低耐热高韧性热作模具钢知识点详解

锻模工作时要承受较大的冲击载荷和工作应力，模具型腔与工件表面产生剧烈摩擦。由于与被加热到高温的工件接触，型腔表面的温度迅速升高，有的达到400℃以上，局部甚至达到600℃以上。工件脱模以后，型腔表面又受到压缩空气和润滑剂的迅速冷却。因此，要求热锻模材料必须具有一定的高温强度、高温硬度、较高的冲击韧度和抗热疲劳性能。

由于锻模的尺寸一般都比较大，为了使模块能淬透，要求材料具有较高的淬透性。一般选用ωc＝0.4%～0.6%的低合金热作模具钢，如5CrNiMo，5CrMnMo，5NiCrMoV，5Cr2NiMoVSi，4CrMnSiMoV等耐热性不太高，但韧性和淬透性很好的热作模具钢。

1）5CrNiMo钢

（1）力学性能

5CrNiMo钢是传统的热锻模钢，从20世纪30年代应用至今。它具有良好的韧性和淬透性，对尺寸效应不敏感。5CrNiMo钢在400℃以下工作可以保持较高的强度，高于400℃时强度急剧下降，如温度升高到550℃时，屈服点与室温比较下降近一半。

（2）工艺性能

①锻造工艺

市场上供应的钢材存在着纤维组织，钢的直径越大，偏析越严重。锻造时，必须交替镦粗和拔长，并保证有一定的锻造比，以使钢的组织逐步均匀化。锻坯加热温度1 100～1 150℃，始锻温度1 050～1 100℃，终锻温度800～850℃，锻后砂冷或坑冷。

②退火工艺

退火工艺曲线如图3-1所示。

图3-1　5CrNiMo钢退火工艺曲线

③淬火、回火工艺

淬火预热温度600～650℃，加热温度830～860℃，油淬。对于大型复杂模具，为了减小淬火应力，避免淬火缺陷的产生，可以采用淬油前预冷或分级淬火。模具从加热炉中取出后，先在空气中预冷到750～800℃，然后再淬入30～80℃的油中，直至模具温度降至比Ms点稍低的温度时，从油中取出空冷，然后移入回火炉中回火。

淬火后的模具应立即进行回火，回火工艺见表3-2。模具的燕尾部分由于集中承受冲击载荷，要求比模体部分有更高的冲击韧度，一般要在模具整体回火后，再单独对燕尾部分局部提高温度回火，降低燕尾开裂失效的倾向。

表3-2　5CrNiMo钢模具的回火工艺

（3）应用

5CrNiMo钢是目前国内用量较大的锻模用钢，通用性强。大、中、小型模块，深、浅型槽的模块均可用5CrNiMo钢。但此钢的热强性和耐磨性不如高强度热作模具钢，不适宜制造受冲击力较大的中小机锻模，以及热强性或抗热疲劳性能要求很高的热挤压模、热穿孔模及铝、铜压铸模等。由于该钢的淬透性好，更适合于大批量生产的大、中型模块。

2）5CrMnMo钢

考虑到我国的资源情况，为节约镍而以锰代镍研制而成5CrMnMo钢，其性能与5CrNiMo钢相似，但淬透性稍差，在高温工作时，其耐热疲劳性能逊于5CrNiMo钢。

（1）力学性能

5CrMnMo钢的强度略高于5CrNiMo钢，但淬透性和冲击韧度明显低于5CrNiMo钢，并且热处理时的过热倾向较大，在高温下工作时，其抗热疲劳性能也较差。

（2）工艺性能

①锻造工艺(www.xing528.com)

锻坯加热温度1 100～1 150℃，始锻温度1 050～1 100℃，终锻温度800～850℃，锻后砂冷或坑冷，注意防止模具开裂。

②退火工艺

等温退火加热温度850～870℃，等温温度680℃，退火硬度197～241 HBS。

③淬火、回火工艺

淬火加热温度840～860℃，油中淬火，冷到150～180℃出油并立即回火。为减小淬火畸变开裂的倾向，可采用预冷淬火，先预冷到740～780℃，然后入油淬火。回火工艺见表3-3。

表3-3　5CrMnMo钢的回火工艺

（3）应用

与5CrNiMo钢相比，5CrMnMo钢的淬透性及韧性较低，只适于制造要求较高强度和耐磨性，而韧性要求不甚高的3 t锤以下的浅型槽中小型锤锻模，以及部分压力机模块，也可用于工作温度低于500℃的其他小型热作模具。

3）4CrMnSiMoV钢

4CrMnSiMoV钢是5CrMnSiMoV钢的改进型，是无镍多元合金化热锻模具钢。原钢种的合金元素种类及含量均未变化，仅碳的质量分数降低了0.1%，其目的在于在保持原有强度水平的基础上提高钢的韧性。该钢具有较高的强度、耐磨性、冲击韧度及断裂韧度，其冲击韧度与5CrNiMo钢相当或相近，而高温性能、抗回火稳定性、热疲劳抗力均比5CrNiMo好，是GB1299／T—1985中的标准钢号。适用于大中型锻模，也可用于中、小型锻模，寿命比5CrNiMo模具高。

①锻造工艺

钢坯锻造加热温度1 100～1 140℃，始锻温度1 050～1 100℃，终锻温度≥850℃，锻后砂冷或坑冷。

②退火工艺

采用等温退火，加热温度840～860℃，等温温度700～720℃。

③淬火、回火工艺

大型锻模淬火温度870～900℃，中小型锻模淬火温度900～930℃。大型锻模回火温度620～660℃，硬度38～42 HRC；中型锻模回火温度610～630℃，硬度41～44 HRC；小型锻模回火温度470～610℃，硬度44～49 HRC。

4）5NiCrMoV钢和5Cr2NiMoV钢

从20世纪50年代以来，我国厚度小于250 mm的小型模块多采用5CrMnMo钢制造，大中型模块，一直用5CrNiMo钢制造。与西方国家的相应钢号比较，5CrNiMo钢的合金元素含量较低，淬透性较差，钢中不含钒，在较高的淬火温度下，晶粒容易粗化，淬硬性较低，热稳定性差，模具寿命较低。

从20世纪80年代开始，我国研制了类似的钢号5NiCrMoV，适当提高了5CrNiMo钢中Cr，Ni，Mo的含量，并加入适量V。5NiCrMoV显著提高了钢的淬透性、淬硬性、高温强度、抗回火稳定性和冲击韧度，能够更好地适应大型锻模的要求，因此，推荐将5NiCrMoV钢用于大型、复杂重载荷的锤锻模和压力机锻模。

为了适应特大型模块的需要，国外发展了合金含量更高的特大型模块用钢，如4Ni4Cr2MoV，4Ni4Cr2Mo等，这些钢的合金元素含量较高，具有更高的淬透性和热稳定性，并且相应地将钢中的碳含量降低到0.3%～0.4%，使钢的韧性和抗热疲劳性能有所改善。表3-4为锻压模块用钢的淬火温度与硬度。

表3-4　锻压模块用钢的淬火温度与硬度

近年来，国内外发展了一种适用于锻造模块的沉淀硬化型热作模具钢，其特点是碳含量较低，在淬火和中温回火后即具有很好的韧性和切削加工性，模具在使用过程中，型腔表面被高温锻件加热导致二次硬化，提高型腔表层的耐磨性和热硬性，而模具内层组织不发生变化，仍保持良好的韧性，比较有代表性的钢号有（2Cr3Mo2NiVSi）PH钢等。