熱作模具品種繁多，歸納起來主要有錘鍛模、機鍛模、熱擠壓模、壓鑄模和熱沖裁模等五大類。各種模具的服役條件差異較大，因此其工作零件的熱處理技術要求也各異。熱作模具的失效形式主要有斷裂、熱疲勞、塑性變形或型腔坍塌、熱磨損和熱熔損等，有時多種失效形式同時出現。

熱作模具鋼的基本性能要求除了良好的工藝性能外主要是在不同溫度條件下有高的強度、韌度、耐磨性、抗疲勞以及熱穩定性。這些特點主要由鋼的化學成分和冶煉加工過程所決定。

熱作模具鋼的合金化特點：

1) 含有多種合金元素如Cr、W、Mo、Ni、V、Si、Co等即多元合金化。但各種元素的配比相當講究，相互補償，可以使多元素發揮最大作用。所以對熱處理的影響較大；

2) 相對于冷作模具鋼，碳含量較低。

20世紀90年代初期，我國機械工業技術發展基金委員會曾組織有關專家對熱作模具鋼的失效、性能要求及熱處理進行研免，旨在科學合理地選材及熱處理,以延長使用壽命。涉及27種國內外常用的熱作模具鋼，其中包括已列入我國國家標準的鋼號，新研制成功且性能較好可以推廣使用的鋼號。其研究成果可供參考。[14][15]

3.3.1低合金熱作模具鋼的熱處理

這一類鋼韌度較好，主要制造受沖擊載荷較大的熱作模具的工作零件。代表性鋼號是5CrNiMo和5CrMnMo鋼。5CrNiMo鋼性能較好，是冷熱兼用的模具鋼，由于拋光性能也好，有時也作塑料模具零件。

5CrNiMo鋼正常淬火溫度推薦取820-880℃,油冷�；鼗饻囟瓤稍�400-60(TC之間選擇，視模具的工作溫度和硬度要求而定，回火應充分，一般兩次回火。國內鍛模的回火與硬度關系見表3-10。

表3-105GrNiMo鋼鍛�；鼗饻囟扰c硬度

5CrNiMo類鋼中的碳化物主要是M3C,加熱到950℃以上可全部溶于奧氏體，但晶粒較粗大。在88CTC淬火后的組織為針狀馬氏體和少量板條狀馬氏體。在900℃淬火后主要是板條狀馬氏體，僅有少量針狀馬氏體。這類鋼在830℃淬火，200-250℃回火后有良好的力學性能，硬度約54HRC。在300℃左右回火，韌性下降，應避免采用。

5CrNiMo鋼經不同溫度淬火及回火后斷裂韌性值（尤K),在I00tTC以下，不受淬火溫度高低的影響，這表明5CrNiMo鋼的Aic值對奧氏體晶粒度不敏感。當回火溫度低于450℃時，斷口形貌均為沿晶斷裂加準解理，并以沿晶斷裂為主�；鼗饻囟雀哂�45(TC時，斷口形貌為籾窩。這與帶缺口的一次沖擊籾度試驗的試樣斷口相似。

國內常常把5CrNiMo鋼與美國L6(AlSl)等同看待，其實不然。國外的5CrNiMo鋼都含有少量V。如德國的55NiCrMoV6,不僅含V，其含Cr、Ni、Mo的量也高于5CrNiMo(GB)。我國GB/T11880—1989《模鍛錘和大型機械鍛壓機用模塊技術條件》中列有5CrNiMoV鋼。

5CrMnMo是為節約貴重的Ni元素，以Mn代Ni而來的。也是引自前蘇聯的5XrM,性能不及5CrNiMo,尤其是塑性、韌性，由于Mn有過熱敏感，淬火溫度應稍低于5CrNiMo,取820-850℃，油冷。回火溫度取490-530℃,40-45HRC,鍛模燕尾回火溫度取600-62(TC,硬度34-37HRC。以上工藝僅用于邊長小于300mmX300mm的小型模塊。

比5CrNiMo更好的熱鍛模鋼，已列入國標的有4CrNnSiMoV和非標鋼號5Cr2NiMoVSi(代號45Cr2)鋼，常規熱處理工藝為550℃和85(TC兩次預熱，980-100CTC奧氏體化，油冷到約650-700℃轉入300-350℃的爐內。等溫3-4h，回火溫度取670-680℃，保溫4-5h,回火兩次，空冷即可，硬度40-44HRC。可參見第5章4CrMnSiMoV鋼。

