热作模具钢的评估及选用

江枫

　

热作模具钢的评估及选用

作者：上海交通大学塑性成形工程系教授 洪慎章



随着高效、高速、高强度、大吨位的机械化、自动化加工成形设备的发展以及热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模等复杂工艺的广泛应用，对模具的强度、冲击韧度、红硬性和耐磨性，提出了更高的要求。目前，采用一般的热作模具钢及普通的热处理工艺已不能满足生产的需求，尤其是冲击韧度差易开裂、红硬性低易塌陷，以及高湿时材料的耐磨性不高，导致模具使用寿命明显降低，严重地影响先进的热成形工艺的进一步发展。因而，改善和提高热作模具钢的强韧度和红硬性等，延长模具的使用寿命，更显得越来越重要和越来越紧迫。

由多年来的资料统计数据表明，任何一种模具产品的费用比例分别是：模具材料费占35％，模具加供费（机械切削加工及热处理加工）占50％，其中，前两项费用是严重影响零件加工的生产成本，故应慎重选用合理的模具材料。

模具材料的性能方面、材质优劣、使用合理与否等因素，对于模具的制造精度、合格品率、工作时的承载能力、寿命及成本，均有密切的关系。因此在设计和制造模具过程中，对于选材方面应综合考虑模具的种类（具体使用的场合）、制作批量、制作材料和制件复杂程度等因素。而对于模具材料本身，则需考虑它的力学性能、耐磨性、耐热性、耐蚀性、热变形、淬透性、机械加工性，以及材料价格和供货情况等。

目前，任何一种优质材料、新型的模具材料都难以满足所有的性能要求，所以只能根据实际的使用条件，在满足主要性能情况下来选择最佳的模具材料。

为了阐述具体问题，模具寿命的影响因素介绍如下：

热作模具钢主要用于制造锤锻模、压力机锻模、热挤压模和压制模，他们的工作条件有很大差别。

影响热作模具工作条件的因素主要有：

1.锻压设备的构造及特性 锻锤（空气锤、蒸汽锤、无砧座锤、高速锤等） 在工作时产生巨大的冲击功，使炽热的毛坯在模具型腔内成形，因此，锤锻模具是在高湿、高压、高速冲击载荷下工作。压力机（曲柄机械压力机、摩擦压力机、油压机、水压机）的加载速度比锻锤低的多，因此，压力机模具承受的载荷近于静载。

2.毛坯材料的性质

由于金属材料不同，它们的熔点和锻造加热温度差别很大，所以，模具的工作条件也各不相同。

3.模具的润滑及冷却方式

在金属塑性成形时，采用适当的润滑剂，可减少摩擦系数，使变形抗力下降，其降低的幅度通常为30％～40％，这有助于减轻模具的磨损及防止模具断裂的危险性。同时，为防止模具温度过高，热作模具必须采用冷却措施，生产实践证明，正确而有效的冷却对提高模具的使用寿命。

4.模具的结构及制造质量

模具的结构设计和型腔几何形状对金属塑性成形压力和模具寿命都有很大的影响，为提高模具寿命，通常采用各种形式的组合凹模。模具型腔的表面粗糙度对疲劳抗力和摩擦力也有很大的影响。

5.模具合理使用

热作模具的使用与冷作模具有一个很大的区别，就是在使用之前，必需对模具进行必要的预热。生产实践证明该项工作是很重要的，如不注意模具的合理使用，就会大大降低模具的使用寿命。

根据实际生产中的有关资料，目前已在各企业中常用热作模具的应用情况，可归纳如表1所示。该表列出热作模具常用的钢号、主要特性、热处理硬度及用途。

热作模具常用的钢号、主要特性及用途


钢号5CrNiMo
合金元素含量较低的热作模具钢，具有较高的淬透性和良好的韧度，强度耐磨性，但容易出现白点
  硬度HRC44～48
适合制造各种形状复杂，冲击载荷大、工作温度不太高、边长＞400mm大中型锤锻模及切边模

