浅析热作模具用钢

浅析热作模具用钢

冉华安

（重庆工业职业技术学院设计学院，重庆：401120）

【摘要】：热作模具钢是工业生产中的不可或缺的一种重要金属材料。本文从什么是热作模具钢、热作模具钢分为哪些种类、热作模具钢性能用哪些指标来进行评价几个方面介绍了热作模具钢。

【关键词】：热作模具钢；分类；问题；特点；措施

在工业高速发展的今天，热作模具钢作为一种重要的金属材料，受到人们的广泛重视。孙艳姣和赵阳[1]基于专利分析对热作模具钢技术研发态势进行了研究。张赛军[2]采用试验方法对热作模具钢高温销-盘磨损实验研究。陈蒙和吴日铭[3]分析与探讨了钒含量对表面离子渗氮热作模具钢组织与性能的影响。邓俊杰[4]研究和探索了4Cr5MoV热作模具钢中钼含量具体数值对这种材料冷热疲劳性能产生了哪些具体的影响，具体的影响规律是怎么样的。为了更好的了解热作模具钢，本文从什么是热作模具钢、热作模具钢有哪些种类、怎么评价热作模具钢的性能这三个方面对热作模具钢进行了简要介绍。

一、模具用钢特点分析

模具钢化学成分及合金化特性和晋通钢相比较，都是在具体加工工艺基础上发展起来的，不同种类模具钢技术特点也各不相同。热作模具钢化学成分及合金化处理都能使合金元素分布均匀，从而使钢材化学成分更稳定，且韧性，抗蚀性更强，热稳定性更好。热作模具钢一般是用不同的方法得到用途各异的硬质合金，例如碳钢，合金钢，耐热合金均有较好的但耐磨性及耐高温性，模具钢性能能否满足使用要求，使用寿命能否延长，是关键。此外，模具钢因其组织的特殊性，其化学成分，物理，化学性质和力学性能也存在着很大的不同或改变。因而需要综合考虑模具使用条件及使用环境因素，合理地选用各种合金元素以满足不同热作模具钢的要求。以此为基础才有可能制造出质量高性价比高的热作模具钢，以满足批量生产或组装的技术要求，包括Mn,Cr在内的奥氏体及马氏体的添加显着提高抗疲劳性能及耐磨性与热稳定性，尤其抗冲击性能；但马氏体及碳化物也能有效阻止钢转变为铁素体马氏体，贝氏体夹杂组织。因此，热作钢钢材耐磨性优异，高温性能与抗热疲劳性能与焊接性能良好，且热稳定性与韧性高，热稳定性高。故可用来生产各类模具钢及加工工艺用钢[1]。现就常用热作模具钢，在各种情况下，其主要特性作一说明。

1、冲击性能方面

热作模具钢以抗冲击性能较好为特点。尤其热稳定性是热作模具钢的主要参数。冲击性能是指钢材受到外来压力作用时，钢材发生形变并不对钢材使用寿命造成不利影响，而且经过多次反复服役后，钢材的稳定性逐步提高，在承受冲击载荷时，受到损伤并丧失正常工作状态时。这一特性叫做韧性，随着如果热处理方法改进，模具钢中各种应力的分布幅度变小：温度的影响亦变小，所以它的抗冲击刚度亦变小。但对于疲劳寿命的影响较小。冲击载荷下得到的强度和回弹后的断裂破坏速率有一定的关系，即回弹速率越小断裂强度越高。这是由于材料受应力后容易在高温条件下发生破碎变形导致应力集中问题造成的，所以淬火温度超过回单速度后得到的抗压强度下降或者冲击载荷下硬度下降都属于异常。所以，对高韧性模具它的抗冲击性能很差，股需淬火时抗拉强度不得小于450MPa。但碳钢的压力可达500MPa~800MPa这是它的一大特色；但因低氮铁素体在高温下生成析出相，使得其在较大冲击载荷下容易发生变形或者断裂破坏，所以热作型模具抗压强度必须在500MP以上才能够达到生产要求。这说明热作模具钢良好的抗压强度和冲击能力，是非常重要的品质保证。它对抗冲击强度的要求是随着若钢中碳，加入碳化物及合金元素的增多而增大；抗拉强度愈高，冲击韧性愈佳：冲击载荷作用下的负荷愈大，故运行均需持续磨损，以得到更强的抗压能力。同时还应具备良好的抗疲劳性能和抗热疲劳性能。为改善钢材疲劳使用时的各项性能，提高模具钢材的可靠性，需要有良好的稳定性和足够的耐磨性来降低失效率，也就是要有非常好的抗冲击性能，还要能经受住高温工况的高水平的耐热温度非常高。

