热作模具钢

压铸模具钢 32CrMoV12-28 38CrCoWV18-17-17 3Cr2W8V 3Cr3Mo3W2V 4Cr3Mo2VNiNb 4Cr3Mo3SiV 4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV1模具钢 4Cr5W2VSi 4CrMnSiMoV 50CrMoV13-15 55NiCrMoV7 5Cr4Mo3SiMnVAl 5Cr4W5MoV 5CrMnMo模具钢 5CrNiMo 8Cr3 X30WCrV9-3 X35CrWMoV5 X37CrMoV5-1 X38CrMoV5-3 X40CrMoV5-1 冷作模具钢 热作模具钢 塑胶模具钢 塑料模具钢 抚顺特钢 宝钢模具钢 大连特钢 北重特钢
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热作模具钢性能数据集

热作模具钢性能数据集

4Cr5W2SiV钢是国外早期研制含5%Cr系的典型热作模具钢,在我国已列入GB1229标准。与4Cr5MoSiV钢(H11)相比,用钨代钼使二钢的钨当量相同,化学成分除4Cr5W2SiV钢的钒含量偏高外,其余均基本相似。在性能方面该钢在600-700℃的高温硬度、300-650℃的冲击韧性、620-700℃的热稳定性、650℃的抗热疲劳性、800℃2500次和910℃1000次的抗热磨损性能均优于4Cr5MoSiV钢。4Cr5W2SiV钢与3Cr2W8V钢相比。其合金元素含量较低,具有空淬温度较低、淬火变形小、淬透性好的特点。同时其300-700℃的冲击性、800℃2500次和910℃1000次的抗热磨损性、600-1000℃的抗氧化性、650℃的抗热疲劳性,以及易切削性和可锻造性能均优于3Cr2W8V钢。由于这种钢的综合性能良好,被广泛用于制作中小机锻模、热挤压模和芯棒以及铝、镁合金压铸模。

1 化学成分(质量分数,%)

状态 GB1229 试样成份 状态 GB1229 试样成份
C 0.32-0.42 0.42 Mn ≤0.40 0.30
Cr 4.50-5.50 4.96 S ≤0.030 0.014
V 0.60-1.00 0.87 P ≤0.030 0.016
Si 0.80-1.20 0.96      

4Cr5W2SiV钢试样化学成分及4Cr5MoSiV钢试样相比,除了不含钼及钨和钒含量偏高2.0%和0.55%外,其余均几乎相同,如与3Cr2W8V钢试样相比,除钨含量偏低6.18%外,其余铬、钒、硅分别增别2.44%、0.55%、0.75%。4Cr5W2SiV钢试样的合金元素总量达到9.09%,比4Cr5W2SiV钢增加了1.67%。比3Cr2W8V钢减少2.42%。

2 物理性能

2.1 弹性模量E(N/mm2)

温度/℃ 室温 100 200 300 400 500
E 22900 22400 21800 21100 20500 19600

2.2 切变模量G(N/mm2)

温度/℃ 室温 100 200 300 400 500
G 8600 8500 8200 7900 7700 7300

2.3 弹性模量与切变模量的比值

温度/℃ 室温 100 200 300 400 500 平均比值
E:G 2.663 2.635 2.659 2.671 2.662 2.685 2.663

2.4 密度ρ 室温7.82g/cm3

2.5 热导率λ(W/(m ? K))

温度/℃ 室温 100 200 300 400 500
λ 26 26 27 27 27 26

2.6 线膨胀系数α(mm/(mm ? ℃))

温度/℃ 20-100 20-200 20-500 20-600 20-700 20-800
α*10-6 7.6 8.7 11.6 12.0 12.1 12.3

2.7 热扩散率α(m2/S)

温度/℃ 室温 100 200 300 400 500
α*10-6 7.27 7.08 6.90 6.71 6.34 5.74

2.8 比热Cp(J/kg ? K))

温度/℃ 20-100 20-200 20-300 20-400 20-500
Cp*103 0.465 0.471 0.481 0.495 0.514

2.9 临界点℃(近似值)

Ac1 Ac3 Ar1 Ar3 Ms
840 940 740 840 275

3 试样的热加工工艺

3.1 锻造

项目 加热温度/℃ 始锻温度/℃ 终锻温度/℃ 冷却方式
钢锭 1150-1180 1120-1170 ≥850 砂或坑缓冷
钢怌 1120-1150 1080-1120 ≥820 砂或坑缓冷

