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熱作模具鋼的評估及選用

隨著高效、高速、高強(qiáng)度、大噸位的機(jī)械化、自動化加工成形設(shè)備的發(fā)展以及熱鍛模、熱擠壓模、熱鐓模、壓鑄模等復(fù)雜工藝的廣泛應(yīng)用，對模具的強(qiáng)度、沖擊韌度、紅硬性和耐磨性，提出了更高的要求。目前，采用一般的熱作模具鋼及普通的熱處理工藝已不能滿足生產(chǎn)的需求，尤其是沖擊韌度差易開裂、紅硬性低易塌陷，以及高濕時材料的耐磨性不高，導(dǎo)致模具使用壽命明顯降低，嚴(yán)重地影響先進(jìn)的熱成形工藝的進(jìn)一步發(fā)展。因而，改善和提高熱作模具鋼的強(qiáng)韌度和紅硬性等，延長模具的使用壽命，更顯得越來越重要和越來越緊迫。 由多年來的資料統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，任何一種模具產(chǎn)品的費(fèi)用比例分別是：模具材料費(fèi)占35％，模具加供費(fèi)（機(jī)械切削加工及熱處理加工）占50％，其中，前兩項(xiàng)費(fèi)用是嚴(yán)重影響零件加工的生產(chǎn)成本，故應(yīng)慎重選用合理的模具材料。 模具材料的性能方面、材質(zhì)優(yōu)劣、使用合理與否等因素，對于模具的制造精度、合格品率、工作時的承載能力、壽命及成本，均有密切的關(guān)系。因此在設(shè)計和制造模具過程中，對于選材方面應(yīng)綜合考慮模具的種類（具體使用的場合）、制作批量、制作材料和制件復(fù)雜程度等因素。而對于模具材料本身，則需考慮它的力學(xué)性能、耐磨性、耐熱性、耐蝕性、熱變形、淬透性、機(jī)械加工性，以及材料價格和供貨情況等。 目前，任何一種優(yōu)質(zhì)材料、新型的模具材料都難以滿足所有的性能要求，所以只能根據(jù)實(shí)際的使用條件，在滿足主要性能情況下來選擇最佳的模具材料。 為了闡述具體問題，模具壽命的影響因素介紹如下： 熱作模具鋼主要用于制造錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱擠壓模和壓制模，他們的工作條件有很大差別。 影響熱作模具工作條件的因素主要有： 1.鍛壓設(shè)備的構(gòu)造及特性 鍛錘（空氣錘、蒸汽錘、無砧座錘、高速錘等） 在工作時產(chǎn)生巨大的沖擊功，使熾熱的毛坯在模具型腔內(nèi)成形，因此，錘鍛模具是在高濕、高壓、高速沖擊載荷下工作。壓力機(jī)（曲柄機(jī)械壓力機(jī)、摩擦壓力機(jī)、油壓機(jī)、水壓機(jī)）的加載速度比鍛錘低的多，因此，壓力機(jī)模具承受的載荷近于靜載。 2.毛坯材料的性質(zhì) 由于金屬材料不同，它們的熔點(diǎn)和鍛造加熱溫度差別很大，所以，模具的工作條件也各不相同。 3.模具的潤滑及冷卻方式 在金屬塑性成形時，采用適當(dāng)?shù)臐櫥瑒�，可減少摩擦系數(shù)，使變形抗力下降，其降低的幅度通常為30％～40％，這有助于減輕模具的磨損及防止模具斷裂的危險性。同時，為防止模具溫度過高，熱作模具必須采用冷卻措施，生產(chǎn)實(shí)踐證明，正確而有效的冷卻對提高模具的使用壽命。 4.模具的結(jié)構(gòu)及制造質(zhì)量 模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和型腔幾何形狀對金屬塑性成形壓力和模具壽命都有很大的影響，為提高模具壽命，通常采用各種形式的組合凹模。模具型腔的表面粗糙度對疲勞抗力和摩擦力也有很大的影響。 5.模具合理使用 熱作模具的使用與冷作模具有一個很大的區(qū)別，就是在使用之前，必需對模具進(jìn)行必要的預(yù)熱。生產(chǎn)實(shí)踐證明該項(xiàng)工作是很重要的，如不注意模具的合理使用，就會大大降低模具的使用壽命。 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中的有關(guān)資料，目前已在各企業(yè)中常用熱作模具的應(yīng)用情況，可歸納如表1所示。