作模具钢：这类钢的含碳量较低，一般在2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如v、Nb、Ni、Al、Mo等，模具钢在淬火后，采用较低温度回火（约400℃），硬度为40l-IRC左右，由于含碳量低。中温回火后的组织为板条状低碳马氏体，具有良好的韧性、切削性，可以进行型腔加工。模具在使用过程中，与高温工件接触的工作表面被工件加热到钢的沉淀硬化温度500一  600℃，由于合金碳化物和金属闻化合物的析出，工作表面的硬度可上升到45- 48HRC，提高了型腔表面的耐磨性，模具心部仍保留原有的组织和高韧性，从而提高了模具的使用寿命，如日本日立金属公词的YHD3、大同特殊钢公司的DH76等。

巳低碳高速钢和基体钢：高速工具钢具有良好的抗回火软化性能和高温硬度，但是其韧性和耐冷热疲劳性能较差。低碳高速钢是将高速钢的碳含量由l》《左右降至o．3%-0.6%，在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下，提高韧性和耐冷热疲劳性能，如美国ASTM标准钢号H42。我国标准钢号6W6MoSCr4V。基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组织成分，所以淬火后过剩碳化物的数量少，细小均匀，使钢的韧性和耐冷热疲劳性能进一步得到改善，如美国钒合金铁公司的VasooMA(5Cr4W3M02V)、我国的6Cr4 M03 W2 VNb。该钢由于综合性能较好，既可以用于热作模具钢，也可用于制造高性能的冷作模具。

a奧氏体型热作模具钢；这类钢经圖溶时效处理后，在700一 800℃仍保持较好的强度，如日本日立金属公司的5Mn18CrlQV2、我国的7MnlQCr8Ni10M03V2等。

(8)其他熟作模具钢  为提高热冲、热轧，热锻及中、小机械压力机用模具钢的性能，以替代目前采用的5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V锅种，多年来国内进行了许多研究，如20世纪70年代研制的35Cr3M03W2V( HMl)、3Cr3M鶮VNb(HM3)、4Cr3MoW4VNb (GR)等，在热稳定性，抗热疲劳性等方面均有所提高。

此外，  国内还研制了SCr4W2M02S1V、5Cr4 M06N12WV、7W4Cr2MoNiV、5Cr4W5MoV等钢种，用于热精锻或热挤压模，效果也较好。1980年代研制的高热高强韧性钢28Cr2NiMoWVSi、6Cr2Mn2S1MoV、65W8Cr4'JTi(UⅥ1)、65Cr5～f03W2 VSiTi(LM2)、4Cr2M02WV (TM)、．4Cr3-tVt02NiVNb( HD)，，其中，TM、HD钢用来代替Cr2W8V效果较好。

为提高大截面机锻模与锤锻模的热强性，近年研制的钢种有5Cr2NiMoVSi、5Cr2NiMoVSi, 55NiCrMoV, ER8, 3Cr2MoWVNi, 4Cr2MoVNi，其中，  4Cr2 MoVNi第一汽车制造厂锤锻模上应用，其模具寿命提高30% - so%。粥钢3Cr2MoWVNi)可适用于中小型机锻模，斑钢(4Cr2MoVNi)可适用于锤锻模、大型机锻模。