2、耐热性能方面

高温条件下模只钢的耐热性能直接影响热铝合金和热模钢的使用寿命和生产成本。热作合金热作模具钢通常采用碳化钨耐温性能优异的高碳铬(M)合金或铁素体，添加一定量的钨或钼元素提高钢的抗高温能力，从而提高钢的耐热性能。碳化钨热作模具钢高温性能较好，通常在1200~1350℃使用，可显著提高模具的磨损率及变形性并能保证生产和使用产品质量2]。由于碳化合物及其氧化物在热状态下会发生变化而产生大量杂质，如M、Cr、A星弱碱性，从而降低了钢的热稳定性。另外，其相变也会降低钢的高温强度和韧性：再结晶硬化倾向又可进一步减小。使钢材的耐热性能提高。所以一般要求奥氏体含量在4%~6%之间目不超过奥氏体含量为25%（具体取决于热作模具钢含镍量和碳含量）。为了提高热作模具耐磨综合性能，需要降低合金消耗率及热轧钢还中含碳量保持在3.5%~4.5%之间。一般可采用奥氏体

-马氏体双相组织结构型型钢或马氏体相组织来提高时热性能。

3、成型加工性能方面

热作模具钢成型加工性能主要包括成型工艺性能和成形工艺性能。成型工艺性能是模具钢性能优劣的关键。其在成型过程中，由于金属流动特性影响模具的几何形状，如切削参数在高温下的变化以及金属塑性变形，从而引起金属晶粒尺寸及几何形状的变化，引起模具的形变以及变形。因而就需要设计适合于模具成形所需要的不同组织形状的工具以及加工设备。目前通用及生产较为普遍的加工方法是将其进行成形加工生产工艺加工处理成为各种形状断面的复杂成形模具。热作钢制模具零件，主要由模具、结构件以及磨具、导向件组成。当模具需要制作复杂成连型零件时，则需要对模具进行修型和磨削工艺。如在成型过程中需要对模具进行修型或调整内部缺陷及加工余量都需要进行适当加工来达到理想状态：而在模具型腔内具有一定深度，其所承受压力和应力又要相对均匀的话则有利于提高塑性并减小应力；因而其成型加工性能对模具进行修型时必须充分考虑其力学性能和使用寿命。常用的材料有高温高压材料Cr、M、T以及某些铬合金元素，而不同种类对钢性有很大影响。成型加工性能主要是指热作模具钢所含合金元素和不同类型钢材之间具有不同比例及其在不同条件下表现出来的性能差异。这一点，必须起重视，否则就会影响钢模的使用寿命和模具寿命）。随着成型加工工艺技术的发展，热作模具不仅具有体积小效率高、制作成本低、生产效率高优点还可以降低生产加工成本特点但由于热作工序较多导致所需设备复杂程度增加，影响模具制造速度又增大了模具制造成本和运行费用从而使其在国内得到广泛应用是目前造成模具生产企业普海存在的问题；同时由于原材料供应及金属切削加工时需要长时间反复操作也是影响热作模具寿命的重要因素。

二、热作模具用钢理论基础

1. 定义

热作模具钢是指一类适用于金属热变形加工领域的生产和制造模具的一种合金工具钢[5]。热作模具钢的常用合金元素主要有碳（C）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、镍、硅、锰。这些合金元素的主要作用及常见含量，如表1所示。

表1 热作模具钢常用合金元素的主要作用及常见含量

2. 分类

热作模具钢在市场应用上有很多不同的种类，目前有4种常用的分类方法，见图1所示。第一种分类方法是根据热作模具钢做成什么样的模具，用在哪些领域来进行分类的，具体包括：锤锻工种加工用的一类模具钢、热顶锻工种加工用的一类模具钢、热挤压工种加工用的一类模具钢、热冲裁工种加工用的一类模具钢、精锻工种加工用的一类模具钢、以及压铸工种加工用的一类模具钢。第二种分类方法是根据热作模具钢有什么性能来进行分类的，具体包括：具有非常突出韧性性能的一类模具钢、具有非常突出热强性能的一类热作模具钢、 具有非常突出耐磨损性能的一类热作模具钢、以及具有特别高热强性能的一类热作模具钢。第三种分类方法是根据热作模具钢中有哪些主要元素，具体来讲主要分为：主要合金元素为铬元素的一类热作模具钢、 主要合金元素为钨元素的一类热作模具钢、以及主要合金元素为钼元素的一类热作模具钢。第四种分类方法是根据热作模具钢中含有多少总质量分数含量的合金元素，具体包括：合金元素总含量较低的一类热作模具钢、 合金元素总含量中的一类热作模具钢、以及合金元素总含量较高的一类热作模具钢。

