常用热作模具材料的选用及其发展

聂小武

（湖南铁路科技职业技术学院，湖南株洲 412000）

常用热作模具材料的选用及其发展

聂小武

（湖南铁路科技职业技术学院，湖南株洲 412000）

介绍了我国近年来热作模具材料的研制和应用发展，以及这些常用热作模具材料的牌号、化学成分、性能和用途，并对我国热作模具材料今后的发展提出了一些建议。

模具材料；应用

1 前言

模具是机械制造业的重要技术装备，也是机械制造业的龙头产业，被誉为“制造业中的皇冠”、“进入富裕社会的原动力”。因此，模具技术成为衡量一个国家制造业水平的重要指标之一。模具材料的选择对于模具的正常使用、寿命以及成本有很大影响。在选材时，既要综合考虑模具的种类、产品数量、产品材质及工艺过程等因素，还要考虑模具材料本身的力学性能、耐磨性、耐热性、淬透性、机械加工性和成本等情况，均衡各种因素，选择出合适的材料。从使用条件和用途出发，可以把模具材料分为热作模具钢、冷作模具钢和塑料模具钢三大类。热作模具钢主要用于制造自由锻模、压力机热锻模、热挤压模和压铸模等，影响热作模具工作的条件主要有锻压设备的工艺参数、毛坯的材质、模具的润滑和冷却方式、模具的几何结构和制造精度等。本文结合多年的生产实践总结常用热作模具材料的选用及其发展情况。

2 热作模具材料的性能要求

热作模具工作条件恶劣，其主要失效方式有以下几种。

①变形与磨损：模具在高温下工作，型腔表面常因高温退火而软化。由于摩擦而引起的形状尺寸变化，它包括磨粒磨损、粘着磨损、氧化腐蚀磨损、表面疲劳磨损等。磨损失效可表现为刃口变钝、棱角变圆、平面凹凸、形状尺寸发生变化。在高压下易产生局部塑性变形，在制件顶出、开模等过程中会产生机械磨损。

②氧化与浸蚀：模具型腔表面直接与高温熔融金属接触,表面将受严重的氧化腐蚀及钢液中某些聚合物的化学浸蚀。比如，在黑色金属液态模锻生产中，常常遇到仅使用数次后模具工作零件的形状就发生变化的现象。

③热疲劳裂纹：在高温生产过程中，每生产一只制件，模具都要经历一个温度上升与下降的热循环。当模具中的循环工作应力超过断裂力学产生裂缝的危险应力时就会萌生出微裂缝。一般发生在应力集中的位置，例如尺寸急变、刀痕、磨损沟痕等宏观缺陷位置或是晶界、粗大脆性第二相微观缺陷位置。模具型腔表面受这种周期性的热应力作用则易于形成热疲劳裂纹。

④熔蚀与粘焊：当金属温度高于或等于模具材料的熔点温度时，有时会因模具局部小区域温度过高而熔化形成小凸起，这种小凸起脱落后即形成凹坑，有时也会形成粘焊。

热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触，这是与冷作模具工作条件的主要区别。因此会带来以下两方面的问题，首先是模腔表层金属受热。通常锤锻模工作时，其模腔表面温度可达300～400℃以上，热挤压模可达500～800℃以上；压铸模模腔温度与压铸材料种类及浇注温度有关，如压铸黑色金属时模腔温度可达1500℃以上。这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性。第二个问题是模腔表层金属产生热疲劳(龟裂)。热模的工作特点是具有间歇性，每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。因此，热模的工作状态是反复受热和冷却，从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用，其结果引起模腔表面出现龟裂，称为热疲劳现象，由此要求热模具钢具有高的热疲劳抗力。

热作模具在高温下工作发生一系列组织结构的变化，相应地还引起一系列性能的恶化，例如硬度、强度和耐磨性的降低等，同时，急冷急热引起的应力循环造成了疲劳破坏或其他因素所产生的各种破坏。模具材料的选择，应该根据模具的生产条件和工作条件的需要，结合模具材料的基本性能和相关的因素，来选择适合模具需要的、经济上合理的、技术上先进的模具材料。同时还必须兼顾到模具的使用性能要求，这是因为模具的使用性能不但决定着模具生产效率的大小，还决定着模具操作的可靠性。

因此，对热作模具材料的一般要求：①优良的抗氧化性；②较高的高温强度；③良好的耐磨性；④优良的耐热疲劳性；⑤较高的抗腐蚀性与浸蚀性；⑥尽可能高的导热性；⑦尽可能低的线膨胀系数。

事实上，欲寻找同时具备上述性能的材料是非常困难的，所以要根据具体情况综合考虑。

3 常用热作模具材料介绍

我国通用型热用模具钢原来主要是5CrNiMo、5CrMnMo钢和3Cr2W8V钢3个钢号。5CrNiMo钢自2O世纪3O年代初在工业中应用后至今仍广为应用，为了节约镍，人们又研制了5CrMnMo钢，其强度和淬透性不亚于5CrNiMo钢，但韧性稍差。这两种钢属高韧性热作模具钢。5CrNiMo钢主要用于做大中型锻模，其淬透性不够高，其性能也不能满足大截面锻模对性能的要求。3CrZW8V钢于2O世纪20年代开始在工业上使用，是一种高热强性热模钢并具有良好的锻造、机械加工和热处理工艺性能，3Cr2W8V钢广泛用于制造黑色和非铁金属热挤压模及Cu、Al合金的压铸模，这种钢的热稳定性高，使用温度达650℃，但钨系热作模具钢导热性低、冷热疲劳性差。我国在20世纪80年代初引进了国外通用的铬系热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)钢，H13钢有良好的冷热疲劳性，在使用温度不超过600℃时代替了3Cr2W8V钢，模具使用寿命有大幅度提高，因此，H13钢迅速得到推广使用，其产量超过了3Cr2W8V钢。

按工作温度可将热作模具钢分为3类：第一类，韧性模具钢，如 5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSiV，以4Cr5MoSiV(H11)；第二类,强韧性模具钢，如H13、4Cr3Mo2V、4Cr5W2VSi、ER8, 以 H13 为代表；第三类，高强度钢，如 3Cr2W8V、HM3、GR，以 3Cr2W8V为代表。常用热作模具常用钢的钢号、主要特性及用途，如表1所示。

4 展望

热作模具材料对模具的寿命、加工周期、生产成本以及产品的质量具有显著影响。目前热作模具已向精密化、大型化和多腔化的方向发展，对模具钢性能的要求越来越高。虽然我国模具钢产量已居世界前列，形成了我国自己的模具钢系列，建成了不少先进的生产工艺装备，但是热处理工艺水平较低，钢种较少，模具钢的生产技术、产品质量等方面与先进国家相比还存在着很多差距，很多制造大型、精密、长寿命模具的钢材仍需从国外进口。一些发达国家的模具钢已经逐步发展成为一个专用钢系列，比如美国的ASTMA681标准。因此，我国模具钢工业尚需不断开拓创新，扩大模具钢的品种规格、降低生产成本、积极推广应用性能较好的通用型模具材料，提高国内模具材料供应的专业水平。标准化、信息化已经成为工业发展的一个趋势，模具材料的标准化也应日益完善，为模具制造业快速发展奠定基础。在充分发挥现有模具材料潜能的同时，研制新的模具材料，研究新的热处理技术，改进热处理工艺及更新设备，开发新的强化处理方法。

表1 热作模具常用钢的钢号、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

湖南省教育厅科学研究项目（项目编号：09C1231）

2011－12－29

稿件编号：1200－002

聂小武（1979－），讲师，博士研究生，从事模具设计方面的研究