热挤压模用钢及热处理技术

1.热挤压模的工作条件、失效形式和性能要求

（1）工作条件 热挤压模的受力情况与冷挤压模有相似的一面，热挤压冲头在整个工作过程中的受力状况是承受带弯曲应力的拉压交变应力，也承受一定的多次冲击压缩负荷。另一方面在冷、热应力作用下，冲头又经受热疲劳和热磨损。

（2）失效形式 热疲劳裂纹和表面磨损。

（3）性能要求 要求模具材料在工作温度下具有高的拉压疲劳强度、弯曲疲劳强度，高硬度和高耐磨性以及高的热疲劳抗力、抗氧化性、抗热冲刷能力和良好的导热性。

2.热挤压模用钢

常用热挤压模具用钢是钨系热作模具钢，此外还有铬钼系、钨钼系和铬钨钼系等新型的热作模具钢以及基体钢。

（1）钨系热作模具钢 这类钢的代表性钢种为传统的3Cr2W8V钢，由于其耐热疲劳性能较差，在热挤压模方面的应用将逐渐会减少，但在压铸模方面的应用较多，该钢在压铸模用钢中将有详细介绍。

钨系热作模具钢的主要特点是具有高的热稳定性，W能提高热稳定性和耐磨性，含W量越高，热稳定性越高。Cr可增加钢的淬透性，使模具有较好的抗氧化性。3Cr2W8V钢由于大量合金元素的加入，使共析点大大左移，因此含碳量不高，但已属于过共析钢。碳化物形成元素W和Cr提高钢的临界点，因而提高抗热疲劳性能，同时在高温下比低合金热作模具钢具有更高的强度和硬度。钨系热作模具钢主要用于制作尺寸不大的热锻模、铝及铜合金的压铸模、钢及铜合金的热挤压模、顶锻模等。

锻造和热处理工艺（以3Cr2W8V钢为例）：

1）锻造。始锻温度为1080～1120℃，终锻温度为900～850℃。锻后缓冷。

2）退火。退火温度为830～850℃，保温3～4h后，以40℃/h的速度炉冷至400℃，出炉空冷。退火状态组织为铁素体基体上分布着M₂C和M₂₃C₆。

3）淬火。一般采用1080～1150℃淬火加热，如要求高温力学性能时（如作压铸模），则采用上限加热温度，使合金碳化物充分溶解，以保证高硬度和高的热硬性；对于承受一定载荷，要求有较好韧性的热锻模等，则采用下限淬火温度。淬火后的组织为马氏体和过剩碳化物（质量分数为6%左右）以及残留奥氏体。硬度为50～55HRC。

4）回火。回火温度一般采用560～600℃，回火组织为回火马氏体+过剩碳化物，硬度40～48HRC。

（2）铬系热作模具钢 代表钢种有4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi。前两种相当于美国的H11、H13钢，4Cr5W2VSi则由4Cr5MoSiV钢演变而来，由ω（W）=2%代替ω（Mo）=1%。这三种钢碳的质量分数为5%左右，属于中碳中铬钢。铬系热作模具钢的化学成分见表3-14。

表3-14 铬系热作模具钢的化学成分

铬系热作模具钢的特点：

1）因含铬量较多，具有较高的淬透性，如厚度为150mm的4Cr5MoSiV1钢件可油冷淬透。而且这类钢的过冷奥氏体在400～600℃之间具有很高的稳定性，可长时间保温而不转变，因而适合于分级淬火。

2）耐热疲劳抗力较好，这是因为铬、硅提高了钢的抗氧化性所致，所以铬系钢较能适应急冷急热的工作条件。

3）耐回火性较高，如4Cr5MoSiV钢的淬火硬度分别在1070℃和1200℃左右淬火时达到最大值。然后回火，其硬度值随回火温度升高而接近保持不变，并在500～550℃出现二次硬化峰值，以后则逐渐下降，如图3-2所示。

4）与钨系热作模具钢相比，有较高的韧性，但高温强度不足，耐热性稍差，工作温度一般不超过650℃。

5）这类钢所含碳化物种类及数量大致相同，因而过热敏感性也大致相同。

6）铬系热作模具钢热塑性较高，变形抗力小，锻造开裂倾向较小，但锻造温度范围稍窄，必须严格控制锻打温度。

铬系热作模具钢含有大约质量分数为5%Cr，并加入W、Mo、V、Si。由于含Cr较高，因而有较高的淬透性。加入质量分数为1%Mo时，淬透性更高，故尺寸很大的模具淬火时也可以空冷。图3-3所示为淬火温度对4Cr5MoSiV钢硬度的影响。

