项目十一 热作模具材料

5CrNiMo 5CrMnMo
钢锭 钢坯 钢锭 钢坯
4CrMnSiM 钢锭
oV
钢坯
1140~1180 1100~1150 1140~1180 1100~1150 1160~1180
1100~1150
1100~1150 1050~1100 1100~1150 1050~1100 1100~1150
1050~1100
理 项 目
模具工作部位 锻模燕尾部位
小型锻模 中型锻模 大型锻模 小型锻模 中型锻模
490~510 520~540 560~580 600~620 620~640
煤气炉或 电炉
41~47 38~41 34~37 35~39 34~37
注：回火后需油冷，以防止第二类回火脆性的发生。为了消除油冷时产生的应力，
高温回火后可在160~180℃再低温回火一次。
任务二 热作模具材料与热处理
2) 5CrMnMo
5CrMnMo钢的淬火工艺规范与硬度
模
① 淬火
淬火 预热温 加热温 冷却 介质温 方式 度/℃ 度/℃ 介质 度/ ℃
延续
硬度 /HRC
备注
具 材 料 选 用 与
② 回火
普通 淬火
600~650 820~850
主要用于制作各种类型的大、 中型锤锻模、压力机锻模，模 具寿命比5CrNiMo钢模寿命高 0.2~1.0倍
任务二 热作模具材料与热处理
模
3、典型钢种的热加工工艺
具
(1) 锻造
材
典型低耐热高韧性热作模具钢的锻造工艺规范
料
钢种 项目 加热温度/℃ 始锻温度/℃ 终锻温度/℃
冷却方式
选 用 与 热 处 理
模
1) 5CrNiMo
5CrNiMo钢的淬火工艺规范与硬度
具 材 料 选
① 淬火
淬火 预热温 加热温 冷却 介质温 方式 度/℃ 度/℃ 介质 度/ ℃
延续
硬度 /HRC
备注
普通 淬火
600~650
830~860
油
20~60
至150~180℃后 立即回火
淬火时心部未转变的残 53~58 余过冷A，回火时转变
选
回火脆性；并形成碳化物，↑钢的耐磨性。
用
适量V：细化晶粒，并形成碳化物，↑耐磨性。
与 热
(2) 性能特点
处 理 项
高的淬透性，良好的冲击韧性，好的耐磨性，较高的强度 和热疲劳抗力，且导热性、抗氧化性和加工性能好，在
目
400~500℃左右的工作环境下能承受急冷急热。
任务二 热作模具材料与热处理
800~880 800~850 800~880 800~850
≥850 ≥850
缓冷（坑冷或砂冷） 缓冷（坑冷或砂冷） 缓冷（坑冷或砂冷） 缓冷（坑冷或砂冷） 缓冷（坑冷或砂冷）
缓冷（坑冷或砂冷）
项
目
任务二 热作模具材料与热处理
模
(2) 预备热处理
具
典型低耐热高韧性热作模具钢的临界点、预备热处理工艺规范及硬度
2019
Selection of Mould Materials and Heat Treatment Projects
模具材料选用与热处理项目
厦门海洋职业技术学院 机电工程系 杨成鑫
目录
1 金属材料及其性能 2 金属及合金的晶体结构与结晶
3 金属塑性变形与再结晶 4 铁碳合金相图与碳素钢 5 钢的热处理与表面处理 6 合金钢 9 模具与模具材料概述 10 冷作模具材料 11
项
量大，对砂轮和冷却条件不敏感，不易磨伤、磨裂。
目
任务一 热作模具材料的性能要求与成分、热处理特点
⑤淬透性好。热作模具一般尺寸较大，热锻模尤其如此。为
模
了使热作模具截面的性能均匀，提高模具的使用性能及寿
具 材
命，热作模具钢必须具有好的淬透性。
料
⑥淬火工艺性好，即：淬火温度范围较宽，淬火开裂敏感性
选
主要用于制作要求较高强度和 耐磨性的各种中、小型锻模 （ 边 长 <400mm 、 锤 吨 位 <3 吨 ）
处 理 项 目
4CrMnSiMoV
是 5CrMnSiMoV 钢 的 改 进 ， 具 有 较 高 的 抗 回火能力，良好的高温强度、耐热疲劳性 能和韧性，淬透性和冷热加工性能好
在最佳温度淬火和回火后的各项力学性能 指标均优于5CrNiMo，但冲击韧性较低
理
提高钢的抗氧化性。
项 目
任务一 热作模具材料的性能要求与成分、热处理特点
（三）冷作模具材料的热处理特点
模
具
热作模具钢的最终热处理一般为淬火后高温（中温）回
材 料
火，以获得均匀的回火索氏体组织,硬度在40HRC左右，并具
选
有较高的韧性。