3.3.2中合金熱作模具鋼的熱處理

含w(Cr)5%的鋼主要制作壓鑄模、機鍛模等重要熱作模具的工作零件，要求有較高的高溫性能，如熱強性、熱疲勞、熱熔損、回火抗力、熱穩定性等。這一類鋼含有Cr、W、Si、Mo、V等多種合金元素。碳含量中等，因而韌性好。我國標準中應用最多且具代表性的鋼號有4Cr5MoSiVl、4Cr5MoSiV、4Cr5w2VSi等鋼。下面以4Cr5MoSiVl鋼（H13鋼）為例討論。需要說明的是目前在我國市場上供應的4Cr5Mo4SiVl鋼（包括外國的HB型及其改進型鋼號），品種較多且雜。無論是國內各廠生產的或國外不同國家的同一牌號或類似牌號，在成分設計、性能上多少有些差異，為討論方便，文內不作嚴格區別，即資料和觀點引自不同來源，僅供讀者參考。

我國的4Cr5MoSiVl與美國的H13鋼在化學分上相同,但有不同的質量等級，性能相當或更優，如上海五鋼公司的SW(P)H13。世界各工業國家的工具鋼標準中幾乎都有類似的鋼號。目前，在我國模具鋼材料市場上除國產的4Cr5MoSiVl鋼外，外國的有日本的SKD61，大同特鋼公司的DHA1，日立金屬公司的DAC、FDAC、瑞典（ASSAB)的8407,德國的X40CrMoV51、韓國的STD61及他們的改進型、德國葛利茲公司牌號就有多個(GS-2344,GS-2344HT,GS-2367(ESR)，GS-2344M，GS-2344HTSuper，GS2885EFS，GS2344ESR等等X雖然有各自國家的牌號，但都以H13鋼號出現。據文獻[5]報導：“美國在1982年，壓鑄模型腔90%以上是采用H13鋼制造的”。“我國（中國）壓鑄模材料3cr2W8V已很少應用，普遍采用H13和ASSAB8407(相當于4Cr5MoSiVl)等，經熱處理和滲氮處理，大幅度提高了壓鑄模壽命”。4Cr5M〇SiVl鋼的合金含量比3Cr2W8V鋼低，但抗冷熱疲勞性能、韌性、塑性都比3Cr2W8V好，因此在制造壓鑄模工作零件時取代3Cr2W8V鋼是合情合理的。但不能理解為4Cr5NoSiVl的性能比3Cr2W8V好，它們各有特性。

市場上供應的4Cr5MoSiVl鋼或H13鋼的鋼材或模坯，在鋼廠都經過了良好的鍛造或軋制以及熱處理，保證了具有良好的牽相組織，適當的f度，良好的可加工性，因此原材料不必在制造廠再進行退火4理。但制造廠改i成毛坯后，破壞了原來的組織和性能，必須重新退火。常規退火工藝：860-890℃加熱，充分保溫后隨爐冷卻（必要時控制冷卻速度<30℃/h),低于500℃可出爐空冷，硬度<229HBS。

壓鑄模的失效分析表明，大多數的壓鑄模失效原因都是由于熱處理不良引起的，人們愈來愈認識到熱處理對壓鑄模的重要性，壓鑄模的熱處理被認為是模具制造的關鍵之一。而淬火是其中最重要的工序。

H13鋼在淬火加熱和冷卻時，與所有的鋼一樣，由于熱脹冷縮以及相變產物不同而產生體積變化，這就是產生淬火變形和開裂的重要原因。H13鋼壓鑄模淬火過程中的體積變化（或變形）是有規律的，模具設計者和熱處理工作者可以探索這種規律而加以利用，以達到變形量的控制和調整。另一種變形是由于內應力引起的尺寸變化。解決的辦法是及時地消除應力，通常進行消除應力退火。像高合金鋼的冷作模具一樣，淬火加熱時一定要充分預熱，并防止氧化脫碳。

