页数：47页文件大小：266.2 KB来源： 模具材料及失效ppt课件
本课件讲解热作模具钢。先给出热作模具的工作特点与分类，逐一分析锤锻模、热挤压模、热冲切模、压铸模的工作条件与失效形式，随后按工作温度与性能介绍低耐热高韧性钢、中耐热韧性钢、高耐热韧性钢与超高强度钢、马氏体时效钢等特殊用途钢种。
第五章模具材料
热作模具主要用于热变形加工和压力铸造的模具。
其工作特点是在再结晶温度以上使金属材料产生一定的塑性变形，或者使高温的液态金属铸造成形，从而获得各种所需形状的零件或精密毛坯
根据加工形式，热作模具可分为热冲切模（热切边模、热切料模）、热变形模（锤锻模、高速锤锻模、压力机锻模、热挤压模）和压铸模（铝合金压铸模、铜合金压铸模、黑色金属压铸模等）。
根据加工材料，热作模具可分为金属模具（黑色金属、有色金属）、非金属模具（玻璃模具、塑料模具）等。
一、热作模具的分类
模具温度对组织性能的影响
三、各类热作模具的工作条件和性能要求分锤锻模、高速锤锻模、压力机锻模、热挤压模、热冲切模和压铸模介绍
1、锤锻模高温下通过冲击加压、强迫金属成形的工具。
（1）工作条件承受很大的压应力和冲击载荷，且冲击频率很高；
模具型腔表面受到炽热金属的不断加热，可使模具升温到300-400℃，局部温度达到500-600 ℃。
锻完一个零件毛坯之后，必须用水或油冷却模具，从而对模具产生急冷急热的作用。
坯料对模具型腔还产生强烈的摩擦
1、锤锻模（2）失效形式锤锻模的主要失效形式氧化、磨损、断裂、产生热疲劳裂纹，形成龟裂；
塑性变形造成型面塌陷。
（3）性能要求较高强度和良好的韧性；
良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；
具有高的淬透性。
良好的导热性和抗氧化性
2、热挤压模（1）工作条件热挤压模主要承受压缩力和弯曲应力，脱模时还承受一定的拉应力，但冲击力不大。
模具与炽热金属接触时间比锤锻模长，使其受热温度比锤锻模温度更高，尤其是挤压钢件和难熔金属时，工作温度高达600-800℃。
挤压过程中模具表面与坯料之间的摩擦较大
2、热挤压模（2）失效形式热挤压模的主要失效形式是模腔过量塑性变形、开裂、冷热疲劳、热磨损及表面氧化腐蚀。
（3）性能要求热挤压模的尺寸一般比锤锻模小。
因此，对热挤压模的性能要求主要有：高的热稳定性；
良好的冷热疲劳抗力和高耐磨性；
较高的高温强度和足够的韧性
3、热冲切模热冲切模由切边凹模和凸模组成。在切边时凸模无刃口，只起传力作用，由凹
4、压铸模在高压下使液态金属成型的一种模具。
（1）工作条件压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热温度比热锻模高（压铸有色金属时的温度达400-800℃以上，压铸黑色金属时的温度可达1000℃），同时承受很高的压力，此外还受到反复加热和冷却的作用以及金属液流的高速冲刷
4、压铸模（2）失效形式：疲劳开裂（龟裂）、气蚀、冲蚀磨损。
低温合金的压铸以磨损失效为主。
（3）性能要求较高的耐热性和良好的高温力学性能；
优良的耐冷热疲劳性和高的导热性；
良好的抗氧化性和耐蚀性；
具有较高的淬透性
热作模具总的性能要求
五、热作模具钢的分类
热作模具钢的分类
1、低耐热高韧性钢常用钢种有：5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等。
成分特点：碳含量在0.4％-0.6％之间。
为提高淬透性和热强性，加入合金元素Cr、Ni、Mn、Si、Mo、V。
属亚共析钢或接近共析钢。
性能特点：淬透性高；
有一定回火稳定性和高温强度，可在500-600℃以下抗热使用，但相对其它热模钢，其耐热性较低；
冲击韧度高、疲劳强度高，属高韧性钢。
主要用于锤锻模
不同牌号低耐热高韧性模具钢的性能特点：1) 5CrNiMo和5CrMnMo：由于碳化物形成元素含量低，碳化物主要为M3C型，阻止奥氏体长大的能力较差，耐热性低，热稳定性较差，热强性不高。
5CrNiMo相对有良好的韧性和淬透性，主要用于制造各种类型的大、中型锤锻模。
5CrMnMo是考虑我国的资源状况，为了节约镍而研制的，相对来讲，5CrMnMo的韧性、淬透性、耐热疲劳性均比5CrNiMo差一点，但硬度、耐磨性高一些，主要用于制造各种类型的中小型锤锻模
不同牌号低耐热高韧性模具钢的性能特点：2）5Cr2NiMoVSi在5CrNiMo的基础上添加了合金元素V、Si，适当增加了Cr的含量，与5CrNiMo钢相比，其高温强度、淬透性及热稳定性温度均得到了提高。
600℃以上高温强度比5CrNiMo高一倍。
稳定性温度提高了150-170℃。
500mm×500mm截面的锻模，其心部硬度较5CrNiMo高13HRC。
主要用于制造大型重负荷锤锻模和较小压力机锻模