图3-2 4Cr5MoSiV钢回火温度与硬度的关系

图3-3 淬火温度对4Cr5MoSiV钢硬度的影响

铬系热作模具钢具有高的强度和韧性，抗氧化性较好（由于含Cr和Si），Si、Cr还提高钢的临界点，有利于提高其抗热疲劳性能，加入钒可加强钢的二次硬化现象，增加热稳定性。图3-4所示为回火温度对几种钢硬度的影响。

（3）铬钼钢及铬钨钼钢 这类钢包括4Cr3Mo3SiV（H10）、3Cr3Mo3VNb（HM3）、3Cr3Mo3W2V（HM1）、5Cr4W5Mo2V（RM2）、4Cr3Mo3W4VNb（GR）等。上述钢种中铬的质量分数为2.5%～5%，并含有一定数量的钼和钨。有些钢还含有质量分数为1%～3.3%的镍。这些钢的特点是回火稳定性和热稳定性高于铬系钢，其中HM1、RM2和GR钢的耐热性能接近或超过3Cr2W8V钢。

这类钢的韧性与钨、钼、镍的含量有关。钢中含钨、钼较多，使韧性下降（如RM2、GR钢）。加入镍能避免韧性下降，甚至使韧性有所提高。

图3-4 回火温度对几种钢硬度的影响

1）HM3钢。此钢含碳量较低，并加入少量铌，故具有较高的耐热疲劳性能和强韧性，回火稳定性好，其他工艺性能也均优异。适于制造强烈水冷的压力机成形模、辊锻模、小型锤锻模等，其工作寿命明显高于5CrNiMo、4Cr5W2VSi、3Cr2W8V钢制造的模具。

2）RM2钢。该钢的质量分数为0.5%左右，所含合金元素总量为12%，使用状态含碳化物较多，其中以M₆C为主。因此，该钢具有较高的回火抗力及热稳定性，在硬度50HRC时的热稳定性可达700℃，抗磨损性能也好。适于制作小截面热挤、高速锻模及辊锻模具。

3）GR钢。该钢是在钨钼系热作模具钢中，加入少量铌而获得高回火抗力和高的热强性。其耐热疲劳抗力、热稳定性、耐磨性及高温强度明显高于3Cr2W8V钢。该钢经1160～1200℃油淬，600～630℃回火2次，每次1h的处理，其硬度可达50～55HRC，抗拉强度可达1880MPa，冲击韧度可达17J/cm²。该钢的淬透性、冷热加工性均好，适于制造热镦、精锻、高速锻模具。

（4）基体钢 基体钢中有多个钢种可以兼作冷作模具和热作模具用钢，如LM1、LM2、CG-2等，其中012Al钢较多地用于热挤压模具。

012Al钢具有较高的韧性和热稳定性，耐热疲劳性也高于3Cr2W8V钢。

表3-15给出了基体钢和热作模具钢在不同温度下的力学性能，以供选材时参考。采用基体钢制造热挤压模和精锻模等，其使用寿命同样高于3Cr2W8V钢。(www.xing528.com)

表3-15 基体钢和热作模具钢的性能比较

3.热挤压模材料的选用

热挤压模具材料的选择，主要是根据被挤压金属材料及其在该温度下的强度性能，其次是被挤压金属的化学成分、挤压加工的成品形状、挤压加工的挤压比、挤压速度和润滑条件等因素，以提高模具的使用寿命。

热挤压模与高温坯料长时间接触，热挤压凹模、芯棒、热挤压缸内套等承受高温、大应力和强烈摩擦，要求模具材料必须具备在高温下强度高、耐磨性好、耐回火性好，并且有良好的抗冷热疲劳性能，对于芯棒材料还必须具有良好的韧性。

热挤压模具一般由凹模、凹模垫块及凹模环、芯棒、芯棒头和镶块、挤压缸及挤压缸内套、挤压杆垫等组成。其中，凹模、芯棒及芯棒头和镶块受高温应力和高温磨损最为严重，对抗冷热疲劳性能要求比较高，是经常发生失效需要更换的模件。挤压缸模内套和垫块受热情况比较严重，但是承受的内应力比较单一。挤压缸工作温度不高，主要承受拉应力。因此模具材料的选择应考虑以上因素。