H13鋼最常用的淬火冷卻方法是分級淬火，在37(TC左右的鹽浴中冷卻，直到模具零件各部位的溫度均勻，然后取出空冷。冷卻到8(TC左右，要立即回火。回火兩次，保溫時時間按lh/25mm計算，每次不應少于4h。兩次回火之間零件要冷到室溫。鹽浴淬火回火后應及時k理�；鼗鹨欢ㄒ�充分，這是保證質量的關鍵。

H13鋼在500℃左右回火，有二次硬化現象，但初度下降，因此對于H13鋼制作的模具零件，一般不在最高硬度狀態下使用。

為了獲得最佳韌度，最好是采用高的淬火溫度和快速冷卻相結合起來的淬火方式，但這樣處理變形較大。實踐證明，H13鋼高溫淬火導致更大的變形。大型復雜的鋁合金壓鑄模工作零件采用分級淬火，可以獲得最滿意的使用壽命。

清理和精加工以后的H13鋼模具零件要進行去應力退火（也稱第三次回火)。溫度比前幾次回火低17℃左右，宜在空氣爐中加熱，這樣一方面消除了應力，另一立面由于在氧化性的空氣爐內加熱，表面形成一層可起潤滑作用的氧化膜，在模具工作時減少液態金屬對模具的侵蝕，可起到保護作用。

若進行滲氮來進一步強化，可替代去應力處理，或者說滲氮與去應力退火合二為一，效果尤佳。H13鋼滲氮后的表面硬度可達1100-1300HV。圖3-24和圖3-25是H13鋼（4Cr5MoSiVl)淬火及經不同溫度回火后氣體滲氮硬度曲線。

低溫氮碳共滲（鹽浴滲氮、氣體氮碳共滲)、離子滲氮對H13類鋼也是適宜的。但處理溫度要低于回火溫度，以保證心部強度不降低。試驗結果表明，回火溫度高低，對滲氮層的深度和表面硬度都有影響，回火溫度低，原始硬度高對深度和硬度分布都有利。日本SKD61(相當于4Cr5M〇SiVl)滲氮的性能數據，參見本章3.1.5及圖3-18-圖3-21。

特別值得指出的是，H13類鋼壓鑄模零件的有效滲氮層深度（DN)宜淺不宜深，以0.1-0.13mm為宜；過深容易引起尖銳邊角處的崩裂。滲氮可在510-525℃之間進行，這時并不顯著地影響表面硬度。550℃滲氮，表面硬度約為1100HV，滲氮深度比在較低溫度不滲氮所得到的稍深一些。

氣體滲氮的保溫時間不宜過長，一般10h足夠了，過長將使滲氮層表面（最外層）變軟。如果滲氮后表面硬度過高，如高達1300HV以上，這樣的硬度對許多種模具的用途是不適宜的。在這種情況下，可把滲氮后的模具零件在550-600℃進行再次回火，可提高韌度。

H13鋼制造的模具零件，不論是熱作或冷作加工用，廣泛采用滲氮。我國目前尚不普遍。滲氮工藝還可參考熱處理工藝標準：GB/T18177—2000《鋼的氣體滲氮》、JB/T4155—1999《氣體氮碳共滲工藝》、JB/T6956—1993《離子滲氮》等。熱作模具鋼淬火后的金相組織檢查，可參考JB/T8420—1996《熱作模具鋼顯微組織評定》。

H13類鋼模具零件在淬火回火后進行精加工（如磨削、電火花加工等）過程

中，常常發生①磨削裂紋；②表面軟化（冷卻不良、磨削溫度超過回火溫度)；③磨削再次引起內應力。所以精加工時不僅要注意執行正確工藝，精加工后要及時進行去應力退火。

H13鋼的去應力工藝一般為：510-540℃加熱，按lh/25mm保溫，在爐內自然冷卻或空冷。

H13鋼制壓鑄模在使用過程中，若使用前不預熱或預熱不足，使用過程中不定期消除應力、無潤滑劑或冷卻不當都容易產生龜裂而早期失效。模具維修后再作滲氮處理，可延長使用壽命。

針對4Cr5MoSiVl鋼（H13)的弱點作某種改進，是所謂的H13鋼改進型鋼。目前新的牌號也很多。往往是成分和加工方面作某些調整，突出某一種或幾種特性，相應的熱處理工藝也有所變化。值得介紹的例子如下：