不同牌号低耐热高韧性模具钢的性能特点：3）4CrMnSiMoV含有Mo、V，提高了抗回火能力和高温硬度。
具有较高的强度、耐磨性和冲击韧度，其高温性能、热疲劳抗力和淬透性均优于5CrNiMo钢。
可用于制造压力机锻模生产汽车用连杆、前梁和齿轮
该类型模具钢的加工工艺：以5CrNiMo为例5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730℃；
AC3为780℃；
Ms为230℃。
锻造工艺：锻坯加热温度为1100-1150℃，始锻温度为1050-1100℃，终锻温度为800-880℃，砂冷或坑冷。
交替进行拔长和镦粗2-3次以上
退火工艺：采用完全退火或等温退火，退火工艺曲线如图所示。
退火组织为片状或粒状珠光体+少量碳化物：主要为（Fe,M)3C，也有少量M23C6,M6C, MC
淬火和回火工艺：淬火+高温回火淬火预热温度为600-650 ℃，加热温度为830-860 ℃，油淬。
回火工艺500-550 ℃。
淬火组织为马氏体，硬度为52-60HRC，回火组织为回火马氏体，硬度为34-48HRC
第三节热作模具钢
2、中耐热韧性钢钢种有4Cr5MoSiV(H
中耐热韧性钢性能特点：淬透性高，Φ100mm工件可空冷淬透（空冷硬化钢）。
与5CrNiMo相比，韧性大致相当，而硬度、热硬性、耐磨性提高，综合性能好。
在所有热作模具钢中，这类钢具有最高的疲劳强度。
主要用于压力机锻模、高速锻模和压铸模
中耐热韧性钢组织及工艺特点：（1）退火工艺及组织该钢种退火温度为1000-1070 ℃，退火组织为珠光体+未溶碳化物（6%-12%），主要为M23C6（Cr23C6）和M6C（Fe3Mo3C）。
Mo影响M6C型碳化物含量，对耐热性有影响。
V影响MC型碳化物含量，对耐磨性有影响。
退火后硬度为207-229HBS，切削加工性能好
2）淬火回火工艺及组织：淬火温度为1010-1060 ℃，淬火后硬度为50-59HRC。
由于Cr含量高，该钢种淬透性高，可采用空冷淬火。
尺寸大于100 mm的模具可采用油冷淬火。
淬火组织为细晶马氏体+过剩碳化物（MoC、VC）+残余奥氏体。
回火温度根据硬度要求而定，在540-650 ℃之间。
硬度要求高，回火温度需低一些；
硬度要求低，韧性要求高，回火温度可高一些。
5%Cr热作模具钢通常的使用硬度为44-50HRC。
在剧烈冲击和重负载荷下可采用40-44HRC
典型钢种的性能特点及应用：4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1有较高的韧性和塑性，4Cr5W2SiV和4Cr4MoWSiV有较高的强度和硬度。
4Cr5MoSiV1比4Cr5W2SiV的耐热性好，4Cr4MoWSiV耐热性最好。
中耐热韧性钢主要用于热变形用模具（压力机锻模、高速锻模）和压铸模。
4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1韧性好，适用于高速锤锻模，4Cr4MoWSiV强度硬度高，适用于塑性变形抗力大的热变形模、高速锤锻模以及压铸模
3、高耐热性钢典型钢种主要有：3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V，5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V。
成分特点：碳含量在0.3％-0.5％之间，合金元素含量在8%-10%，属共析钢或过共析钢。
主要有Cr、W、Mo、V、Si
3、高耐热性钢性能特点：耐热性好，即有较高的高温强度和高温硬度，可在600-700℃高温下使用。
具有高耐磨性。
但塑性韧性、抗冷热疲劳性能显著低于5%Cr的热模钢。
淬透性好，小于150mm的模具空冷也能淬透，硬度高达55-62HRC，具有强烈的二次硬化、抗回火软化能力强、抗疲劳性好
高耐热韧性钢组织及工艺特点：（1）退火工艺及组织该钢种退火温度为840-880 ℃，退火组织为细颗粒珠光体+少量一次共晶碳化物。
碳化物总的质量分数为10%-13%，主要为M6C型。
含V高时，主要为MC型碳化物。
退火硬度为207-255HBS，切削加工性稍差
2）淬火回火工艺及组织：淬火温度为1050-1140 ℃，油淬后硬度为53-62HRC。
该钢种淬透性高，可采用分级淬火。
淬火组织为细晶马氏体+未熔碳化物（MoC、VC）+残余奥氏体。
高耐热钢均为二次硬化钢，二次硬化最佳温度为500-560 ℃。
所以回火温度一般为560-630℃，硬度达到48-56HRC。
回火组织为回火马氏体、回火索氏体或回火托氏体
3Cr2W8V的性能特点：3Cr2W8V用于热作模具已有70年历史，至今仍广泛使用，是我国产量最大的模具钢之一。