图1 热作模具钢的常用分类方法

3. 性能评价指标

（1）硬度（室温测试条件+高温测试条件）：用以评价耐磨性和变形抗力。其目的是为了确定材料是否具有足够高的硬度和较低的脆性，从而提高工件表面抗磨损、耐蚀性能，并使工件获得良好的加工精度。此外还可以用来判断材料能否满足使用要求。例如耐磨性能。它主要取决于温度。

（2）拉伸强度（室温测试条件+高温测试条件）：用以评价静载断裂抗力。一般情况下，抗拉强度越高，则抵抗塑性变形所需能量也越大，因而塑性好。如果抗拉强度太低或过高，都会降低产品的机械性能。所以应根据不同用途选用相应的力学性能指标。这样才能获得最佳使用性能。因此还应考虑其它因素。

（3）冲击韧性（室温测试条件+高温测试条件）：用以评价冲击断裂抗力。一般情况下冲击韧性越低，其抗冲击性能就越差，而当冲击韧性提高到一定程度之后，冲击韧性又将对冲击断口形貌产生影响。因此可通过控制断裂力学参数和热处理方法来获得更好的抗冲性。以满足使用要求。从而保证使用寿命。达到降低成本目的。

（4）长期保温后的硬度变化：用以评价抗回火能力及热稳定性。通常情况下低温淬火可以得到相对较高的硬度值；但随着温度升高。这种效果会逐渐减弱甚至消失。所以我们建议应尽量采用常温淬火工艺。这样不但能够使产品保持很好的力学性能还能减少加工成本。而且高温处理也不太适合于高强度钢，因为高温处理后组织容易出现软化现象。导致强度下降而降低了耐磨性。本文最后给出了两种热处理方案的对比试验结果。说明了其应用范围。并提出了今后的研究方向。以便为实际生产提供参考依据。通过以上分析和讨论得出以下结论：（

1）温度是影响锻造铝合金机械性能的最主要因素。因此，要想获得高硬度、高抗拉强度的锻件必须保证加热到一定温度。否则会引起晶粒粗化从而影响材料性能。（2）显微硬度与塑性之间有密切关系。

（5）机械疲劳裂纹扩展速率：在热裂纹萌生以后，在锻压力作用下向机械疲劳裂纹向内部扩展时，在每一个应力循环过程中的扩展量来表征机械疲劳裂纹扩展速率。对于那些具有较小的机械疲劳裂纹扩展速率的材料而言，那么在每一次锻压时的裂纹扩展量就比较少，那么机械疲劳裂纹扩展的就比较慢。因此在设计热模锻模具设计的时候，应该尽量使模具的工作寿命较长。这也就是说，模具的使用寿命是影响热模制造成本最重要因素之一。所以提高模具的使用寿命，可以节约很多生产成本。同时还可以缩短生产周期

（6）断裂韧性：反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。对于那些具有较高断裂韧性的材料而言，如果裂纹要发生失稳和扩展，那么久必须要在裂纹尖端有很高的应力强度因子，换言之，裂纹如果要发生失稳和扩展，那么就应该有较大的应力存在或者是已经有较长的裂纹长度。如果应力保持恒定的话，虽然热作模具中已经存在有疲劳裂纹了，但是热作模具钢具有较高的断裂韧性值，那么这个疲劳裂纹就必须要进行更深的扩展以后才会发生进一步的扩展直到失稳。本文研究结果可以为热作模具钢热成形工艺提供一定的理论基础,.对实际生产也有着非常重要的意义

（7）变形抗力：变形抗力这一指标反映的是热作模具钢在使用过程中抵抗堆塌的一种能力。为了保证热作模具钢在较高的温度下工作，应保证模具钢具备较高的抗回火能力、热稳定性和高温强度。所以对热作模具钢变形抗力的测量就显得尤为重要。通过试验得出：对于热作模具钢来说，其屈服极限、抗拉强度以及延伸率都随着应变速率的提高而增大；而冲击韧性则呈现出先升高后降低的趋势。这是一个变化趋势。这也说明了塑性变形程度越大，材料内部产生更多位错密度所导致的应力集中越明显，从而使材料力学性能越差。因此在实际生产中要尽量控制变形量以达到要求的精度。这样才能获得良好的力学性能。最后给出了相关结论。