1) 日本日立金屬公司牌號為FDAC的易切削預硬型壓鑄模鋼。是在SKD61的基礎上添加多種易切削合金元素，經特殊冶煉加工。供應時硬度40-44HRC。基本熱處理工藝：1020-106(TC油冷，640-660℃回火兩次。

2) 日本大同特鋼公司的DHA1、DH21、DH31等。預硬化型易切鋼DH2F。預硬化硬度37-41HRC。DHAl鋼淬火回火后經570℃3h鹽浴滲氮處理。表面硬度680-690HV0.3(約59HRC)，滲氮層深度0.1mm左右。

3) 德國蒂森公司在H13基礎上調整成分，推出H13+Mo的GS-2344M鋼；GS2344-HT和GS2344HTSuper(超級GS344HT)等多種改進型H13鋼。GS2344M的含量Mo量比傳統的H13高1.7%,提高了熱強性和蠕變強度，有良好的導熱性和熱處理穩定性。退火溫度730-780℃，爐冷，≤235HBS;淬火溫度1030-108(TC,空冷、油冷或500-55(TC熱辦中冷卻，硬度57HRC，抗拉強度2120MPa。通常取650℃回火，45RHC,抗拉強k1440MPa，GS2344HT是高籾性壓鑄模用鋼。退火：740-780℃爐冷，硬度≤170HBS。淬火溫度1000-1040℃，空氣、油或500-550℃熱浴中冷卻，硬度53HRC，抗拉強度1850MPa，1000-1040℃淬火和不同溫度回火后的性能見表3-11。

4)瑞典博福斯（Bofors)鋼廠的R08155鋼和UHB的PREGA在許多場合已成功地作為高價的H13代用鋼。該鋼通常也是以預硬化鋼供應市場,硬度330-360HBS。該鋼具有極好的淬透性。淬火溫度也較H13低很多。一般900℃油冷(也可空冷)，回火溫度根據硬度要求，在400-600℃選取。抗回火性能好，在500℃高溫，仍有較高的硬度（約450HBS)。和高的強度（抗拉強度約1600MPa)、屈服強度（約為1400MPa)。這種鋼替代H13作錘鍛模，使用壽命更長。作鋁合金擠壓支承模，取硬度44-47HRC。這種鋼可滲氮進一步強化，效果很好。我國目前尚無對應的鋼號。

3.3.3高合金熱作模具鋼的熱處理

3Cr2W8V是另一典型的熱強型高耐磨熱作模具鋼，應用日久且極為廣泛。但是3Cr2W8V合金元素含量高，尤其是W含量高，具有熱硬性和良好的抗熱磨損性；并具有較高的高溫強度，高溫初度（在550℃有一低值）和熱穩定性。但這些高溫性能與淬火溫度有關，隨著淬火溫度的提高而提高。而高溫淬火對模具零件熱處理帶來一連串的困難。導熱性差，易開裂，靭度、塑性、熱疲勞性能均有所下降。目前3Cr2W8V應用趨于理智和正常，不少場合，為新型的熱強型熱作模具鋼所代替，如3Cr3Mo3W2V,5Cr4W5Mo2V，5Cr4Mo3SiMnVAl等。

3Cr2W8V鋼正常奧氏體化溫度為1100-1150℃,為減少應力和變形，除緩慢升溫外，大件或復雜件應在800-850℃預熱均溫。或者在奧氏體化后在空氣中預冷到約900-950℃再淬油。若用鹽浴爐加熱，則鹽浴應有良好的脫氧凈化。在鹽浴爐內加熱，奧氏體化溫度可稍降低。

回火取560-580℃，每次保溫時間不應少于2h。硬度48-52HRC;610-630℃回火兩次，硬度為47-49HRC;650-655℃回火兩次，硬度為42-44HRC。

3Cr2W8V鋼另外的缺點是抗疲勞能力差，抗氧化能力也差。模具工作溫度在410℃以上時，其斷裂鈿度值（Ale)也不高。作壓鑄模成形零件沒有H13型鋼好。幾種常用的高合金熱作模具鋼的熱處理規范，見表3-12。

表3-12幾種常用的高合金熱作模具鋼熱處理規范

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