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熱作模具鋼的選擇和應(yīng)用,你了解多少呢？
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，模具鋼得到了廣泛的應(yīng)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(chēng)為變形模具。模具材料是模具制造業(yè)的材料和技術(shù)基礎(chǔ)。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(lái)，我們將與您分享熱加工模具鋼的選擇和應(yīng)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(duì)熱作模具鋼提出以下性能要求:
(1)它在工作中承受壓應(yīng)力、拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和沖擊應(yīng)力，同時(shí)也承受很強(qiáng)的摩擦力，所以它必須具有高強(qiáng)度和高韌性的良好配合，同時(shí)還應(yīng)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(dá)400 ~ 600℃。因此，為了在工作過(guò)程中保持高強(qiáng)度和韌性，它必須具有高回火穩(wěn)定性。
(3)被熱金屬反復(fù)加熱，被冷卻劑冷卻，容易產(chǎn)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(jīng)受反復(fù)的冷熱作用，所以對(duì)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?xún)纱箢?lèi)。表1是熱加工模具常用鋼的一個(gè)例子。
1.高韌性熱加工模具鋼
5CrNiMo鋼具有良好的塑性、韌性，對(duì)尺寸效sus630鋼材硬度多少應(yīng)不敏感，是目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的鍛壓模具鋼，通常用于形狀復(fù)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(qiáng)度低。同時(shí)，淬火油溫低，容易開(kāi)裂。在實(shí)際操作中為了避免開(kāi)裂，經(jīng)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(jié)構(gòu)，但是型芯處于奧氏體狀態(tài)。當(dāng)模具在380 ~ 540℃回火時(shí)，型芯中的過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w組織，并受到?jīng)_擊和增韌
度數(shù)低，模具壽命低。為了延長(zhǎng)熱鍛模具的使用壽命，可以采用等溫處理。即模具經(jīng)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(zhuǎn)移2 ~ 3 h，此時(shí)模具鋼的組織由馬氏體+下貝氏體+少量殘余碳化物組成?；鼗鸷螳@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(kāi)發(fā)的。使用中發(fā)現(xiàn)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(duì)強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)。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(yīng)，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(qiáng)熱作模具鋼
熱強(qiáng)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(shù)規(guī)范》中，3Cr2W8V、5CMW5Mo2V、5 ci 4m 03 imnval三個(gè)鋼種屬于這類(lèi)熱作模具鋼。更好試試高溫?zé)嶙髂＞咪?C3Mo2NiVNb，奧氏體耐熱鋼，4Cr3MoW4VNb(GR)，6 Cr 4 mo 3 nivv(G2)等。
3Cr2W8V鋼是鎢系高熱強(qiáng)模具鋼的代表鋼種，合金元素以鎢為主，鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)，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(lǐng)域仍被用作高熱強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)。
5Cr4Mo2W2VSi鋼是一種具有內(nèi)部基體鋼的熱作模具鋼。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，它具有高硬度、高?qiáng)度、良好的耐磨性、高溫強(qiáng)度和良好的回火穩(wěn)定性等綜合性能，同時(shí)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(guó)新鋼種的發(fā)展
目前國(guó)內(nèi)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(wèn)題。中國(guó)已經(jīng)開(kāi)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(bǔ)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(guó)開(kāi)發(fā)了45Cr2NiM0vSi(簡(jiǎn)稱(chēng)45Cr2)、5Cr2NiMoVSi(簡(jiǎn)稱(chēng)5Cr2)、3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi(代號(hào)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(guò)渡區(qū)上移，低溫過(guò)渡區(qū)明顯向右移動(dòng)，從而提高了鋼的淬透性。經(jīng)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(dá)HRC 36 ~ 44。45Cr2和5Cr2還具有二次硬化能力，其高溫強(qiáng)度比5CrNiMo鋼高50%，熱穩(wěn)定性高100 ~ 150℃，沖擊韌性相當(dāng)。
此外，鋼的熱耐磨性、熱疲勞抗力和熱裂紋擴(kuò)展抗力也強(qiáng)于5CrNiMo，模具的使用壽命是5CrNiMo鋼的同類(lèi)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(dá)600℃以上，5CrMnM0和5CrNiMo的高溫性能明顯不能滿足要求。3Cr2W8V鋼高溫強(qiáng)度高，但韌性和熱疲勞性能差。因此，我國(guó)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(xì)化晶粒，降低鋼的過(guò)熱敏感性。因此，該鋼具有淬透性高、淬火溫度范圍寬、過(guò)熱敏感性低、高溫強(qiáng)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(diǎn)。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(yīng)用效果。
4Cr3M03w4VNb，代號(hào)GR，在Cr、Mo、v、Nb之外添加4% w，使鋼的高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，是中碳鉻熱作模具鋼中高溫強(qiáng)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(guó)相繼開(kāi)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(duì)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(guó)已經(jīng)開(kāi)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(kāi)發(fā)的。通過(guò)合理的成分配比，該鋼在保持良好韌性和塑性的同時(shí)，達(dá)到了較高的熱強(qiáng)度和穩(wěn)定性。抗冷熱疲勞性能明顯優(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(kāi)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(diǎn)。模具的使用壽命一般比3cr2w8v鋼模具長(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)內(nèi)曾嘗試用奧氏體熱作模具鋼解決這類(lèi)模具使用壽命短的問(wèn)題，但由于冷熱疲勞性能差，一直沒(méi)有得到滿意的解決。在此背景下，國(guó)內(nèi)高校、研究所、鋼廠相繼推出了能延長(zhǎng)此類(lèi)模具使用壽命的鋼種，如4cr3M02NiVNbB(代號(hào)HD)、4Cr3M02MnVNbB(代號(hào)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(jìn)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(zhǎng)了一倍左右，并已成功應(yīng)用于熱擠壓凸模、軸承套圈模具和閥門(mén)擠壓底模。用Y4鋼制造銅合金擠壓模的底模和沖孔銷(xiāo)頭，模具的使用壽命比3Cr2W8V鋼制造的模具長(zhǎng)一倍以上。
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