中耐热韧性热作模具钢及热处理

中耐热韧性热作模具钢及热处理
    许多热挤压模、热镦锻模、精锻模以及锻压机、高速锤上的模具等都是在繁重的条件下工作的。长时间与被加工的金属接触，受热温度高，承受较高的应力。故这类模具钢要求具有高的热稳定性、比较高的高温强度和耐热疲劳性以及高的耐磨性。 中等耐磨性韧性钢，主要有5％的铬型热作模具钢和铬钼系热作模具钢，含有较多的铬、钼、钒等碳化物形成元素，其韧性及耐热性介于高韧性及高热强性热作模具钢之间。我国从20世纪60年代开始引进开发这类钢号，用量逐渐扩大，现已成为主要的热作模具钢。目前应用较广的主要有H13（4Cr5MoSiV1)、H11（4Cr5MoSiV)、H12(4Cr5MoWSiV)、4Cr5W2VSi等
(一)含5％铬的铬系热作模具钢
H11钢(4Cr5MoSiV) ：
该钢中wv＝0.4％左右，淬透性很好，在￠150mm以下的钢材可以空冷淬硬，在中温下的热强性和耐磨性都较高，韧性较好，甚至在淬火状态下也有一定的韧性，抗热疲劳性特好，因此用H11钢制作高速锤锻模非常理想，有时也用作压铸模和挤压模。
(1)锻造：H11钢碳的质量分数为0.4％，热塑性较好，当锻制大型锻件时，先缓慢加热到750ºC,再快速加热到1120~1150ºC的锻造温度，减少氧化和脱碳；始锻温度为1080~l120ºC，终锻温度＞850ºC，锻后缓冷，并及时退火。(2)退火：加热温度为880ºC，等温温度为750ºC，炉冷到500ºC以下出炉空冷，获得粒状珠光体组织，退火硬度为192~235 HBS，最好在可控气氛炉中进行。
(3)淬火、回火：淬火时不需预热，可直接加热到1000~1020ºC油淬或分级淬火，硬度约50~52HRC，经540~600ºC回火，模具硬度在40~50HRC范围内。   该钢在200ºC以上随回火温度升高，aK值下降，在500ºC左右冲击韧度最低，所以应避免在500ºC附近回火或进行化学热处理。
H13钢(4Cr5MoSiV1)：
H13钢是国际上广泛应用的一种空冷硬化型热作模具钢，我国已将H13钢列为国家重点推广的钢种。H13钠比H11钢的钒含量高，其质量分数一般在1％左右，热强性和热稳定性高于H11钢；具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能。可以制作热锻模或模腔温升不超过600ºC的压铸模。H13钢的临界点：Ac1为853ºC; Ac3为912ºC；Ms为310ºC。(1)锻造：锻造工艺参数与H11钢相同，但考虑到其内部存在着严重的碳化物偏析，要求锻造比大于4，以破碎亚稳定的共晶碳化物。 (2)退火：等温退火加热到800ºC，保温2h，降温至750ºC等温2~4h，炉冷到500ºC出炉空冷，硬度为192~229HBS，锻后必须立即进行球化退火。(3)淬火和回火：H13钢淬火前需经二次预热，然后加热到1020~l050ºC，油淬的硬度为53~55HRC；也可以采用空淬或分级淬火，经560~630ºC回火，可获得硬度40~50HRC。H13钢的回火或化学热处理温度同样要避开500ºC，但不宜超过650ºC。
4Cr5W2SiV钢(W2)：
4Cr5W2SiV钢是一种空冷硬化热模钢，wv＝0.6％~1.0％，由4Cr5MoSiV1钢演变而来，用2％W代替1％Mo，性能与H13钢颇为相似，锻造、热处理工艺参数与H13钢相近。wcr＝5％的铬系热作模具钢，在500~600ºC时具有比高韧性热锻模具钢更高的硬度、热强性和耐磨性，而韧性高于3Cr2W8V等高耐热模具钢，含有硅和铬,其抗氧化性较好，是目前国内通用性较强的热作模具钢。
(1）锻造工艺   （2）退火：（a）锻后退火：加热温度860~880ºC，保温3~4h，炉冷至500ºC以下出炉空冷，退火后硬度≤229HBS，组织为P+K（b）等温球化退火：加热温度860ºC，保温2~4h，等温温度750ºC，保温4~6h，炉冷至550ºC以下出炉空冷，硬度≤229HBS，组织为球状P+K  （c）去应力退火：加热温度750ºC~780ºC，保温2~4h,炉冷或空冷（3）淬火  （4）回火
