热作模具材料的其他知识点

1）热冲裁模用钢

热冲裁模主要有热切边模和热冲孔模等，其工作温度较低，因此，对材料的性能要求也相对较宽。除了应具有高的耐磨性、良好的强韧性以及加工工艺性能外，几乎所有的热作模具钢均能满足热冲裁模的工作条件要求，推荐使用的钢种有5CrNiMo，4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1和8Cr3，7Cr3等，其中8Cr3钢应用较多。热冲裁模材料选用举例及其要求的硬度见表3-9。

表3-9　热冲裁模材料选用举例及其要求的硬度

8Cr3钢具有较高的耐磨性、较好的耐热性和一定的韧性，化学成分见表3-10。在生产中8Cr3钢制凹模的硬度为43～45 HRC。如被冲材料为耐热钢或高温合金，其硬度还应增高，但不宜超过50 HRC。凸模的硬度在35～45 HRC。

表3-10　8Cr3钢的化学成分

8Cr3钢锻后必须进行退火，退火工艺一般为790～810℃加热，保温1～2 h，出炉空冷至700～720℃后再入炉等温3～4 h，炉冷至600℃出炉空冷。退火后的硬度一般小于或等于241 HBS。8Cr3钢制热冲裁模的淬火温度为820～840℃，淬火冷却在油中进行。为避免开裂及变形，在入油前可在空气中预冷至780℃。在油中冷却到150～200℃时出油，并立即进行回火。模具的回火温度根据其工作硬度而定，8Cr3钢经480～520℃回火后，硬度为41～45 HRC。8Cr3钢的回火温度不应低于460℃，低于此温度回火，韧性太低。

2）奥氏体热作模具钢

随着工业技术的日益发展，对模具工作温度的要求也越来越高。由于马氏体型热作模具钢在650℃以上会发生碳化物的聚集长大，致使硬度、强度降低，因此为保证模具在750℃以上能耐高温、耐腐蚀、抗氧化，需采用奥氏体型热作模具钢。目前应用最多的有铬镍系奥氏体型钢和高锰系奥氏体钢梁大类。

（1）高锰系奥氏体钢

此钢又分为高锰系奥氏体模具钢和高锰奥氏体无磁模具钢。

①高锰系奥氏体模具钢

5Mn15Cr8Ni5Mo3V2和7Mn10Cr8Ni10Mo3V2氏高锰系奥氏钢，在加热和冷却过程中不发生相变，始终保持奥氏体组织，经1 150～1 180℃固溶处理和700℃时效后具有较好的综合力学性能，硬度为45～46 HRC，但时效软化抗力很高，直到800℃时效，硬度仍能保持在42 HRC左右，远远超过3C2W8V钢，其热处理工艺与室温力学性能见表3-11。

表3-11　奥氏体钢热处理工艺与室温力学性能

高锰奥氏体耐热模具钢主要用于制造工作应力较高、使用温度达700～800℃的高温热作模具，如不锈钢、高温合金、铜合金的挤压模，模具寿命比3Cr2Al3V2WMo钢制模具提高4～5倍。实际应用中应先将模具预热到400～450℃，由于这类钢的塑性、韧性不高，故实际应用受到限制。

②高锰奥氏体无磁模具钢

7Mn15Cr2Al3V2WMo（7M15）钢是一种高Mn-V系的无磁模具钢，7Mn15钢在任何状态下都能保持稳定的奥氏体组织，除可制作冷作模具、无磁轴承及要求在强磁场中不产生磁感应的结构件外，因其在高温下还具有较高的强度和硬度，所以也用来制作700～800℃下使用的热作模具。7Mn15钢常用的热处理工艺：1 180℃加热水淬，700℃回火空冷。(www.xing528.com)

（2）铬镍系奥氏体模具钢

4Cr14Ni14W2Mo，Cr14Ni25Co2V钢属于铬镍系奥氏体钢，在700℃以下具有良好的热强性，在800℃以下有良好的抗氧化性及耐蚀性。如4Cr14Ni14W2Mo钢在800℃时仍有250 MPa的强度，具有很好的塑性和韧性。该类钢可进行1 150～1 180℃或1 050～1 150℃的固液处理，再作750℃的时效处理，适合制造铁合金蠕变成型模具和具有强烈腐蚀性的玻璃成型模具。

