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熱作模具鋼的選擇和應用,你了解多少呢？
隨著社會經濟的發(fā)展，模具鋼得到了廣泛的應用。熱加工模具包括熱鍛模、熱鐓模、熱擠壓模、精鍛模和高速鍛模。它們屬于一種在加熱下使金屬變形的模具，也稱為變形模具。模具材料是模具制造業(yè)的材料和技術基礎。模具用途廣泛，各種模具的工作條件差別很大，所以制造模具所用的材料范圍很廣。接下來，我們將與您分享熱加工模具鋼的選擇和應用。
熱作模具鋼的工作條件和性能要求由于熱作模具鋼在很重的條件下工作，因此對熱作模具鋼提出以下性能要求:
(1)它在工作中承受壓應力、拉應力、彎曲應力和沖擊應力，同時也承受很強的摩擦力，所以它必須具有高強度和高韌性的良好配合，同時還應具有足夠的硬度和耐磨性。
(2)與熱金屬不斷接觸，型腔表面溫度可達400 ~ 600℃。因此，為了在工作過程中保持高強度和韌性，它必須具有高回火穩(wěn)定性。
(3)被熱金屬反復加熱，被冷卻劑冷卻，容易產生裂紋，即熱疲勞。因此，它必須具有抵抗熱疲勞的能力。2典型熱作模具鋼及其性能熱作模具鋼的工作條件比冷作模具鋼更苛刻，而且要經受反復的冷熱作用，所以對模具鋼的性能要求更高。熱作模具鋼可分為高韌性和高耐熱性兩大類。表1是熱加工模具常用鋼的一個例子。
1.高韌性熱加工模具鋼
5CrNiMo鋼具有良好的塑性、韌性，對尺寸效sus630鋼材硬度多少應不敏感，是目前國內廣泛使用的鍛壓模具鋼，通常用于形狀復雜、沖擊載荷大的大型或特大型鍛壓模具鋼。然而，由于碳化物形成元素含量低，其熱穩(wěn)定性差，高溫強度低。同時，淬火油溫低，容易開裂。在實際操作中為了避免開裂，經常在200℃左右出油，空冷。因此，盡管在模具的表面上獲得了一層馬氏體結構，但是型芯處于奧氏體狀態(tài)。當模具在380 ~ 540℃回火時，型芯中的過冷奧氏體轉變?yōu)樯县愂象w組織，并受到沖擊和增韌
度數低，模具壽命低。為了延長熱鍛模具的使用壽命，可以采用等溫處理。即模具經淬火加熱后，在160 ~ 180℃的硝酸鹽中分段，然后在280 ~ 300℃的硝酸鹽中轉移2 ~ 3 h，此時模具鋼的組織由馬氏體+下貝氏體+少量殘余碳化物組成。回火后獲得回火下貝氏體組織，模具壽命明顯提高。
5CrMnMo鋼在各種性能上與5CrNiMo鋼相似，是為了節(jié)約鎳而用錳代替鎳而開發(fā)的。使用中發(fā)現5Cr-MnMo鋼的淬透性和韌性低于5CrNiMo鋼。僅適用于制造各種中小錘鍛模和一些對強度和耐磨性要求高但韌性不高的壓模，也可用于其它工作溫度低于500℃的小型熱作模。4CrMrkSiMoV鋼具有較高的強度、耐磨性和良好的沖擊韌性，其高溫性能、回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能優(yōu)于5CrNiMo鋼。淬火規(guī)格:淬火溫度為(870±10℃)，冷卻至油溫20 ~ 60℃后，淬火硬度為HRC 46 ~ 58。該鋼適用于大中型鍛模，也可用于中小型鍛模。與5CrNiMo等熱作模具鋼相比，4CrMnSiMoV鋼的使用壽命更長。3Cr2MoWVNi鋼含碳量低，淬火后硬度更高的是HRC52。該鋼具有二次硬化效應，600℃回火后仍能保持高硬度(HRC 45 ~ 50)，600℃以上回火后硬度急劇下降，因此其熱穩(wěn)定性明顯高于5CrNiMo、5CrMnMo和4CrMnSiMoV鋼。