用
与
热
处
理
项
目
任务二 热作模具材料与热处理
（一）冷作模具钢及热处理
加热至500℃时硬度仍能保持在300HBS左 受较大冲击载荷的大、中型锻
右
模 （ 边 长 ≥ 400mm 、 高 度
选
具有较高的淬透性
>375mm、锤吨位>3吨）
用 与 热
5CrMnMo
硬度、强度与5CrNiMo钢相当 因用Mn代Ni，致使其耐热疲劳性能、室温
和高温塑性、韧性、淬透性低于5CrNiMo 要求高韧性时，需采用电渣重熔
材 料
钢号
临界点（℃） Ac1 Ac3 Ar1
预备热处理工艺
Ms
处理方式
加热温度 保温时间
等温温度 等温时间
冷却 方式
硬度 /HBS
选 用 与 热
5CrNiMo
≈710
≈770
≈680
≈230
普通球化 退火
等温球化 退火
锻模翻新 退火
760~780℃ 4~6h
850~870℃ 4~6h
710~730℃ 4~6h
处
特殊用途热作模具钢
理
低合金热作模具钢
项
按合金元素含量分
中合金热作模具钢
目
高合金热作模具钢
热作模具钢：常常选用中碳（0.2~0.6%C）合金钢，以保证模具具有较高 的热强性、热疲劳性能和韧性
任务二 热作模具材料与热处理
1. 低耐热高韧性热作模具钢
模
常用钢种：5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiMoV、5Cr2NiMoV、
为B上，降低钢的韧性
表面冷至150~
等温淬火后组织为M+B
用 与
等温 淬火
600~650
830~860
油
150
200℃后转入 200~ 300℃硝盐
浴中保温2~3h
下+少量残余碳化物， 回火后M转变为B下， 提高钢的强韧性
热
② 回火
5CrNiMo钢的回火工艺规范与硬度（保温时间1~2h）
处
回火部位
加热温度/℃ 加热设备 硬度/HRC
项目十一
热作模具材料
Hot-Working Mould Materials
1、热作模具的工况条件 工作温度一般300~700℃，有时>1000℃
模
热锻 、热镦、热挤压、压铸、热冲裁、高速成形，······
具 材
2、热作模具的受力特点
料
拉伸应力、压缩应力、冲击应力、弯曲应力、热应力、
选
摩擦力，······
具 材
5SiMnMoV、45Cr2NiMoVSi、5Cr2NiMoVSi、
料
3Cr2MoWVNi、4CrMnSiMoV、5CrMnSiMoV
选
从前苏联引进的钢种
一些低耐热高韧性热作模具钢的化学成分（wt%）
用
钢号
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
V
与
热
5CrNiMo
0.50~0.60 ≤0.40 0.50~0.80 0.60~0.90 1.40~1.80 0.15~0.30
料
合金元素能提高相变温度,使模具在交 替 受热与冷却过程中
选 用 与 热
不致发生相变而发生较大的容积变化 ， 从而提高其抗热疲劳 的能力。另外 ， W、Mo 、 V等在回火时以碳化物形式析出而 产生二次硬化，使热作模具钢在较高温度下仍保持相当高的
处
硬度 ， 这是热作模具钢正常工作的重要条件之一,Cr、Si能
45Cr2NiMoVSi 0.40~0.47 0.50~0.80 0.40~0.60 1.54~2.00 0.80~1.20 0.80~1.20 0.30~0.50
任务二 热作模具材料与热处理
1、特点
模 具 材 料
(1) 成分特点 C：0.30~0.60wt%，属于亚共析钢。 适量Cr、Mn、Si、Ni：↑钢的淬透性和强度。 适量Mo、W：↑钢的回火软化抗力，有助于消除钢的高温
小，淬火变形倾向小，采用缓慢冷却介质可以淬透和淬硬。
用
与
⑦焊接工艺性好，即：焊接工艺简单，堆焊的耐磨材料或耐
热
蚀材料与母材结合强度高，不易出现焊接缺陷。
处
理
项
目
任务一 热作模具材料的性能要求与成分、热处理特点
（二）热作模具钢的成分特点
模
具
1.含碳量
材 料
一般为中碳,碳的质量分数为0.3%〜0.6%。保证材料具
选
能力。
用 与
②良好的冲击韧性和断裂韧性，提高模具的抗断裂破坏能力。
热
③良好的耐热磨损性和抗氧化性，提高模具的抗磨粒磨损、
处 理
抗氧化磨损和抗粘着磨损能力。
项
目
任务一 热作模具材料的性能要求与成分、热处理特点