用于压铸模、热挤压模、精锻模、有色金属成型模等。
钢中的碳和合金元素Cr、W、V的含量正好是高速钢W18Cr4V的一半，故称“半高速钢”。
高的W、V提高钢的热稳定性和耐磨性；
较低的含碳量可保证一定的热疲劳抗力及塑性和韧性；
Cr增加了钢的淬透性，80mm以下可以淬透。
因大量合金元素的作用，合金的共析点左移，属过共析钢，韧性较差
典型钢种的性能比较及应用：4Cr3Mo3W2V和3Cr2W8V的韧性、塑性较好，而强度、硬度偏低；
5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V为基体钢，具有高速钢的高强度及低合金工具钢的韧性，相对于前两种钢，强度、硬度较高，而塑性、韧性偏低。
这两种钢的回火抗力均高于3Cr2W8V，可在700℃高温下工作。
这类钢适用于耐热性、耐磨性要求较高而韧性要求较低、形状不太复杂的模具，如压力机镦锻模、挤压机以及压铸模等
4、特殊用途热作模具钢(1)超高强度钢有40CrMo、40CrNi2Mo、30CrNiMnSi A等。
性能特点：有很高的抗拉强度和足够的塑性、韧性。
成分特点：中、低含碳量，低合金量（小于5%），主要靠特殊的冶炼工艺及后续热处理（回火时效、形变热处理、晶粒超细化处理）获得高强性和高韧性。
应用：主要用于工作温度低于450℃，需要高强度和高韧性的模具零件。
如热挤压用挤压筒、压力机锻模用模座、高速锤锻用模套、压板、顶杆
4、特殊用途热作模具钢
4、特殊用途热作模具钢(2)马氏体时效钢热处理：固溶+时效处理固溶处理（800-900℃）后组织为Fe-Ni板条马氏体，有很高的位错密度和小孪晶,其韧性较Fe-C马氏体为高。
时效处理（480-500℃）后，析出共格金属间化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),具有超高硬度和良好的塑性、韧性，硬度高、耐磨性好，断裂韧度也高。
同时，具有高的抗热性能、抗高温疲劳性能、抗氧化性能。
不存在淬透性问题
4、特殊用途热作模具钢(2)马氏体时效钢应用：由于含镍、钴高，价格贵。
主要用于精密复杂长寿命压铸模，也常用于冷挤模、精密塑料模、铝压铸模、精密锻模等
4、特殊用途热作模具钢(3)高速工具钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，耐热性好，可在600℃工作，强度高、但韧性差。
可用于热挤压模、热冲压用冲头、热成形铝合金压铸模
4、特殊用途热作模具钢(4)奥氏体耐热钢分为Cr-Ni系（Cr14Ni25Co2V)和Cr-Mn系(5Mn15Cr8Ni5Mo3V)。
主要为了满足耐高温、耐腐蚀、抗氧化而引入。
Ni、Mn可无限扩大奥氏体区，加热及冷却过程中不发生相变，高温强度高、耐热性好。
工艺：退火+固溶时效处理，时效温度700℃。
应用：温度介于700-900℃的模具，如钢或高温合金挤压模、粉末烧结模、压铸模等
热作模具的选材P861锤锻模：低耐热高韧性钢。
2高速锤锻模：中耐热韧性钢。
3压力机锻模：中耐热韧性钢。
4热挤压模：高耐热性钢。
5热冲切模：高耐磨钢（8Cr3）。
6压铸模：高耐热性钢和高温合金
七、新型热作模具钢1.HM1(35Cr3Mo3W2V)热作模具钢该钢种已纳入GB1299-85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、热挤压摸具等。
使用寿命可比3Cr2W8V提高1-4倍。
在高温性能方面明显优于H13钢
七、新型热作模具钢2．HM3 (25Cr3Mo3VNb)热作模具钢该钢种与HM1为同一系列产品，其高温强韧性能和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。
如辊锻成型模具，有色金属压铸模具、耐热不锈钢及高强度材料锻压成型模具，轴承环套圈热锻成型凹模等，使用寿命比原用H13、3Cr2W8V和5CrNiMo都有成倍提高
七、新型热作模具钢3．RM2（5Cr4W5Mo2V）热作模具钢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GB1299-85国家标准中，具有极高的高温强度、红硬性能、热稳定性能和高温耐磨性能。
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命都远高于原用H13、3Cr2W8V模具钢
作业：1热作模具钢应具备哪些特性？
2热作模具钢根据耐热程度可分为哪些类型？
不同耐热钢的成分特点如何？
3热作模具钢常采用哪些热处理工艺
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