熱作模具的材料的 性能要求和成分特點(diǎn)、熱作模具鋼及熱處理(一)

測(cè)驗(yàn)講評(píng)簡(jiǎn)單介紹單元測(cè)驗(yàn)情況（成績(jī)情況，存在問(wèn)題及改進(jìn)要求）。第二章熱作模具材料熱作模具主要指用于熱變形加工和壓力鑄造的模具。其工作特點(diǎn)是，在外力作用下，使加熱的固體金屬材料產(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。

第一節(jié)熱作模具材料的性能要求及成分特點(diǎn)

一、性能要求根據(jù)工作條件，熱作模具可分為熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模和熱沖裁模等幾類。熱作模具在工作中既有力的作用又有溫度的作用，模具的工作條件復(fù)雜，對(duì)模具材料的特性要求也更加嚴(yán)格。為了滿足熱作模具的使用要求，熱作模具材料應(yīng)具備下列基本特性:1)較高的高溫強(qiáng)度和良好的韌性。熱作模具，尤其是熱鍛模，工作時(shí)承受很大的沖擊力，而且沖擊頻率很高，如果模具沒(méi)有高的強(qiáng)度和良好的韌性，就容易開(kāi)裂。

2)良好的耐磨性能。熱作模具工作時(shí)產(chǎn)生摩擦磨損，高溫氧化腐蝕和氧化鐵屑的研磨，所以需要熱作模具材料有較高的硬度和抗粘附性。3)高的熱穩(wěn)定性。熱作模具工作時(shí)，模具表面溫度很高，一般為400~700°C。這就要求熱作模具材料在高溫下不發(fā)生軟化，具有高的熱穩(wěn)定性，否則模具就會(huì)發(fā)生塑性變形，造成堆塌而失效。4)優(yōu)良的耐熱疲勞性。熱作模具的工作特點(diǎn)是形成很大的熱應(yīng)力，且這種熱應(yīng)力是方向相反，交替產(chǎn)生。在反復(fù)熱應(yīng)力作用下，模具表面會(huì)形成網(wǎng)狀裂紋(龜裂)，這種現(xiàn)象稱為熱疲勞，模具因熱疲勞而過(guò)早地?cái)嗔?，是熱作模具失效的主要原因之一。所以熱作模具材料必須要有良好的熱疲勞性?)高淬透性。熱作模具一般尺寸比較大，熱鍛模尤其是這樣，為了使整個(gè)模具截面的力學(xué)性能均勻，這就要求熱作模具鋼有高的淬透性能。6)良好的導(dǎo)熱性。為了使模具不致積熱過(guò)多，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，要盡可能降低模面溫度，減小模具內(nèi)部的溫差，這就要求熱作模具材料要有良好的導(dǎo)熱性能。7)良好的成形加工工藝性能，以滿足加工成形的需要。二、成分特點(diǎn)熱作模具鋼的成分與合金調(diào)質(zhì)鋼相似，一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.5%(個(gè)別鋼種碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)０.6%~0.7%)，并含有Cr、Mn，Ni、Si等合金元素。碳量低可保證其具有足夠的韌性。合金元素的作用是強(qiáng)化鐵素體和增加淬透性。加入Mo、W等元素防止回火脆性；增加相當(dāng)數(shù)量的Cr、W及Si，提高高溫強(qiáng)度和熱疲勞抗力；Ｗ、Mo、V等在回火時(shí)以碳化物形式析出而產(chǎn)生二次硬化，使熱作模具鋼在較高溫度下仍保持相當(dāng)高的硬度，這是熱作模具鋼正常工作的重要條件之一第二節(jié)熱作模具鋼及熱處理

