如何选用热作模具材料

同一模具可用多种材料制作，同一种材料也可制作多种模具。热作模具材料的选用，应充分考虑模具工作中的受力、受热、冷却情况以及模具的尺寸大小、成型件的材质、生产批量等因素对模具寿命的影响，还要考虑模具的特点与热处理的关系，同时应符合加工工艺性与经济性要求。

1）热锻模材料的选用

热锻模是在高温下通过冲击力或压力使炽热金属坯料成型的模具，包括锤锻模、压力机锻模、热镦模、精锻模和高速锻模等。其中锤锻模最具代表性。

（1）锤锻模材料的选用

锤锻模是在锤锻模上使用的热作模具，工作时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用；模具型腔与高温金属坯料（钢铁坯料1 000～1 200℃）相接触并强烈摩擦，使模具本身温度升高。锻造钢件时，模具型腔的瞬间温度可高达600℃以上。如此的高温会造成模具材料的塑性变形抗力和耐磨性下降，同时也会造成模具型腔壁的塌陷及加剧磨损等；锻完一个零件后还要用水、油或压缩空气进行冷却，从而对模具产生急冷急热作用，使模具表面产生较大的热应力及热疲劳裂纹；锤锻模在机械载荷与热载荷的共同作用下，会在其型腔表面形成复杂的磨损过程，其中包括黏着磨损、热疲劳磨损、氧化磨损等。另外，当锻件的氧化皮未清除或未很好清除时，也会产生磨粒磨损。

锤锻模模块尾部呈燕尾状，易引起应力集中。因此在燕尾的凹槽底部，容易产生裂纹，造成燕尾开裂。

锤锻模的主要失效形式有：磨损失效、断裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效等。对锤锻模材料的性能要求是高的冲击韧度和断裂韧度、高的热硬性与热强性、高的淬透性与回火稳定性、高的冷热疲劳抗力以延缓疲劳裂纹的产生、良好的导热性及加工工艺性能。

目前，我国锤锻模用钢主要有5CrNiMo，5CrMnMo，4CrMnSiMoV，3Cr2MoWVNi，5Cr2NiMoVSi以及45Cr2NiMoVSi；重型机械厂或钢厂生产的其他锻模钢有5CrNiTi，4SiMnMoV，5SiMnMoV，5CrNiW，5CrNiMoV等；国外进口锻模钢有55CrNiMoV6等。

机械压力机模块的用钢有4Cr5MoSiV1，4Cr5MoSiV，4Cr3W2VSi，3Cr3MoW2V，5Cr4W5Mo2V；应用较好的其他钢号有4Cr3Mo3W4VNb，2Cr3MoVNb，2Cr3Mo2NiVSi；国外进口锻模钢有YHD3等。

在选择锤锻模材和确定其工作硬度时，主要根据锤锻模的种类、大小、形状复杂程度、生产批量要求以及受力和受热等情况来确定。表3-15列举了锤锻模材选用举例及硬度要求，以供参考。

表3-15　锤锻模材料选用举例及硬度要求

注：①用于型腔浅而形状简单的锤锻模。
②用于型腔深而形状复杂的锤锻模。

（2）其他热锻模材料的选用

其他热锻模主要是指热镦模、精锻模和高速锻模。这类模具的工作条件比一般锤锻模更恶劣，而与热挤压模相接近。工作时，受热温度更高，受热时间更长，工作负荷更大，因此，这类模具用钢与热挤压模用钢相同。表3-16是其他类型的热锻模材料选用举例及硬度要求，以供参考。