2.高熱強熱作模具鋼
熱強熱作模具鋼具有很高的抗回火穩(wěn)定性，主要用于熱鐓模具、熱擠壓模具、銅及黑色金屬壓鑄模具、沖壓模具等。在sus630硬度GB 1299-85《合金工具鋼技術規(guī)范》中，3Cr2W8V、5CMW5Mo2V、5 ci 4m 03 imnval三個鋼種屬于這類熱作模具鋼。更好試試高溫熱作模具鋼4C3Mo2NiVNb，奧氏體耐熱鋼，4Cr3MoW4VNb(GR)，6 Cr 4 mo 3 nivv(G2)等。
3Cr2W8V鋼是鎢系高熱強模具鋼的代表鋼種，合金元素以鎢為主，鎢的質量分數在8%以上。淬火溫度為1 050 ~ 1 200℃，硬度HRC約為49 ~ 56.550℃。在350℃和45℃等溫淬火后，可獲得較高的沖擊韌性和硬度。由于其抗冷熱疲勞性能較差，在快速加熱和快速冷卻條件下工作時，容易因冷熱疲勞裂紋而失效，因此不適合在快速冷卻和快速加熱條件下工作。然而，由于其高抗回火性，在許多熱加工領域仍被用作高熱強的熱加工模具鋼。
3Cr3Mo3W2V鋼具有良好的冷加工和熱加工性能，淬火和回火溫度范圍寬。推薦淬火規(guī)格:淬火溫度1060 ~ 1130℃，在20 ~ 60℃油中冷卻至油溫，淬火硬度hrc52 ~ 56。它具有較高的熱強度、熱疲勞性能、良好的耐磨性和抗回火性。該鋼適用于制造鐓粗、壓鍛等熱加工模具，模具使用壽命更長。
5Cr4Mo2W2VSi鋼是一種具有內部基體鋼的熱作模具鋼。經過適當的熱處理后，它具有高硬度、高強度、良好的耐磨性、高溫強度和良好的回火穩(wěn)定性等綜合性能，同時還具有一定的韌性和抗熱疲勞性能。推薦淬火規(guī)格:淬火溫度1080 ~ 1120℃，在20 ~ 60℃油中冷卻至油溫，淬火硬度HRC 61 ~ 63。該鋼還具有良好的熱加工性和較寬的加工溫度范圍，適用于制造要求較好韌性的熱擠壓模具、熱鍛模具、溫鍛模具和冷鐓模具。
3.中國新鋼種的發(fā)展
目前國內使用的一些熱作模具鋼，如5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等，存在淬透性、熱穩(wěn)定性、熱疲勞和耐磨性不足的問題。中國已經開發(fā)了幾十種熱作模具鋼。
sus630加工特性 (1)大斷面熱鍛模具鋼
為了彌補5CrMnMo和5CrNiMo在大截面和高溫下的熱穩(wěn)定性、熱疲勞和淬透性等方面的缺陷，我國開發(fā)了45Cr2NiM0vSi(簡稱45Cr2)、5Cr2NiMoVSi(簡稱5Cr2)、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi(代號B2)等大截面熱鍛模具鋼。與5CrNiMo相比，45Cr2和5Cr2不僅含有較高的Cr和Mo，而且還加入了少量的v，使CCT曲線上的高溫過渡區(qū)上移，低溫過渡區(qū)明顯向右移動，從而提高了鋼的淬透性。經970 ~ 990℃淬火和650 ~ 680℃回火后，斷面尺寸在500 mm×500mm以下的模具硬度可達HRC 36 ~ 44。45Cr2和5Cr2還具有二次硬化能力，其高溫強度比5CrNiMo鋼高50%，熱穩(wěn)定性高100 ~ 150℃，沖擊韌性相當。
此外，鋼的熱耐磨性、熱疲勞抗力和熱裂紋擴展抗力也強于5CrNiMo，模具的使用壽命是5CrNiMo鋼的同類模具的幾倍。
(2)中小型熱鍛模具鋼
