热作模具钢的种类与选用方法

【知识目标】

∗热作模具材料的服役条件、失效特点和性能要求。

∗热作模具用钢及选用。

∗热作模具的热处理。

【能力目标】

∗掌握热作模具的工作条件、主要失效形式及对模具材料的性能要求。掌握热作模具材料的种类、常用牌号、热加工工艺，并能合理选用。

∗初步掌握低耐热热作模具钢、中耐热热作模具钢及高耐热热作模具钢的常用牌号及性能特点，能根据热作模具的工作条件合理选用模具材料，并能制订加工工艺。

∗了解提高热作模具钢性能的方法。

【项目案例导入】

十字轴零件毛坯如图3-1所示，材料为低合金钢20CrMnTi。挤压前对直径40mm的棒料进行退火软化处理，硬度为130～135HBW，挤压时材料在模具型腔内作径向流动，形成对称结构的十字轴。

模具结构如图3-2所示，为防止模具在挤压过程中沿切应力方向因强度不够而发生破裂，应对模具增加预应力层，使模具装配过程中外圈、中圈对内圈产生预加载荷，以抵消模具型腔在挤压过程中的部分挤压应力。

图3-1 十字轴毛坯图

图3-2 十字轴预应力闭合锻模

1、7—模具内圈 2、5—模具中圈 3、4—模具外圈 6、9—定位销 8、12—凸模 10—上模座 11—锻件

预应力层和模具型腔体之间的结合面使用小于摩擦角1°30″的锥面配合，结合面在安装前经过精密磨削加工，使结合面的理论接触面积不小于70%；在室温下模具经压力机装配后，结合面在径向具有0.45～0.60mm的过盈，使模具型腔具有预应力。

选择凸模、凹模的材料为4Cr5W2VSi，该钢在中温工作条件下具有较高的热强度、硬度，有较高的耐磨性、韧性和较好的热疲劳性能。经过热处理硬度达到48～52HRC，强韧性比较好。中圈和外圈选用40Cr钢，经调质处理后具有良好的强韧性。

热作模具钢用来制造使加热的固态或液态金属在压力下成形的模具。热作模具在工作时，承受着巨大的冲击力、压应力、张应力、弯曲应力，模具型腔与高温（有时可达1150～1200℃）金属接触后，本身温度可达300～400℃，局部高达500～600℃。还经受着空气、油、水等的反复冷却。在时热时冷的苛刻条件下工作的模具，其型腔表面极易产生热疲劳裂纹（即龟裂）。此外，炽热金属在模具型腔中变形所产生的强烈摩擦，容易因磨损而降低精度。因而要求热作模具钢具有足够的热强性、热疲劳性、韧性、硬度和耐磨性，良好的导热性和耐蚀性，还要求大型锻模有高的淬透性，以提高模具热处理后整体性能。

1.热作模具钢材料的特性和应用(www.xing528.com)

（1）热作模具材料的性能特点 热作模具在工作中既受外力的作用，又受温差的影响，模具的工作条件复杂，对模具材料的性能要求严格。为了能保证模具正常工作，热作模具材料应满足下列基本要求。

1）良好的耐磨性。模具在工作中时除了承受与坯料间的摩擦力外，还受到高温氧化腐蚀和氧化铁屑的研磨。因此，热作模具材料应具有较高的硬度和抗黏附性。

2）高的热稳定性和较高的高温强度。热作模具在工作时与炽热的金属，甚至是液态金属相接触，模具表面温度高达400～700℃，这就要求热作模具材料在高温时能保持其常温力学性能的能力，即高的热稳定性；同时，要求热作模具具备较高的高温强度，高温下不软化，避免产生过量变形和开裂。

3）良好的韧性。热作模具在工作中承受很大的冲击力作用，而且冲击频率高，尤其是锤锻模，这就要求热作模具材料具有良好的韧性，模具受到冲击时不易断裂，如锤锻模的冲击韧度a_K值要求大于30J/cm²（冲击韧度值一般只作为选材时参考，而不作为设计计算的依据）。

4）良好的耐热疲劳性。热作模具在较高温度作用下，在承受交变载荷作用的同时，反复被加热和冷却，则一时热膨胀，一时冷却收缩，产生很大的热应力，而且这两种热应力方向相反，交替产生，致使模具表面会形成网状裂纹而过早断裂。所以要求热作模具材料具有较高的耐热疲劳抗力。

5）良好的导热性。为使模具不致积热过多，导致力学性能下降，要尽可能降低模面温度，以减少模具内外部分的温差，要求热作模具材料具有良好的导热性。

（2）热作模具材料的成分特点

1）热作模具钢的含碳量：一般在0.3%～0.6%（质量分数）以保证良好的强度、韧性。含碳量过高，钢的韧性和塑性下降，导热性较差；含碳量过低，则硬度和耐磨性达不到要求。

2）合金化特点：热作模具钢中通常含有一定量的合金元素，形成一定数量的合金碳化物来强化铁素体，加入Cr、Ni、Mn、Si等，提高钢的淬透性；加入Mo、W、V等，提高钢的耐回火性，减少高温回火脆性；高Cr、高W，缩小奥氏体区域，提高钢的抗热疲劳性。正是因为这些合金元素提高了模具钢的相变温度，使模具在交替受热与冷却的过程中不发生相变而产生较大的体积变化。同时含有W、Mo、V等合金元素的模具钢在回火时以碳化物的形式析出而产生二次硬化，使热作模具钢在较高的温度下仍保持相当高的硬度。

2.热作模具钢的分类

见表3-1。

表3-1 热作模具钢的分类

根据钢中的合金元素及热处理后得到的主要性能（耐热性、韧性和耐磨性等），可将热作模具钢分为：

按用途分为热锻模用钢、热挤压模用钢、压铸模用钢、热冲裁模用钢。

按工作温度分为低耐热热作模具钢（350～500℃）、中耐热热作模具钢（550～600℃）和高耐热热作模具钢（580～650℃）。

按使用性能分为高韧性热作模具钢、高热强性热作模具钢、高强韧性热作模具钢和高耐磨性热作模具钢。

下面按照工作温度分类介绍各类热作模具钢。