因4Cr5W2SiV钢在800-1200℃温度范围,以1000℃的伸长率低(54.3%),所以在此温度需相对减轻打击力。该钢与5CrNiMo钢相比,锻造加热、始锻和终锻温度略高(约20℃),变形抗力较大。但与3Cr2W8V钢相比,其终锻温度低50℃左右,而且变形抗力较低。

3.2 退火

名称 装炉方式 加热温度℃ 保温时间h 等温温度℃ 保温时间h 冷却方式
去应力退火 <500℃入炉随炉升温 750-780 2+1min/mm ? ? 随炉冷至<550℃出炉空冷(≤229)
锻材等温退火 <500℃入炉随炉升温 860-890 1+1min/mm 720±10 2+1min/mm 随炉冷至<550℃出炉空冷(≤229)

4Cr5W2SiV钢与3Cr2W8V钢相比,退火加热温度约高40℃,等温温度相似,退火后硬度稍低。与4Cr5MoSiV1钢(H13)相比其退火工艺及退火后硬度基本相当。

3.3 淬火

次预热 第二次预热 淬火温度℃ 保温时间s/mm 冷却介质 硬度HRC
箱式炉550℃保温时间30min+1min/mm 盐浴炉850℃保温时间10min+0.5min/mm 1060±10 20-25 55.0-56.0

在相同热处理工艺条件下,4Cr5W2SiV钢比3Cr2W8V钢淬火温度低70℃,但淬火后硬度相似。该钢与4Cr5MoSiV钢相比,淬火温度高了40℃,但淬后硬度却低了4HRC。

3.4 回火

(1)回火温度与硬度的关系

回火温度/℃ 100 200 300 400 450 500 540 580 625 660
硬度HRC 54.5 54.5 53.5 52.0 54.0 53.0 53.0 50.0 45.5 37.0

回火后同样达到46HRC,4Cr5W2SiV钢比5CrNiMo钢的回火温度高175℃;也高于4Cr5MoSiV钢(约25℃),但比3Cr2W8V钢约低35℃。

(2)性能试样的回火工艺

要求硬度/HRC 次回火温度℃*保温时间h 硬度/HRC 第二次回火温度℃*保温时间h 硬度/HRC
47-49 595*2 48.5-49.2 560*2 48.2-49.2

4Cr5W2SiV钢经595℃回火的硬度高于5CrNiMo钢500℃回火的硬度(41.6-42.4HRC),表明要达到此硬度4Cr5W2SiV钢的回火温度比5CrNiMo钢高135℃。同样经二次回火硬度在48-49HRC,4Cr5W2SiV钢的回火温度比3Cr2W8V钢约低25℃;但比4Cr5MoSiV钢约高25℃。

4 室温力学性能

力学性能试样均为淬火+回火状态。下述试样硬度用A=48.2-49.2HRC表示。

4.1 室温拉伸

试样状态 σb/MPa σs/MPa δ5,% Ψ,%
A 1612 1394 12.0 43.0

在相近的A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢比3Cr2W8V钢的σb和σs值低35和55MPa,δ5和Ψ值分别高1.98%T 12.2%。同样与4Cr5MoSiV钢相比,4Cr5W2SiV钢的σb和σs值也低127和75MPa,δ5和Ψ值分别高1.20%和10.6%。

4.2 室温冲击韧性AK

A硬度的室温冲击韧度为16.0J。4Cr5W2SiV钢A硬度的AK值高于3Cr2W8V钢3.0J;但低于4Cr5MoSiV钢0.8J。

4.3 室温断裂韧性K1C

A硬度的室温断裂韧度为35.3MPa ? m1/2。4Cr5W2SiV钢A硬度的K1C值高于3Cr2W8V钢2.6MPa? m1/2;但与4Cr5MoSiV钢的K1C值相同。

4.4 室温缺口抗拉强度(σb缺口/MPa)

试样硬度 σb缺口 平均σb缺口

MPa

σb光滑/σb缺口
MPa MPa
48.5-49.2HRC 1743 1905 1824 0.8839

5 高温力学性能

5.1 高温拉伸性能

试验温度/℃ σb/MPa σs/MPa δ5 ,% Ψ,%
300 1392 1227 11.9 51.9
600 822 719 19.7 67.5
650 605 530 21.1 71.5
700 301 266 33.9 89.1