钢号5CrMnMo
该钢除淬透性、耐热疲劳性稍差外，其它性能都和5CrNiMo相似
  硬度HRC44～48
适合制造边长≤400mm的中型锤锻模即热切边模

钢号SCrMnMoSiV
由于增加了合金元素，使抗回火能力及淬透性增大，其使用寿命比上面两种材料有较大提高，但韧度不如5CrNiMo
  硬度HRC44～49
适于制作中、小型锻模，但不适用制作大型锤锻模

钢号3Cr2W8V
该钢含有较多易形成碳化物的元素铬和钨，具有良好的淬透性，在高温下（600～700℃）时，具有较高的强度和硬度、热疲劳性能，但其强度和塑性较差
  硬度HRC48～
用于制造高温高压应力下，而冲击负荷不大的凸模和凹模。如制造压铸模、热挤压模、精锻模和有色金属成型模等

钢号4Cr5MoSiV（H11）
空冷硬化型热作模具钢，在中温下具有较好的热强性、高的耐磨性及良好的疲劳性能，且热处理变形小
  硬度HRC53～57
用于制造铝合金压铸模，热挤压模，穿孔用工具，心棒，压力机锻模

钢号4Cr5MoSiV（H13）4Cr5W2SiV
空冷硬化型热作模具钢，在较高温服（600℃）时，具有较高的强度和硬度，高的耐磨性和韧度，并具有良好的热疲劳性
硬度HRC 53～55
用来制造锤锻模，热挤压模及心棒，压力机模，精锻机模及镶块，铝、铜合金压铸模，高速锤锻模

钢号3Cr3Mo3VN6(HM3)
新型高强韧热作模具钢。该钢含碳量较低，是为了增加导热性，提高冷热疲劳寿命，钼、钒、铌合金元素形成碳化物，因熔点较高，可细小晶粒，使钢的热强性升高。
  硬度HRC47～52
用于制造航空喷气发动机难变形合金、高温合金等精密锻模

钢号4Cr3Mo2MnVB(ER8)
空冷硬化型热作模具钢（H10改型钢种），具有更高的强韧度、抗冷热疲劳性、抗热振性及抗回火软化能力
  硬度HRC42～48
用于制造铜、铝合金压铸模，大变量的热挤压模、热拉深件的冲头

钢号4Cr5Mo2MnVN6B(Y4)
新型热作模具钢。具有高的热强性、热稳定性、良好的韧度、导热性及工艺性
  硬度HRC49～50
用于制造铜、铝合金压铸模，并可代替3Cr2W8V钢制造中、小型压力机模具、热积压等模具

钢号4Cr5Mo2MnVSi(Y10)
新型热作模具钢。其化学成分与H13钢相似，具有很好的淬透性，钼及钒合金元素对细化晶粒、提高热透性和回火稳定性有较大作用
  硬度HRC50～51
用于制造电机端盖，照相机盒，汽车变速箱上盖等铝合金压铸模

钢号6Cr4Mo3Ni2WV（CG2）
冷热兼用的基体钢，具有较宽的热处理工艺范围，无淬裂倾向，在较高温度下，具有高的强度、韧度、耐磨性及抗热疲劳性
  硬度HRC51～53
用于制作热冲模，热挤压模，高速锻模，精锻齿轮模及镶块等

钢号8407（瑞典）
该钢纯度高、晶粒细密、各向同性好，不论大小尺寸、韧度好。高温强度高、热应力疲劳抗力强，良好的淬透性和热处理尺寸稳定性
  硬度HRC32～38
用于制造锌、铝、铅压铸模及交口套


总之，热作模具使用寿命的重要因素是与模具材料的化学成分及其所决定的钢的强度、韧度、耐磨性、热稳定性等有关，同时与冶金质量也有很大关系。因此，为提高模具使用寿命，作为制造业，必须正确地设计模具结构、精确地制造模具零部件、合理的使用模具及其热处理工艺，同时在该根据实际生产需要选择高质量的合适钢材，并选择合理的热处理工艺，才能充分发挥模具材料的各种性能，提高模具的使用寿命。