3）硬质合金

由于硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，还有良好的热稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性，因此，可用于制造某些热作模具。钨钴类硬质合金（通常制成镶块）可用于热切边凹模、压铸模、工作温度较高的热挤压凸模或凹模等。例如，气阀挺杆热墩模，原采用3Cr2W8V钢制作，热处理后的硬度为49～52 HRC，使用寿命为5 000次。后在模具工作部分采用YG20硬质合金镶块，模具寿命延长到15万次。应用于热作模具的还有奥氏体不锈钢钢结硬质合金和高碳高铬合金钢钢结硬质合金等。例如，ST60钢结合金制热挤压模在960℃左右挤压纯铜时，其使用寿命比YG15高很多。ST60钢结合金还用于热冲孔模、热平锻模等。R5钢结合金等也可用于热挤压模。

4）高温合金

高温合金的种类很多，有铁基、镍基、钴基合金等，其工作温度高达650～1 000℃，可用来制造黄铜、钛及镍合金以及某些钢铁材料的热挤压模具。当模具本身的温度上升到650℃以上的高温状态时，一般的热作模具钢都会软化而损坏，但这些高温合金仍然能保持高的强度和硬度，表3-12是几种常用高温合金的牌号和化学成分。A-286合金经热处理后可被有效硬化，常用于热挤压黄铜的模具，其使用寿命可达铬系热作模具钢的两倍。常用镍基高温合金的工作温度可达800～1 000℃，其中以尼莫尼克100号热强性最高，在900℃时持久强度仍有150 MPa，可用于制作挤压耐热钢零件或挤压铜管的凹模及芯棒。钴基高温合金在1 000℃以上可保持很高的强度和抗氧化能力。S-816合金经固溶处理和时效后，具有比镍基高温合金更好的耐热疲劳抗力，故用于热挤压模可获得较高的使用寿命。

表3-12　几种常用高温合金的牌号和化学成分

5）难熔金属合金

通常将熔点在1 700℃以上的金属称为难熔金属，其中，如钨、钼、钽、铌的熔点在2 600℃以上，其再结晶温度高于1 000℃，可长时间在1 000℃以上的环境工作。在热作模具制造中应有的主要是钼基合金和钨基合金，其中，钼基合金TZM和钨基合金Anviloy1150尤其受到关注。TZM合金和Anviloy1150合金的化学成分见表3-13、表3-14。

表3-13　TZM合金的化学成分

表3-14　Anviloy1150合金的化学成分

这类材料的特点是熔点很高，高温强度较高，耐热性和耐蚀性好，有优良的导热、导电性能，膨胀系数小，耐热疲劳性好，不粘合熔融金属，塑性比较好，便于加工成形。相比之下，钼基合金的热强度和持久强度较高，热导性好、热膨胀小，几乎不引起热裂。ZTM合金的塑性较好，便于成形加工，室温脆性也较钨基合金小，主要用于铜合金、钢铁材料的压铸模，也可用作钛合金、耐热钢的热挤压模等，其使用寿命远高于其他各种热作模具钢。

6）压铸模用铜合金

钢铁材料压铸时，高温金属液体（1 450～1 580℃）迅速压入模腔，致使模腔最高工作温度可达1 000℃以上，形成瞬时很高的温度梯度。铜合金因导热性好，能将压铸件的热量很快散发出去，使模具的升温梯度大为降低。采用铜合金制作的压铸模，其表面接触温度可降到600℃，从而降低了模具的应变和应力，使其强度足以承受压轴时的压力，同时也减轻了热疲劳作用，达到满意的效果。

用于压铸模的铜合金有铍青铜合金、铬锆钒铜合金和铬锆镁铜合金。这些铜合金的热处理工艺为固液处理加时效。用这些铜合金制作的钢铁件的压铸模，其使用寿命常常远高于各种热作模具钢。