凹模用模具材料要求较高，传统材料是4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1和3Cr2W8V钢。工作条件苛刻的可选用5Cr4W2Mo2SiV、H10、H19等钢种，工作条件更为苛刻的可选用一些奥氏体型热作模具钢5Mn15Cr8Ni5Mo3V2等铁基耐热合金制造。

芯棒材料主要选择铬系中合金模具钢，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoWSiV钢，也可选择钼系模具钢H10。工作温度较高挤压比较大时芯棒的头部可选择W6Mo5Cr4V2、6W6或高温合金材料的镶块。挤压缸内套一般用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、H10等钢，高温工作时也可采用铁基高温合金内套。挤压缸一般选择合金含量不高的中碳铬钼钢。

对于高温条件下磨损极为严重的热挤压模具，特别是挤压难变形的、形状复杂的、挤压比很大的高温坯料，采用奥氏体型高温热作模具钢、硬质合金、钢结硬质合金等高热强性、高耐磨性材料制成模具镶块。

热挤压模具材料的选择及硬度要求见表3-16、表3-17所示。

表3-16 热挤压模具材料的选择及硬度要求

（续）

注：对于复杂形状的模具，硬度比表列值应低4～5HRC。

表3-17 热挤压模具材料选择及硬度

4.热挤压模的热处理

热挤压模具的制造工艺路线一般为：下料→锻造→预备热处理→机械加工→淬、回火→精加工。

下面分析各热加工工序的工艺特点：

（1）锻造工艺 热挤压模用钢多为高合金钢，所以模坯需经良好的锻造，尤其是含钼的热作模具钢，要注意锻造加热温度和保温时间的控制，以避免严重脱碳导致模具早期失效。常用热挤压模具用钢的锻造工艺见表3-18。

表3-18 常用热挤压模具用钢的锻造工艺

（2）预备热处理

1）退火。热挤压模具的退火工艺主要在于选择退火温度，保证充分的保温时间，并以合适的冷却速度冷却。另外，为了确保良好的耐磨性，在淬火后需保留一定数量的碳化物，由于碳化物的形状对钢的韧性有很大影响，还应注意退火后的碳化物形状。一般希望获得圆而细小的碳化物。常用热挤压模具钢的退火工艺见表3-19。

表3-19 热挤压模具钢的退火工艺

2）高温调质。为了使锻后毛坯的力学性能（特别是断裂韧度）得到改善，常常采用锻后调质的方法进行毛坯的预处理。此种热处理方法是将锻后的模具毛坯加热到高温淬火，再经高温回火。经此处理，可使碳化物均匀分布，且使形状圆而细小，不仅改善了钢的性能，而且还缩短了预处理周期。调质处理的淬火加热温度可根据不同的钢种而定，如HM1钢为1200℃，同常规淬火温度相近。高温回火温度一般在700～750℃之间。

3）锻后正火。由于锻后出现明显沿晶链状碳化物的毛坯，需正火予以消除然后再进行球化退火。因为这种链状碳化物通过退火是难以消除的。

（3）淬、回火 常用热挤压模具钢在选择淬火温度时，主要考虑的是奥氏体晶粒尺寸的大小和冲击韧度的高低，其次还要考虑模具的工作条件、结构形状、失效形式对性能的要求。

对于淬火保温时间的选择，主要考虑能确定完成组织转变，使碳及合金元素充分固溶，以保证获得高的回火抗力及热硬性。淬火保温时间系数一般盐炉取0.5～1mm/min。尺寸越小系数越大。

由于热挤压模具钢属于高合金钢，淬透性较好，淬火冷却可采用油冷，也可采用空冷。对要求变形小的模具还可以采用等温淬火或分级淬火。

回火工艺的正确与否，对模具的失效形式有很重要的的作用。选择回火温度的原则是，在不影响模具抗脆断能力的前提下，尽可能提高模具的硬度，这需要根据模具的具体失效形式来确定回火参数。

淬火后的模具都应尽快进行回火，特别是形状复杂的模具，当模面温度低于80℃时，回火就得进行。为了避免残余应力的产生。在回火加热和冷却时都应缓慢进行。

回火一般进行两次，回火时间可按3min/mm计算，但不应低于2h。第二次回火温度可比第一次低10～20℃。

表3-20给出了常用热挤压模具钢的常规热处理工艺，以供参考。

表3-20 常用热挤压模具钢的常规热处理工艺