該表列出熱作模具常用的鋼號、主要特性、熱處理硬度及用途。 表1 熱作模具常用的鋼號、主要特性及用途 鋼號 主要特性 硬度HRC 用途 5CrNiMo 合金元素含量較低的熱作模具鋼，具有較高的淬透性和良好的韌度，強(qiáng)度耐磨性，但容易出現(xiàn)白點(diǎn) 44～48 適合制造各種形狀復(fù)雜，沖擊載荷大、工作溫度不太高、邊長＞400mm大中型錘鍛模及切邊模 5CrMnMo 該鋼除淬透性、耐熱疲勞性稍差外，其它性能都和5CrNiMo相似 44～48 適合制造邊長≤400mm的中型錘鍛模即熱切邊模 SCrMnMoSiV 由于增加了合金元素，使抗回火能力及淬透性增大，其使用壽命比上面兩種材料有較大提高，但韌度不如5CrNiMo 44～49 適于制作中、小型鍛模，但不適用制作大型錘鍛模 3Cr2W8V 該鋼含有較多易形成碳化物的元素鉻和鎢，具有良好的淬透性，在高溫下（600～700℃）時，具有較高的強(qiáng)度和硬度、熱疲勞性能，但其強(qiáng)度和塑性較差 48～ 用于制造高溫高壓應(yīng)力下，而沖擊負(fù)荷不大的凸模和凹模。如制造壓鑄模、熱擠壓模、精鍛模和有色金屬成型模等 4Cr5MoSiV（H11） 空冷硬化型熱作模具鋼，在中溫下具有較好的熱強(qiáng)性、高的耐磨性及良好的疲勞性能，且熱處理變形小 53～57 用于制造鋁合金壓鑄模，熱擠壓模，穿孔用工具，心棒，壓力機(jī)鍛模 4Cr5MoSiV（H13）4Cr5W2SiV 空冷硬化型熱作模具鋼，在較高溫服（600℃）時，具有較高的強(qiáng)度和硬度，高的耐磨性和韌度，并具有良好的熱疲勞性 53～55 用來制造錘鍛模，熱擠壓模及心棒，壓力機(jī)模，精鍛機(jī)模及鑲塊，鋁、銅合金壓鑄模，高速錘鍛模 3Cr3Mo3VN6(HM3) 新型高強(qiáng)韌熱作模具鋼。該鋼含碳量較低，是為了增加導(dǎo)熱性，提高冷熱疲勞壽命，鉬、釩、鈮合金元素形成碳化物，因熔點(diǎn)較高，可細(xì)小晶粒，使鋼的熱強(qiáng)性升高。 47～52 用于制造航空噴氣發(fā)動機(jī)難變形合金、高溫合金等精密鍛模 4Cr3Mo2MnVB(ER8) 空冷硬化型熱作模具鋼（H10改型鋼種），具有更高的強(qiáng)韌度、抗冷熱疲勞性、抗熱振性及抗回火軟化能力 42～48 用于制造銅、鋁合金壓鑄模，大變量的熱擠壓模、熱拉深件的沖頭 4Cr5Mo2MnVN6B(Y4) 新型熱作模具鋼。具有高的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性、良好的韌度、導(dǎo)熱性及工藝性 49～50 用于制造銅、鋁合金壓鑄模，并可代替3Cr2W8V鋼制造中、小型壓力機(jī)模具、熱積壓等模具 4Cr5Mo2MnVSi(Y10) 新型熱作模具鋼。其化學(xué)成分與H13鋼相似，具有很好的淬透性，鉬及釩合金元素對細(xì)化晶粒、提高熱透性和回火穩(wěn)定性有較大作用 50～51 用于制造電機(jī)端蓋，照相機(jī)盒，汽車變速箱上蓋等鋁合金壓鑄模 6Cr4Mo3Ni2WV（CG2） 冷熱兼用的基體鋼，具有較寬的熱處理工藝范圍，無淬裂傾向，在較高溫度下，具有高的強(qiáng)度、韌度、耐磨性及抗熱疲勞性 51～53 用于制作熱沖模，熱擠壓模，高速鍛模，精鍛齒輪模及鑲塊等 8407（瑞典） 該鋼純度高、晶粒細(xì)密、各向同性好，不論大小尺寸、韌度好。高溫強(qiáng)度高、熱應(yīng)力疲勞抗力強(qiáng)，良好的淬透性和熱處理尺寸穩(wěn)定性 32～38 用于制造鋅、鋁、鉛壓鑄模及交口套 總之，熱作模具使用壽命的重要因素是與模具材料的化學(xué)成分及其所決定的鋼的強(qiáng)度、韌度、耐磨性、熱穩(wěn)定性等有關(guān)，同時與冶金質(zhì)量也有很大關(guān)系。因此，為提高模具使用壽命，作為制造業(yè)，必須正確地設(shè)計模具結(jié)構(gòu)、精確地制造模具零部件、合理的使用模具及其熱處理工藝，同時在該根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要選擇高質(zhì)量的合適鋼材，并選擇合理的熱處理工藝，才能充分發(fā)揮模具材料的各種性能，提高模具的使用壽命。