常用熱作模具材料的選用及其發(fā)展

聶小武

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000）

常用熱作模具材料的選用及其發(fā)展

聶小武

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000）

介紹了我國近年來熱作模具材料的研制和應(yīng)用發(fā)展，以及這些常用熱作模具材料的牌號、化學(xué)成分、性能和用途，并對我國熱作模具材料今后的發(fā)展提出了一些建議。

模具材料；應(yīng)用

1 前言

模具是機械制造業(yè)的重要技術(shù)裝備，也是機械制造業(yè)的龍頭產(chǎn)業(yè)，被譽為“制造業(yè)中的皇冠”、“進入富裕社會的原動力”。因此，模具技術(shù)成為衡量一個國家制造業(yè)水平的重要指標之一。模具材料的選擇對于模具的正常使用、壽命以及成本有很大影響。在選材時，既要綜合考慮模具的種類、產(chǎn)品數(shù)量、產(chǎn)品材質(zhì)及工藝過程等因素，還要考慮模具材料本身的力學(xué)性能、耐磨性、耐熱性、淬透性、機械加工性和成本等情況，均衡各種因素，選擇出合適的材料。從使用條件和用途出發(fā)，可以把模具材料分為熱作模具鋼、冷作模具鋼和塑料模具鋼三大類。熱作模具鋼主要用于制造自由鍛模、壓力機熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等，影響熱作模具工作的條件主要有鍛壓設(shè)備的工藝參數(shù)、毛坯的材質(zhì)、模具的潤滑和冷卻方式、模具的幾何結(jié)構(gòu)和制造精度等。本文結(jié)合多年的生產(chǎn)實踐總結(jié)常用熱作模具材料的選用及其發(fā)展情況。

2 熱作模具材料的性能要求

熱作模具工作條件惡劣，其主要失效方式有以下幾種。

①變形與磨損：模具在高溫下工作，型腔表面常因高溫退火而軟化。由于摩擦而引起的形狀尺寸變化，它包括磨粒磨損、粘著磨損、氧化腐蝕磨損、表面疲勞磨損等。磨損失效可表現(xiàn)為刃口變鈍、棱角變圓、平面凹凸、形狀尺寸發(fā)生變化。在高壓下易產(chǎn)生局部塑性變形，在制件頂出、開模等過程中會產(chǎn)生機械磨損。

②氧化與浸蝕：模具型腔表面直接與高溫熔融金屬接觸,表面將受嚴重的氧化腐蝕及鋼液中某些聚合物的化學(xué)浸蝕。比如，在黑色金屬液態(tài)模鍛生產(chǎn)中，常常遇到僅使用數(shù)次后模具工作零件的形狀就發(fā)生變化的現(xiàn)象。

③熱疲勞裂紋：在高溫生產(chǎn)過程中，每生產(chǎn)一只制件，模具都要經(jīng)歷一個溫度上升與下降的熱循環(huán)。當(dāng)模具中的循環(huán)工作應(yīng)力超過斷裂力學(xué)產(chǎn)生裂縫的危險應(yīng)力時就會萌生出微裂縫。一般發(fā)生在應(yīng)力集中的位置，例如尺寸急變、刀痕、磨損溝痕等宏觀缺陷位置或是晶界、粗大脆性第二相微觀缺陷位置。模具型腔表面受這種周期性的熱應(yīng)力作用則易于形成熱疲勞裂紋。

④熔蝕與粘焊：當(dāng)金屬溫度高于或等于模具材料的熔點溫度時，有時會因模具局部小區(qū)域溫度過高而熔化形成小凸起，這種小凸起脫落后即形成凹坑，有時也會形成粘焊。

熱作模具工作條件的主要特點是與熱態(tài)金屬相接觸，這是與冷作模具工作條件的主要區(qū)別。因此會帶來以下兩方面的問題，首先是模腔表層金屬受熱。通常錘鍛模工作時，其模腔表面溫度可達300～400℃以上，熱擠壓?？蛇_500～800℃以上；壓鑄模模腔溫度與壓鑄材料種類及澆注溫度有關(guān)，如壓鑄黑色金屬時模腔溫度可達1500℃以上。這樣高的使用溫度會使模腔表面硬度和強度顯著降低，對熱模具鋼的基本使用性能要求是熱塑變抗力高，包括高溫硬度和高溫強度、高的熱塑變抗力，實際上反映了鋼的高回火穩(wěn)定性。第二個問題是模腔表層金屬產(chǎn)生熱疲勞(龜裂)。熱模的工作特點是具有間歇性，每次使熱態(tài)金屬成形后都要用水、油、空氣等介質(zhì)冷卻模腔的表面。因此，熱模的工作狀態(tài)是反復(fù)受熱和冷卻，從而使模腔表層金屬產(chǎn)生反復(fù)的熱脹冷縮，即反復(fù)承受拉壓應(yīng)力作用，其結(jié)果引起模腔表面出現(xiàn)龜裂，稱為熱疲勞現(xiàn)象，由此要求熱模具鋼具有高的熱疲勞抗力。