根據(jù)工作溫度、性能和用途可將通用熱作模具鋼分類如下表:一、熱鍛模用鋼及其熱處理熱鍛模是在高溫下通過(guò)沖擊力或壓力使熾熱的金屬坯料成形的模具，包括錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱轍模、精鍛模和高速鍛模等。其中錘鍛模最有代表性。1.錘鍛模工作條件及性能要求（１）工作條件：錘鍛模在工作中受到高溫、高壓、高沖擊負(fù)荷的作用。１）模具型腔與高溫金屬坯料間產(chǎn)生強(qiáng)烈地摩擦，使模具本身溫度高達(dá)400~600°C;２）鍛件取出后模腔還要用水、油或壓縮空氣進(jìn)行冷卻，受到反復(fù)加熱和冷卻，使模具表面產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。（２）錘鍛模的失效方式主要是，在交變的熱應(yīng)力作用下，模具表面產(chǎn)生網(wǎng)狀或放射狀的熱疲勞裂紋，以及模腔磨損或嚴(yán)重偏載、工藝性裂紋導(dǎo)致模具開(kāi)裂。（３）錘鍛模性能要求：具有較高的高溫強(qiáng)度和韌性，良好的耐磨性和耐熱疲勞性，由于錘鍛模尺寸比較大，還要求錘鍛模用鋼具有高的淬透性。

2.錘鍛模用鋼(1)常用鋼種及化學(xué)成分錘鍛模用鋼主要有:5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV等，此外還有國(guó)內(nèi)近年來(lái)研制的新鋼種，如4SiMnMoV、5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi等。其中45Cr2NiMoVSi是應(yīng)用比較成熟的高強(qiáng)韌大截面錘鍛模具鋼。典型錘鍛模用鋼化學(xué)成分見(jiàn)下表：(2)典型鋼種的性能特點(diǎn)１）5CrNiMo鋼以具有良好的綜合力學(xué)性能和良好的淬透性。淬火后，經(jīng)500~600°C回火，硬度達(dá)40~48HRC，抗拉強(qiáng)度達(dá)1200~1400MPa，沖擊韌度為40~70J/cm2，而且第二類回火脆性不敏感。該鋼的不足之處是工作溫度稍低，鍛坯中易產(chǎn)生白點(diǎn)。該鋼適合于制造形狀復(fù)雜、沖擊負(fù)荷大，要求高強(qiáng)度和韌性較高的中大型錘鍛模。２）5CrMnMo鋼的性能同5CrNiMo鋼相比，它們的硬度和強(qiáng)度相當(dāng)，但在相同硬度下5CrMnMo鋼的沖擊韌度低于5CrNiMo鋼。且該鋼的淬透性，耐熱疲勞性也稍差，熱處理時(shí)過(guò)熱傾向較大。因此，該鋼適合于制造受力較輕的中小型錘鍛模。３）4CrMnSiMoV鋼的強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、淬透性均高于5CrNiMo鋼，沖擊韌度與5CrNiMo鋼接近，可用于制造中、大型或特大型錘鍛模。４）45Cr2NiMoVSi是新型熱作模具鋼，成分與5CrNiMo相比，碳量稍低，提高了Cr和Mo的含量，并加入了適量的V和Ｓi，回火時(shí)析出M2C、MC型碳化物，使鋼具有二次硬化效應(yīng)。該鋼與5CrNiMo相比，有如下優(yōu)點(diǎn):①洋淬透性明顯提高;②熱穩(wěn)定性比5CrNiMo鋼高150°C;③具有高的強(qiáng)韌性;④抗熱疲勞和熱磨損性能較高，具有優(yōu)良的使用性能。從加工方面看，熱加工時(shí)鍛造及熱處理的加熱溫度范圍寬，開(kāi)裂傾向小，鍛造工藝及熱處理工藝易于掌握，冷加工時(shí)較5CrNiMo鋼切削略困難些。該鋼適用于制造高強(qiáng)韌性大截面錘鍛模，其模具使用壽命較目前應(yīng)用的國(guó)內(nèi)外錘鍛模鋼種均有明顯提高。(3)錘鍛模材料的選用在選擇錘鍛模材料和確定其工作硬度時(shí)，主要根據(jù)鍛模種類、鍛模大小、鍛模形狀復(fù)雜程度、生產(chǎn)批量要求以及受力和受熱等情況來(lái)決定。課本表3-3列舉了錘鍛模材料的選用，以供參考。3.錘鍛模的熱處理錘鍛模的制造工藝路線一般為:下料—鍛造—退火—機(jī)械粗加工—探傷—成形加工—淬回火—鉗修—拋光。(1)鍛造與退火生產(chǎn)上用的5CrMnMo和5CrNiMo鋼，為了使其性能盡可能的均勻并獲得所需要的形狀，必須進(jìn)行鍛造。鍛造加熱溫度為1100~1150°C，始鍛溫度l050~1100°C，終鍛溫度800~850°C，鍛后應(yīng)緩冷至150~200°C后再空冷，以防止產(chǎn)生白點(diǎn)。鍛后模塊內(nèi)存較大的內(nèi)應(yīng)力和組織不均勻性，必須進(jìn)行退火，其退火工藝見(jiàn)下表。退火后的組織由珠光體和鐵素體組成，硬度為197~241HBS。(2)淬火與回火為了保證錘鍛模獲得足夠的強(qiáng)度和韌性，最終熱處理為淬火加中溫或高溫回火。