中小型熱鍛模具的表面溫度可達600℃以上，5CrMnM0和5CrNiMo的高溫性能明顯不能滿足要求。3Cr2W8V鋼高溫強度高，但韌性和熱疲勞性能差。因此，我國研制了3Cr3Mo3VNb，在鋼中加入3%左右的Mo，既能提高鋼的淬透性，防止回火脆性，又能提高鋼的熱穩(wěn)定性。添加V和Nb可以細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性。因此，該鋼具有淬透性高、淬火溫度范圍寬、過熱敏感性低、高溫強度高、熱穩(wěn)定性好、塑性韌性好、冷熱疲勞性能好、熱磨損性能好等優(yōu)點。已用于制造不銹鋼(2Cr13)、軸承模、輥鍛模等熱鍛模，取得了良好的應用效果。
4Cr3M03w4VNb，代號GR，在Cr、Mo、v、Nb之外添加4% w，使鋼的高溫強度和熱穩(wěn)定性進一步提高，是中碳鉻熱作模具鋼中高溫強度較高、熱穩(wěn)定性較好的鋼。該鋼還具有良好的冷熱疲勞性能，適用于制造工作溫度為600 ~ sus630可以HRC嗎700℃的淺腔中小鍛模，也可用于銅合金熱擠壓模具。我國相繼開發(fā)的5%鉻中碳合金熱作模具鋼已廣泛用于熱鍛模具，如4Cr5MoVSi、4CR5MOVSI等。其中4C5MoV1Si具有優(yōu)異的韌性和良好的冷熱疲勞性能，適用于制造在600℃以下工作溫度下對韌性和塑性要求較高的模具。
(3)壓鑄模具鋼
在有色金屬壓鑄中，3Cr2W8V已被廣泛用作模具鋼，中碳低合金鋼如5CrNiMo、5CrMnMo和3Cr2Mo也被用作鋁鋅合金壓鑄的模具鋼。3Cr2W8V疲勞性能差，模具壽命短。中國已經開發(fā)了幾種新的模具鋼，如4c R3 m 02 mnv nb(代碼Y4)和4Cr5Mo2MnVSi(代碼Y10)。4Cr3M02MnvNbB更初是為銅合金壓鑄模具開發(fā)的。通過合理的成分配比，該鋼在保持良好韌性和塑性的同時，達到了較高的熱強度和穩(wěn)定性?？估錈崞谛阅苊黠@優(yōu)于3Cr2W8V，模具使用壽命較3Cr2W8V制造的模具有明顯提高。與3Cr2W8V鋼相比，4Cr5Mo2MnVSi是為鋁合金壓鑄模開發(fā)的。與3Cr2W8V鋼相比，該鋼具有抗冷熱疲勞性能好、熱處理變形小、抗鋁損性能好等優(yōu)點。模具的使用壽命一般比3cr2w8v鋼模具長一倍以上。
(4)銅鋁型材熱擠壓模具鋼
銅合金熱擠壓模具的沖頭和底模長期與高溫銅坯接觸，模具工作條件惡劣。用3Cr2W8V或4C5MoV1Si鋼制作這種模具，模具的使用壽命總是很短。國內曾嘗試用奧氏體熱作模具鋼解決這類模具使用壽命短的問題，但由于冷熱疲勞性能差，一直沒有得到滿意的解決。在此背景下，國內高校、研究所、鋼廠相繼推出了能延長此類模具使用壽命的鋼種，如4cr3M02NiVNbB(代號HD)、4Cr3M02MnVNbB(代號Y4)等。與普通碳3%鉻2%鉬或3%鉻3%鉬熱作模具鋼相比，HD鋼的鎳含量增加了1%左右，進一步提高了鋼的韌性和塑性。在相同硬度(HRCA3)下，其斷裂韌性比3Cr2W8V鋼高30%。高密度鋼銅合金管擠壓底模及沖孔
與3Cr2W8V鋼相比，孔針的使用壽命延長了一倍左右，并已成功應用于熱擠壓凸模、軸承套圈模具和閥門擠壓底模。用Y4鋼制造銅合金擠壓模的底模和沖孔銷頭，模具的使用壽命比3Cr2W8V鋼制造的模具長一倍以上。
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