表3-16　其他类型的热锻模材料选用举例及硬度要求

2）热挤压模材料的选用

热挤压模是使被加热的金属在高温压应力状态下成型的一种模具。挤压时凸模承受巨大的压力，且由于金属坯料的偏斜等原因，使模具还承受很大的附加弯矩，脱模时还要承受一定的拉应力；凹模型腔表面承受变形坯料很大的接触压力，沿模壁存在很大的切向拉应力，而且大都分布不均匀，再加上热应力的作用，使凹模的受力极为复杂。另外，模具与炽热金属坯料接触时间较长，受热温度比锤锻模高，在挤压铜合金和结构钢时，模具的型腔工作温度高达600～800℃，若挤压不锈钢或耐热钢坯料，模具型腔温度会更高。为防止模具的温度升高，工件脱模后，每次用润滑剂和冷却介质涂抹模具的工作表面，使挤压模具经常受到急冷、急热的交替作用。

热挤压模的失效形式主要有：断裂失效、冷热疲劳失效、模腔过量塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔表面的氧化失效等。因此，热挤压模材料应具有以下特点：

①高强度、冲击韧度及断裂韧度，以保证模具钢具有较高的断裂抗力，防止模具发生脆性断裂。

②室温及高温硬度高，耐磨性能好，以减缓模具的磨损失效发生。

③高温强度及回火抗力高，拉伸及压缩屈服点高，防止模具产生塑性变形及堆塌。

④模具钢的相变点及高温强度高，并具有高的导热性及较低的热胀系数，有利于热疲劳抗力的提高，推迟热疲劳开裂的产生。

⑤较高的抗氧化能力，以减少氧化物对磨损及热疲劳的不利影响。

常用热挤压模具钢有3Cr2W8V，4Cr5MoSiV1，应用较多的标准钢号有：3Cr3Mo3W2V（HM1），5Cr4W5Mo2V（RM2），5Cr4Mo3SiMnVA1（012A1），4Cr5MoSiV，4Cr5W2VSi等；应用较多的其他钢号有：4Cr3Mo3W4VTiNb（GR），3Cr3Mo3VNb，6Cr4Mo3Ni2WV（CG2）等。

在特殊情况下，有时应用奥氏体型耐热钢、镍基合金以及硬质合金和钢结硬质合金等。(www.xing528.com)

选择热挤压模具材料时，主要应根据被挤压金属的种类及其挤压温度来决定，同时，也应考虑到挤压比、挤压速度和润滑条件等因素对模具使用寿命的影响。热挤压模具的材料选用及硬度要求可参照表3-17。

表3-17　热挤压模具的材料选用及硬度要求

续表

注：①对于复杂形状的模具，硬度比表中值应低4～5 HRC。

3）压铸模材料的选用

压铸生产可以将熔化的金属液直接压铸成各种结构复杂、尺寸明确、表面光洁、组织致密以及用其他方法难以加工的零件，如薄壁、小孔、凸缘、花纹、齿轮、螺纹、字体以及镶衬组合等零件。近年来，压铸成型已广泛应用于汽车、拖拉机、仪器仪表、航海航空、电机制造、日用五金等行业。

压铸模是在高的压应力（30～150 MPa）下将400～1 600℃的熔融金属压铸成型用的模具。根据被压铸材料的性质，压铸模可分为锌合金压铸模、铝合金压铸模、铜合金压铸模。压铸成型过程中，模具周期性地与炽热的金属接触，反复经受加热和冷却作用，且受到高速喷入的金属液的冲刷和腐蚀。因此，要求压铸模材料具有较高的热疲劳抗力、良好的抗氧化性和耐腐蚀性、高的导热性和耐热性、良好的高温力学性能和耐磨性、高的淬透性等。

常用的压铸模用钢以钨系、铬系、铬钼系和铬钨系热作模具钢为主，也有一些其他的合金工具钢和合金结构钢，用于工作温度较低的压铸模，如40Cr，30CrMnSi，4CrSi，4CrW2Si，5CrW2Si，5CrNiMo，5CrMnMo，4Cr5MoSiV1，3Cr2W8V，3Cr3Mo3W2V等。其中，3Cr2W8V钢是制造压铸模的典型钢种，常用于制造压铸铝合金和铜合金的压铸模，与其性能和用途相类似的还有3CrMo3W2V钢。