(二)铬钼系热作模具钢：这类钢中碳含量较低，是在国外钢号3Cr3Mo3CoV的基础上发展而来，其回火抗力及热稳定性高于5％铬系钢，冲击韧度ak和断裂韧度KÑc高于3Cr2W8V钢。
HM1钢(3Cr3Mo3W2V):  
HM1钢是参照国外H10钢(4Cr3Mo3SiV)和3Cr-3Mo系的热作模具钢，结合我国资源的特点而研制的新型热模钢   HM1钢的临界点：Ac1为842ºC;Ac3为922ºC; Ms为373ºC。
(1)锻造：加热温度为1150~1180ºC，始锻温度为1120~1150ºC，终锻温度³850ºC。对HM~1钢要求锻后必须缓冷，并及时进行退火。 (2)退火；HM1钢采用等温球化退火，其加热温度为870ºC ，等温温度为730ºC，炉冷到550ºC 以下出炉空冷，退火后硬度为207~225HBS。    HM3钢采用等温球化退火，其加热温度为860ºC ，等温温度为710ºC ，炉冷到550ºC以下出炉空冷。 (3)淬火和回火：HMl钢在1030~1120ºC范围内淬火时，可获得52~55HRC的硬度，具体工艺可根据工件要求选用。回火温度在580~620ºC之间选择，回火二次，每次2h。应用：HM1钢的冷热疲劳抗力比3Cr2W8V钢高得多，同时还有较高的韧性，是一种综合性能优良的高强韧性热模钢，是目前国内研制的新钢种中工艺性能好、使用面广、具有广阔应用前景的高强韧性热作模具钢。适合制造镦锻、压力机锻造、挤压模等，该钢更适宜作为压铸模的材料，在铝压铸模等应用上取得明显效果。
HM3(3Cr3Mo3VNb) ：
 HM3钢则是在碳含量较低(wc＝0.25％)的模具钢基础上加入了微量的元素铌(wNb＝0.08％~0.15％)，使钢保持高的强度和热稳定性。HM3钢在600ºC以上的高温强度高于4Cr5W2SiV钢，但当试验温度低于600ºC时，强度不如4Cr5W2SiV钢。对热锻成形凹模、连杆辊锻模、轴承套圈毛坯热挤压模、高强钢精锻模、小型压力机锻模、铝合金压铸模等都有良好的应用。HM3钢模具寿命比3Cr2W8V、5CrNiMo、4Cr5W2VSi钢制模具提高2~10倍，可有效地克服模具因热磨损、热疲劳、热裂等引起的早期失效。HM3钢的临界点：Ac1为825ºC; Ac3为920ºC; Ms为355ºC。HM3钢的淬火温度为1080ºC，回火温度为560~630ºC，回火二次。          
析出硬化型热作模具钢PH钢(2Cr3Mo2NiVSi) ：
特点：碳含量低，并且含有沉淀硬化元素V、Ni、Mo, 制作的模具在淬火和低温回火后进行机加，避免热处理淬火变形及产生表面的氧化、脱碳。模具在使用过程中表层受热升温，析出特殊碳化物MoC、VC，形成二次硬化，表面硬度可提高到48HRC，增加了高温强度和耐热性，且心部具有高的韧性。切削加工性： PH钢中加入了0.05％~0.12％的锆等微量合金元素，改善了钢的横向冲击韧度及切削加工性能。 
PH钢的临界点：Ac1为776ºC，Ac3为851ºC，Ms为672ºC。(1)锻造：始锻温度为1000~1100ºC，终锻温度³850ºC ，锻后炉冷。(2)退火：780ºC 加热£40ºC/h的速度冷却到680ºC后随炉冷却，退火后硬度为217~229HBS：(3)淬火及回火：淬火加热温度为990~1020ºC，截面边长£ 100mm时采用空冷，截面边长大于100mm时采用油冷。在370~400ºC回火一次，硬度在45HRC左右。 PH钢适用于在500~600ºC范围内工作的热锻模具，如果模具工作表面升温至525~550ºC，析出硬化后的硬度值可升到48HRC，常用于制作啮合齿轮模和连杆模等，使用寿命较H11钢提高一倍。
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