淬火加熱可在鹽浴爐、箱式爐以及可控氣氛或真空爐中進(jìn)行。大型或形狀復(fù)雜的鍛模淬火加熱時(shí)一般需經(jīng)一次預(yù)熱，預(yù)熱溫度為550~600°C。5CrMnMo鋼的淬火溫度一般為830~850°C，5CrNiMo鋼的常規(guī)淬火溫度為830~860°C，4CrMnSiMoV鋼為880~930°C，45Cr2NiMoVSi鋼為950~980°C。按上述溫度淬火，可確保鋼中奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，晶粒一般在8~10級(jí)左右，并保證有較高的沖擊韌度。5CrNiMo和5CrMnMo鋼具有很高的淬透性，鋼的淬火可以采用多種冷卻方式，如油淬、分級(jí)淬火或等溫淬火。其中最常用的是油淬。為了減少淬火變形，生產(chǎn)中常在出爐后先在空氣中預(yù)冷至750~780°C再淬火。淬火時(shí)，必須防止應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂，為此應(yīng)盡量使油循環(huán)(油溫為40~70°C)，特別是要控制鍛模的出油溫度應(yīng)在150~200°C左右，此時(shí)表面油漬只冒青煙而不著火，出油溫度也可根據(jù)在泊中停留時(shí)間來(lái)控制，一般小型鍛模為15~20min，中型鍛模為25~45min，大型鍛模為45~70min，模具出油后應(yīng)盡快回火，不允許冷到室溫再回火，否則易開(kāi)裂。分級(jí)淬火主要適于小型鍛模，可將工件預(yù)冷后淬入160~180°C硝鹽，停留適當(dāng)時(shí)間(按0.3~0.5min/mm計(jì)算〉后取出立刻回火。錘鍛模的回火包括模腔和燕尾兩個(gè)部分的回火，通常，燕尾的硬度應(yīng)低于模腔的硬度。圖3-1為5CrNiMo鋼和5CrMnMo鋼的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系，可根據(jù)鍛模的具體性能要求選取相應(yīng)的回火溫度。生產(chǎn)上對(duì)不同尺寸的錘鍛模有不同的硬度要求，采用的回火溫度如表3-5所示。為了防止第二類回火脆性，回火后采用油冷，在100°C出油。為了消除油冷所造成的內(nèi)應(yīng)力，可在160~180°C再補(bǔ)充一次低溫回火。燕尾可采用單獨(dú)加熱回火和自行回火的方法。單獨(dú)加熱回火是在保證模腔達(dá)到硬度要求后，再用專用電爐或用鹽浴爐來(lái)對(duì)燕尾