由于压铸金属材料不同，它们的熔点、压铸温度、模具工作温度和硬度要求各不相同，故用于不同材料的压铸模其工作条件的苛刻程度和使用寿命有很大区别，压铸金属的压铸温度越高，压铸模的磨损损坏就越快。因此，在选择压铸模材料时，首先要根据压铸金属种类及其压铸温度的高低来决定；其次还要考虑生产批量大小和压铸件的形状、质量以及精度要求等。

（1）锌合金压铸模

锌合金的熔点为400～430℃，锌合金压铸模型腔的表层温度不会超过400℃。由于工作温度低，除常用模具钢外，也可以采用合金结构钢40Cr，30CrMnSi，40CrMo等淬火后中温（400～430℃）回火处理，模具寿命可达20～30万次／模。甚至可采用低碳钢经中温氮碳共渗，淬火，低温回火处理，使用效果也很好。常用的模具钢有5CrNiMo，4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1，3Cr2W8V，CrWMn等，经淬火，400℃回火后，寿命可达100万次／模。

（2）铝合金压铸模

铝合金压铸模的服役条件较为苛刻，铝合金溶液的温度通常为650～700℃，以40～180 m／s的速度压入模具型腔。模具型腔表面受到高温高速铝液的反复冲刷，会产生较大的内应力。铝合金压铸模的寿命取决于两个因素，即是否发生粘模和型腔表面是否因热疲劳而出现龟裂。

铝合金压铸模常用钢有：4Cr5MoSiV1（H13），4Cr5MoSiV（H11），3Cr2W8V及新钢种4Cr5Mo2MnVSi（Y10）和3Cr3Mo3VNb（HM-3）等。

（3）铜合金压铸模

铜合金压铸模工作条件极为苛刻，铜液温度通常高达870～940℃，以0.3～4.5 m／s的速度压入铜合金压铸模型腔。由于铜液温度较高，且热导性极好，工作传递给模具的热量多且快，常使模具型腔在极短时间即可升到较高温度，然后又很快降温，产生很大的热应力。这种热应力的反复作用，促使模具型腔表面产生冷热疲劳裂纹，并会造成模具型腔的早期裂纹。因此，要求铜合金压铸模材料具有高的热强性、热导性、韧性、塑性，高的抗氧化性、耐金属侵蚀性及良好的加工工艺性能。

国内目前仍大量采用3Cr2W8V钢制造铜合金的压铸模具，也有的用铬钼系热作模具钢。近年来，我国研制成功的新型热作模具钢Y4（4Cr3Mo2MnVNbB），其抗热疲劳性能明显优于3Cr2W8V钢，3Cr3Mo3V钢模具的使用寿命也比3Cr2W8V钢模具高。铜合金压铸模可进行离子氮化表面处理，Y4钢氮化后，表面硬度可达990HV，能避免铜合金的粘模现象。

（4）黑色金属压铸模

钢的熔点为1 450～1 540℃，钢铁材料压铸模的工作温度高达1 000℃，致使模具型腔表面受到严重的氧化、腐蚀及冲刷，模具寿命很低。模具一般只压铸几十件或几百件即产生严重的塑性变形和网状裂纹而失效。

黑色金属压铸模具材料最常用的仍为3Cr2W8V钢，但因该钢的热疲劳抗力差，因此使用寿命很低。目前，国内外均趋向于使用高熔点的钼基合金制造铜合金及黑色金属压铸模，其中TZM及Anviloy1150两种合金受到普遍重视。采用热导性好的合金，如铜合金制造黑色金属压铸模，也收到了满意的效果。使用的铜合金主要有铍青铜合金、铬锆钒铜合金和铬锆镁铜合金等。

压铸模成型部分零件的材料选用举例见表3-18，供使用时参考。

表3-18　压铸模成型部分零件的材料选用举例

注：成形部分零件主要包括型腔（整体式或镶块式）、型芯、分流锥、浇口套、特殊要求的顶杆等，型腔、型芯的热处理，也可先调质到30～35 HRC，试模后，进行氮碳共渗至表面硬度≥600 HV。