（8）断裂抗力：因为热作模具钢的断裂是一种疲劳断裂过程，在热作模具钢断裂过程中，因为断裂过程的所处阶段不同，断裂抗力有几种形式。其中，在疲劳裂纹萌生阶段存在的断裂抗力被称为萌生疲劳裂纹的抗力（它与热疲劳抗力有着密切的关系）、在疲劳裂纹亚临界扩展阶段存在的断裂抗力被称为疲劳裂纹亚临界扩展的抗力、以及在疲劳裂纹失稳扩展阶段存在的断裂抗力被称为裂纹失稳扩展的抗力。本文根据这三种基本抗力提出了计算热疲劳裂纹形成寿命和稳定扩展寿命的公式。并且通过对实验数据的回归分析得到了上述三个方面的计算公式。这些计算结果可以用于指导实际生产。从而提高企业效益。缩短产品开发周期。

（9）抗热疲劳能力：热疲劳裂纹萌生之前热作模具钢工作的使用寿命用抗热疲劳能力来进行表征。对于具有较高抗热疲劳能力的材料而言， 热作模具钢具有较多的萌生热疲劳裂纹的循环次数。一个热作模具钢的抗热疲劳能力大小决定了热作模具钢在疲劳裂纹萌生前具有的使用寿命的长短，也决定了热作模具钢在裂纹萌生以后发生亚临界扩展阶段热作模具钢具有的使用寿命的长短。热作模具钢抗热疲劳能力的具体表征指标有两个，一个是用热作模具钢萌生热疲劳裂纹需要多少个循环数来表示，另一个是经过一定数量的热循环以后热作模具钢出现了多少条疲劳裂纹以及这个疲劳裂纹的平均深度（或长度）是多少来进行表征。在实际使用过程中，影响热作模具钢抗热疲劳能力的具体因素主要有： 热作模具钢的热导率、热作模具钢的线膨胀系数、热作模具钢的屈服强度、热作模具钢的抗高温氧化能力、热作模具钢的硬度、热作模具钢的冶金质量、热作模具钢的合金元素、热作模具钢的热处理工艺。因此，要想进一步提高热作模具钢热作性能必须从以上几个方面入手：1.选择合适的材质；2.控制合理的生产工艺条件；3.严格控制热处理温度；4.严格检测淬火冷却速度及回火处理后的组织结构变化情况。

4. 热作模具钢技术性能指标检验分析

对热作模具钢进行热处理和机械性能试验，热处理和试验机检测的结果见表2中规定。高温淬火后硬度不低于HRC40C/1000MPa抗拉强度不低于650MPa；屈服强度不少于420MPa：延伸率不少于15%。抗拉强度越大，说明钢塑性变形时的抗拉强度及抗弯模力比淬火时的高，抗冲击破坏的能力越强；但是，抗磨强度亦愈低。望性变形之后的抗拉强度都在660MPa以上。因此钢中以强化M含量较高为主，通常含10%左右，样品硬度与热处理及试验机测试所得硬度值相同，称为高硬度模具钢（热作模具钢）。

1、表面质量方面

高硬度模具钢表面质量表现为表面裂纹，缩孔及其他缺陷。裂纹多出现于表面粗糙度大、目裂纹分布相对不均处，即丰要集中仅域。裂纹产牛一方面是塑性变形时材料化学成分不均所致，另一方面是材料存在弹性效应。裂纹既由应力（或产生）所致，又由材料内部缺陷所致。如果其内部组织存在较多气体，颗粒和未熔慰物，均可引起裂纹，而高硬度模具钢由于其硬度高和韧性大而属于较特殊钢材。因此材料内部不易开裂，故可通过淬火的方法对裂纹进行控制。但淬火后的硬度仍不易控制。因此在热处理时应该尽量选用硬度高一点的钢材，这样才能确保材料良好的塑性能不会受到影响。如出现裂纹一般只能通过热处理或者化学镀消除，而不能采用表面处理或者采用其它方法来消除。因此，高硬度模具钢在退火过程中表面质量的控制是较为关键的环节，但同时也要采取一定的措施来仔细地检验退火表面，以防止裂纹的产生。从热作模具钢的表面开裂原因及形状来看，存在着各种可能性：钢材内部存在缺陷时，在其表面上就形成了开裂：淬火时，形成了粗大的碳化物层：还存在着很大残余应力的可能性；由于钢在塑性变形过程中所遭受的塑性变形会引起材料内表面的化学变化而造成尺寸的不均；或由十达不到足够的碎火硬度，品粒之间间隙大，产生微裂纹；或者是由于十表面应力过大，导致钢中候化物生成不充分；或者因碳化物的部位原因引起裂纹，导致钢材发生破坏。表面缺陷有：（