在300-700℃的A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢与3Cr2W8V钢相比,其σb值要低105-282MPa,σs值低75-240MPa;但δ5和Ψ值分别高0.6%-15.7%和11.2%-63.7%,其中以600-650℃的差值大。同样与4Cr5MoSiV钢相比,其300-700℃的σb和σs值要低73-134MPa和75-128MPa;而且δ5和Ψ值也分别低0.1%-21.1%和5.4%-14.0%,其中以650℃的差值大。

5.2 高温硬度(HV)

温度/℃ 300 450 600 650 700 750
A 444.5 415.5 371.0 314.5 250.0 170.5

在300-750℃的A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢的硬度低于3Cr2W8V钢33-105HV,其中700℃的差值大。同样与4Cr5MoSiV钢相比,在300-450℃时其硬度要低33-35HV;而在600-700℃时的硬度却要高7-23HV,其中也以700℃的差值大。

5.3 高温冲击性能AK(J)

温度/℃ 300 600 650 700
A 30.1 45.2 47.1 65.7

在300-700℃的A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢的AK值高于3Cr2W8V钢8.8-39.6J,随温度的升高差值逐渐增加。同样与4Cr5MoSiV钢相比,其300-650℃的AK值要高1.3-14.2J,其中以600℃的差值大,但700℃时其AK值却低4.3J。

6 特殊性能

6.1 抗氧化性能(试样硬度48.2-49.2HRC)增重值,g/m2

h 2 7 15 25 35 45 60 80 125 150
600 0 0.8 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.1 1.6 1.6

4Cr5W2SiV钢在600℃*150h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢,其氧化增重减少33g/m2。但略差于4Cr5MoSiV钢,其氧化增重增加0.4g/m2。

h 750℃ h 750℃
2 4.0 25 34.3
5 6.6 30 38.3
8 10.9 35 41.6
11 15.3 40 45.3
15 22.5 45 48.2
20 29.2 50 51.4

4Cr5W2SiV钢在750℃*50h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢,其氧化增重减少69.7g/m2;但比4Cr5MoSiV钢差,其氧化增重增加5.5g/m2。

h 1 2 3 4
1000℃ 100.6 201.7 304.9 403.0

4Cr5W2SiV钢在1000℃*4h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢,其氧化增重分别减少160.5g/m2和57.0g/m2。

6.2 热稳定性能(HRC)

(1)620℃

保温时间

h

A 保温时间

h

A
0 47.8 11.5 37.0
2 43.1 14.5 35.2
4 40.7 17.5 35.1
6 38.7 21 34.7
8 38.4    

在A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢在620℃保温21h的热稳定性低于3Cr2W8V钢,其硬度要低4.8HRC。但其热稳定性要高于4Cr5MoSiV钢2.4HRC。

(2)660℃

保温时间

h

0 1 2 3 5 7 9 12
A 48.8 38.4 35.9 34.3 ? 31.0 30.8 29.7

在A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢在620℃保温12h的热稳定性低于3Cr2W8V钢,其硬度低2.3HRC。但其热稳定性要高于4Cr5MoSiV钢3.0HRC。

(3)700℃

保温时间

h

0 0.5 1 1.5 2 3
A 47.6 34.5 32.0 30.2 30.0 28.4

在A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢在700℃保温3h的热稳定性低于3Cr2W8V钢,其硬度低2.5HRC。但其热稳定性略高于4Cr5MoSiV钢(1..0HRC)。

6.3 热疲劳性能(级别)

状态 20℃-650℃(1000次) 20℃-750℃(1000次)
A 7.4 16.6

在A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢650℃的热疲劳性能优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢,其热疲劳级别要低0.8级和1.2级;但4Cr5W2SiV钢750℃的热疲劳性能比3Cr2W8V钢的4Cr5MoSiV钢差,其热疲劳级别要高2.6级和2.0级。

6.4 热磨损性能(失重值mg)

(1)800-850℃ 压力784-850N

状态/次 300 600 900 1200 1500 2500
A 0.60 0.97 1.30 1.30 1.43 1.73

在A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢800-820℃2500次的热磨损性能优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢,其失重值要低3.67mg和0.9mg。

(2)910-950℃ 压力1764-1813N

状态/次 100 200 300 400 500 600 700 1000
A 0.8 1.53 1.93 2.63 3.60 4.47 5.17 6.72

在A硬度条件下,4Cr5W2SiV钢910-950℃ 1000次的热磨损性能略优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢,其失重值要低0.11mg和0.68mg。

7 工艺性能

7.1 淬火温度对硬度的影响

温度/℃ 960 1000 1080 1150
硬度HRC 53.5 52.0 60.0 62.5

7.2 回火稳定性(1060℃ 油淬硬度55-56HRC)