熱作模具在高溫下工作發(fā)生一系列組織結(jié)構(gòu)的變化，相應(yīng)地還引起一系列性能的惡化，例如硬度、強度和耐磨性的降低等，同時，急冷急熱引起的應(yīng)力循環(huán)造成了疲勞破壞或其他因素所產(chǎn)生的各種破壞。模具材料的選擇，應(yīng)該根據(jù)模具的生產(chǎn)條件和工作條件的需要，結(jié)合模具材料的基本性能和相關(guān)的因素，來選擇適合模具需要的、經(jīng)濟上合理的、技術(shù)上先進的模具材料。同時還必須兼顧到模具的使用性能要求，這是因為模具的使用性能不但決定著模具生產(chǎn)效率的大小，還決定著模具操作的可靠性。

因此，對熱作模具材料的一般要求：①優(yōu)良的抗氧化性；②較高的高溫強度；③良好的耐磨性；④優(yōu)良的耐熱疲勞性；⑤較高的抗腐蝕性與浸蝕性；⑥盡可能高的導(dǎo)熱性；⑦盡可能低的線膨脹系數(shù)。

事實上，欲尋找同時具備上述性能的材料是非常困難的，所以要根據(jù)具體情況綜合考慮。

3 常用熱作模具材料介紹

我國通用型熱用模具鋼原來主要是5CrNiMo、5CrMnMo鋼和3Cr2W8V鋼3個鋼號。5CrNiMo鋼自2O世紀3O年代初在工業(yè)中應(yīng)用后至今仍廣為應(yīng)用，為了節(jié)約鎳，人們又研制了5CrMnMo鋼，其強度和淬透性不亞于5CrNiMo鋼，但韌性稍差。這兩種鋼屬高韌性熱作模具鋼。5CrNiMo鋼主要用于做大中型鍛模，其淬透性不夠高，其性能也不能滿足大截面鍛模對性能的要求。3CrZW8V鋼于2O世紀20年代開始在工業(yè)上使用，是一種高熱強性熱模鋼并具有良好的鍛造、機械加工和熱處理工藝性能，3Cr2W8V鋼廣泛用于制造黑色和非鐵金屬熱擠壓模及Cu、Al合金的壓鑄模，這種鋼的熱穩(wěn)定性高，使用溫度達650℃，但鎢系熱作模具鋼導(dǎo)熱性低、冷熱疲勞性差。我國在20世紀80年代初引進了國外通用的鉻系熱作模具鋼H13(4Cr5MoSiV1)鋼，H13鋼有良好的冷熱疲勞性，在使用溫度不超過600℃時代替了3Cr2W8V鋼，模具使用壽命有大幅度提高，因此，H13鋼迅速得到推廣使用，其產(chǎn)量超過了3Cr2W8V鋼。

按工作溫度可將熱作模具鋼分為3類：第一類，韌性模具鋼，如 5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSiV，以4Cr5MoSiV(H11)；第二類,強韌性模具鋼，如H13、4Cr3Mo2V、4Cr5W2VSi、ER8, 以 H13 為代表；第三類，高強度鋼，如 3Cr2W8V、HM3、GR，以 3Cr2W8V為代表。常用熱作模具常用鋼的鋼號、主要特性及用途，如表1所示。

4 展望

熱作模具材料對模具的壽命、加工周期、生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品的質(zhì)量具有顯著影響。目前熱作模具已向精密化、大型化和多腔化的方向發(fā)展，對模具鋼性能的要求越來越高。雖然我國模具鋼產(chǎn)量已居世界前列，形成了我國自己的模具鋼系列，建成了不少先進的生產(chǎn)工藝裝備，但是熱處理工藝水平較低，鋼種較少，模具鋼的生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量等方面與先進國家相比還存在著很多差距，很多制造大型、精密、長壽命模具的鋼材仍需從國外進口。一些發(fā)達國家的模具鋼已經(jīng)逐步發(fā)展成為一個專用鋼系列，比如美國的ASTMA681標準。因此，我國模具鋼工業(yè)尚需不斷開拓創(chuàng)新，擴大模具鋼的品種規(guī)格、降低生產(chǎn)成本、積極推廣應(yīng)用性能較好的通用型模具材料，提高國內(nèi)模具材料供應(yīng)的專業(yè)水平。標準化、信息化已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的一個趨勢，模具材料的標準化也應(yīng)日益完善，為模具制造業(yè)快速發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在充分發(fā)揮現(xiàn)有模具材料潛能的同時，研制新的模具材料，研究新的熱處理技術(shù)，改進熱處理工藝及更新設(shè)備，開發(fā)新的強化處理方法。

表1 熱作模具常用鋼的鋼號、使用硬度、主要特性及用途

Application and Progress in Materials of Hot Work Die

NIE XiaoWu
(Hunan Vocational College of Railway Technology,Zhuzhou 412000,Hunan China)

The application and progress in the development of hot work dies materials in recent years have been introduced,including the designations,chemical compositions,properties and uses of some common materials.Some suggestions for future development of hot work dies materials have been presented.

Dies materials;Application

TG241;

B；

1006－9658（2012）02－0046-3

湖南省教育廳科學(xué)研究項目（項目編號：09C1231）

2011－12－29

稿件編號：1200－002

聶小武（1979－），講師，博士研究生，從事模具設(shè)計方面的研究