1）夹杂：（2）点蚀：（3）晶粒较粗：（4）夹杂或细小颗粒状夹杂：（5）脱碳层现象。这些缺陷影响了高温淬火下的钢材在塑性变形过程中不易破裂，只能起很好的控制效果：如果处理不当，则减少了淬火后钢中内部裂纹的非均匀分布导致的表面裂纹和其他缺陷。裂纹是玻坏性的。

2、化学成分分析

根据试验结果，钢中翻元素含量由1.1%提高到20%，其他元素含量较低。碳化物中碳析出量较大，且尺寸主要与其含量相关。碳含量升高，可使钢材强度下降，过低则使钢材淬透性、韧性及其他性能下降。所以要控制碳含量减少淬透性低和淬透性差的肉氏体。同时由于碳含量过高，与氢化物结合时会生成大量晶粒，高温下易开裂。钢经过淬火处理，可以消除该缺陷。

3、显微组织分析

热作模具钢组织以奥氏体，马氏体为主。奥氏体是马氏体转化而来，马氏体和基体相互作用密切。它的组成是由A1+N+C、A-V-M-V组成晶界，是热作模具钢的典型奥氏体组织，综合力学性能及耐磨性好。加工过程中因各向异性及疲劳裂纹的作用而产生裂纹，进而引起塑性变形而产生裂纹，使得热作模具表从粗糙度提高，品片剪断后，材料便不会出现使化生成马氏体血沉淀微小裂纹生成，造成零件表面局部组织松散，进而引起抗疲劳性能降低，降低工件寿命而开裂，还使得材料无法正确切削加工，或者加热使用，导致工件的严重破坏。这是模具钢在长期使用中无法形成裂纹（应力）及裂纹（应力腐蚀）敏感的一个原因。淬火冷却时容易导致冷裂纹的出现与蔓延，会导致裂纹向表层扩展而导致零件疲劳断裂；在高温淬火过程中，可能会发生形变，然后碳化变脆。不合理的热处理可使金属处于应力状态，塑性发生变化而发生破裂。

4、力学性能方面

以FES和TPWM（TS）为代表的强化相组成是热作模具钢的重要性能指标，能较好地反映热作模具钢的力学性能。同时也可以表征钢材的综合力学性能——力学性能由拉伸强度与断裂伸长率两部分组成。通常在样品中添加一定数量的固溶体，样品在低温下即有良好的力学性能（塑性变形后的抗拉强度及抗弯模力）。还出现了一定的应力、应变集中现象，主要分布于焊缝、端面部位。所以在应用中很容易出现断裂现象。为避免由于应力集中过大而导致破坏，必须采取减小应力的措施。断裂伸长率越大，越利于材料冷却时马氏体与奥氏体的生成，对于应力集中的影响不大。由裂纹扩展引起的金属塑性变形程度的加剧，造成开裂性能的下降，这是一种正常情况。断裂部位没有什么组织或形态上的改变，如未经热处理而产生塑性变形，这就是裂纹的产生：裂纹在扩展过程中，裂纹便扩展为晶粒、片状组织，受裂纹长度限制所产生的缺陷面积逐渐扩大，使新裂纹开始萌生或者扩展产生裂纹，再不断扩展产生新裂纹，造成破坏。裂纹属于塑性裂纹扩展现象之一，它随着一系列塑性变形之后裂纹发展产生，使得新裂纹不断萌生并不断扩展，从而逐新扩展出裂纹扩展带，使得整个裂纹变成了一个连续不规则的纤维组织结构即裂纹源。裂纹扩展至整个结构后，将发生间断并形成裂纹（简称裂纹）所形成的坑洞或凹坑（坑）为断裂发生的标志材料。这些裂纹既可沿着裂纹的方向扩展，又可在组织的深处继续沿着裂纹的扩展，在其内部聚集脆性原子，产生新的裂纹。

5 结论

综上所述，用信息网络带动农业经济的发展，已经成了现代农业发展的必然趋势。做好网络信息化宣传，树立起农民和科技人员的网络经济意识，加强农业信息网络的建设，充分开发利用农业信息资源，促进农业经济向信息网络化发展，扩大农民收入，使农业经济成为国民经济的支柱产业。

参考文献

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[3]陈蒙,吴日铭. 钒含量对表面离子渗氮热作模具钢组织与性能的影响[J]. 机械工程材料,2022,46(3):7-12.

[4]邓俊杰,周健,刘建雄,. 钼含量对4Cr5MoV热作模具钢冷热疲劳性能的影响[J]. 机械工程材料,2022,46(4):48-55.

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