温度/℃ 二次硬化峰温度 二次硬化 高硬度 585 635 665 675
硬度/HRC 500-550℃ 54 49 42 36 35

4Cr5W2SiV钢有二次硬化现象。在同样保温2h条件下该钢与3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢相比,其二次硬化峰温度范围较宽,但高硬度却几乎相同。4Cr5W2SiV钢要达到49、42和36HRC,其回火温度分别比3Cr2W8V钢低45、35和30℃;但比4Cr5MoSiV钢要高20、20和15℃。

7.3 锻造性能(高温形变抗力)

性能 800℃ 900℃ 1000℃ 1100℃ 1200℃
σb/MPa 103.41 111.37 62.23 44.17 25.92
δ5 ,% 67.3 73.8 54.3 65.6 67.1

在800-1200℃温度下,4Cr5W2SiV钢的变形抗力小于3Cr2W8V钢。其中800-1000℃的σb小于3Cr2W8V钢27.39-31.99MPa,而δ5值却大于6.0%-11.1%;随着锻造温度的升高其差值逐渐缩小,如在1100-1200℃时σb值小于3Cr2W8V钢5.65-10.11MPa,δ5值大于4.1%-6.5%。同样4Cr5W2SiV钢在800-900℃的变形抗力小于4Cr5MoSiV钢,如σb值低2.86-7.47MPa,δ5值高3.0%-7.5%;在1000℃二者的变形抗力相似,如其σb值低4.39MPa,但δ5值也低11.1%;在1100-1200℃的变形抗力大于4Cr5MoSiV钢,如σb值高1.0-5.32MPa,δ5值低11.7%-23.3%,其中以1200℃时的差值小。

7.4 切削性能

(1)热作模具钢退火后切削力经验公式:

Pz=A?VB?αp?fD

式中 Pz?切削力、V?切削速度、αp?切削深度、f?走刀量。

参数 A B C D
退火态204HB 3193.0 -0.293 0.922 0.756

(2)切削力PZ/N

切削条件 f(mm/r)
0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
V=9m/min,αp=1.0mm 359.9 457.0 526.6 614.8 737.4
V=15m/min,αp=1.0mm 338.3 465.8 520.7 582.5 629.5

 

切削条件 αp(mm)
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
V=9m/min,f=0.1mm/r 221.6 371.6 504.0 555.0 703.1 859.0
V=9m/min,f=0.2mm/r 305.0 582.5 725.6 997.3 1253.2 1564.1
V=15m/min,f=0.1mm/r 127.5 259.9 393.2 520.7 698.2 798.2
V=15m/min,f=0.2mm/r 199.2 488.3 731.5 791.3 1235.6 1529.7

4Cr5W2SiV钢3Cr2W8V钢相比,其退火硬度低22HB。当切削条件V、αp、f都与3Cr2W8V钢相同时,其Pz值比3Cr2W8V钢小。如在V=9m/min,αp=1.0mm条件下,f在0.10-0.25mm/r之间变化,其Pz要减少19.6-100.0N;在V=9m/min,f=0.1mm/r条件下,αp在1.0-3.0mm之间变化,其Pz要减少15.7-228.5N;在V=9m/min,f=0.2mm/r条件下,αp在1.0-3.0mm之间变化,其Pz要减少16.6-238.2N;在V=15m/min,f=0.1mm/r条件下,αp在0.5-3.0mm之间变化,其Pz要减少38.2-243.2N;在V=15m/min,f=0.2mm/r条件下,αp在0.5-3.0mm之间变化,其Pz要减少4.9-233.4N。但也发现在V=15m/min,αp=1.0mm时,f在0.10-0.25mm/r之间变化,其Pz值要增加22.5-83.4N的现象。总的来说4Cr5W2SiV钢的可切削性能优于3Cr2W8V钢。

同样与4Cr5MoSiV钢相比可切削性能较差,如在V=9m/min和V=15m/min,αp=1.0mm条件下,f在0.10-0.30mm/r之间变化;以及在V=9m/min,f=0.1mm/r和f=0.2mm/r条件下,αp在0.5-3.0mm之间变化,其Pz值都要比4Cr5MoSiV钢高,只有在V=15m/min,f=0.1mm/r和f=0.2mm/r条件下,αp在0.5-3.0mm之间变化,其Pz值双4Cr5MoSiV钢小,可切削性能才优于4Cr5MoSiV钢。



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