④ 良好的热稳定性（材料在高温条件下保持硬度、组织稳
模
定性和抗软化的能力）。钢的热稳定性一般用回火保温
选
有较高的强度和硬度，较高的淬透性以及较好的塑性、韧性
用
与
。
热
处
理
项
目
任务一 热作模具材料的性能要求与成分、热处理特点
2.合金元素
模
加入的合金元素有Cr、Mn、Si、Ni、W、Mo、V等合金元
具
素。其中Cr、Mn、Si、Mi合金元素的作用是强化铁素体和提
材
高淬透性。W、Mo合金元素是为了防止回火脆性,Cr、W, Si
油
至150~180℃后，小
150~180 型模具空冷，大中型 模具需立即回火
淬火时心部未转变
52~58
的残余过冷A在回 火时转变成B上，
用 与 热
3、热作模具的失效形式 热磨损、变形、堆塌 、热疲劳、崩刃、开裂，······
处
理
项
目
模
热作模具钢的失效形式
具
材
料
选
用
与
热
处
理
项
目
任务一 热作模具材料的性能要求与成分、热处理特点
（一）热作模具材料的性能要求
模
具
1、热作模具材料的使用性能要求
材 料
①高的高温屈服强度，提高模具在工作温度下的抗堆塌变形
具 材
4h、硬度降低至45HRC时的最高加热温度进行表示。
料
⑤ 好的抗疲劳性能（疲劳强度、疲劳极限、疲劳寿命），
选 用
保证在热应力和机械应力循环作用下模具表面不易形成
与
网状裂纹。
热 处
⑥良好的导热性，以降低模具表面的温度，减少模具内外温
理
差，尽可能减少在工况条件下模具力学性能下降的幅度。
项
目
任务一 热作模具材料的性能要求与成分、热处理特点
680℃ 4~6h
炉冷至500℃ 以下再空冷
197~241
炉冷至500℃ 以下再空冷
197~241
处 理 项 目
5CrMnMo ≈710 ≈760 ≈650 ≈220
普通球化 退火
等温球化 退火
锻模翻新 退火
760~780℃ 2~4h
850~870℃ 2~4h
720~740℃ 2~6h
680℃ 1~2h
模
热作模具材料的分类
具
材
料
选
用
与
热
处
理
项
目
任务二 热作模具材料与热处理
热作模具钢的分类
模 具
按用途分
热锻模具钢 热挤压模具钢 热压铸模具钢
材
热冲裁模具钢
料
低耐热模具钢（350~370℃）
选
按工作温度分
中耐热模具钢（550~600℃）
用
高耐热模具钢（580~650℃）
与
高韧性热作模具钢
热
按性能分
高强热作模具钢 高耐磨热模具钢
处
5CrMnMo
0.50~0.60 0.25~0.60 1.20~1.60 0.60~0.80
0.15~0.30
理
项
4CrMnSiMoV 0.35~0.45 0.80~1.10 0.80~1.10 1.30~1.50
0.40~0.60 0.20~0.40
目
5CrNiMoV
0.50~0.60 0.10~0.40 0.65~0.95 1.00~1.20 1.50~1.80 0.45~0.55 0.10~0.15
炉冷至500℃ 以下再空冷
185~229
炉冷至500℃ 以下再空冷
4CrMnSi MoV
≈792 ≈885 ≈660 ≈165
等温球化 退火
840~860℃ 700~720℃ 炉冷至500℃
2~4h
4~8h 以下再空冷
207~255
任务二 热作模具材料与热处理
(3) 最终热处理
加热过程中应缓慢升温并在600~650℃保温一段时间，↓变形开裂 对于形状复杂的锻模，常常采用分级淬火或等温淬火以↓淬火变形
(3) 用途
模
主要用于制作需承受很大冲击载荷的锤锻模、平锻机锻模、
具 材
大型压力机锻模等。
料
选 用
与 热
处 理
项 目
任务二 热作模具材料与热处理
2、典型钢种的特点与应用
模
典型低耐热高韧性热作模具钢的特点与应用
具
钢号
特点
应用
材 料
5CrNiMo
具有较高的强韧性和耐磨性 、回火稳定性， 主要用于制作形状较复杂、承
2、热作模具材料的工艺性能要求
模 具 材
①铸造工艺性好，即：流动性好、收缩率小，不易产生铸造 缺陷。
料
②可锻造性好，即：热锻变形抗力小、塑性好，锻造温度范
选 用
围宽，锻裂、冷裂及析出网状碳化物等倾向小。
与
③可切削性好，即：切削用量大，刀具磨损小，加工表面粗
热 处
Байду номын сангаас
糙度低。
理
④可磨削性好，即：砂轮相对损耗量小，无烧伤极限磨削用