5.2 5CrMnMo、5CrNiMo钢

5.2.1 5CrMnMo钢

1.性能特点

5CrMnMo是高韧性锤锻模具钢，钢中加入Cr，可以提高淬透性、高温强度和抗氧化能力；加入Mo主要是为了抑制回火脆性，提高耐回火性。该钢具有良好的韧性、强度和耐磨性，对回火脆性不敏感，淬透性好。淬火工艺对提高模具的强韧性、表面抗热疲劳性以及使用寿命有重要的影响。热稳定性、抗热疲劳性好。与5CrNiMo钢的各项性能基本相似，是在考虑我国资源情况的基础上，为节约Ni而以Mn代之，淬透性稍差，高温下的耐热疲劳性稍逊色于5CrNiMo钢。正火可细化金相组织，改善力学性能，高温回火可以降低钢的硬度。高温回火软化工艺可以作为小型热作模锻坯、旧模具翻新前的软化处理。当该钢淬火温度提高到900～950℃时，可得到几乎是单一的低碳马氏体组织，可利用表面强化工艺，提高模具的耐磨性及寿命。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-31）

表5-31 5CrMnMo钢的化学成分、临界点及对应牌号

3.热处理工艺（见表5-32）

表5-32 5CrMnMo钢热处理工艺

4.力学性能

5CrMnMo钢常温力学性能与回火温度的关系见图5-20。5CrMnMo钢高温力学性能见图5-21。

图5-20 5CrMnMo钢的常温力学性能与回火温度的关系

a）R_m、a_K与回火温度的关系b）A、Z与回火温度的关系注：R_m、a_K、A、Z分别表示抗拉强度、冲击韧度、伸长率、断面收缩率。

图5-21 5CrMnMo钢高温力学性能

注：淬火温度为850℃，空冷；回火温度为600℃。

5.淬透性

5CrMnMo钢淬透性曲线如图5-22所示。

6.应用

5CrMnMo钢广泛用于锌、铝及其合金压铸模、热压模、各种锻模、塑料模具；用于大、中型热锻模块（厚度为300～500mm）；可取代T10A、9SiCr、Cr12MoV钢制造较大截面的冷镦模；是各种剪冲工具、精压模、冷镦模的基本材料。具体应用实例如下。

（1）5CrMnMo钢制连接环热锻模复合等温处理 煤矿用井下运输机连接环的热锻模，其外形尺寸为230mm×175mm×91mm，要求硬度为42～44HRC。模具锻坯最后一火锻好后不要缓冷，而是利用锻造余热油淬和高温回火，代替原来的普通退火；将淬火温度提高到890～900℃，可得到较多的板条马氏体，从而提高了韧性；在油中冷到200℃左右，立即转入260℃硝盐中等温，450℃回火。

（2）5CrMnMo钢齿轮坯热锻模复合等温处理CA-10B型从动弧齿锥齿轮热锻模，硬度要求40～44HRC。600℃×4min/mm预热，860℃×2min/mm盐浴加热，出炉后空冷至约780℃淬入60～80℃油中，油冷至150～200℃时转入280℃硝盐中等温2～3h，出炉后空冷，500℃×2min/mm回火，280℃×2～3h去应力。

图5-22 5CrMnMo钢淬透性曲线

（3）5CrMnMo钢制铝合金尾翅热锻模高温淬火 模具外形尺寸为480mm×270mm×250mm。淬火加热温度由850℃提高到900℃左右，可获得较多的板条马氏体组织，具有高的强度、塑性和断裂韧度，不仅寿命高，而且模腔上所形成的疲劳裂纹很浅，不易扩展，便于翻新。

（4）5CrMnMo钢制热锻模预冷淬火500℃×2min/mm空气炉预热，890℃×1min/mm盐浴炉加热，出炉后预冷至780～810℃油淬至180～200℃，转移到280℃硝盐中等温2～3h，或在带有风扇的井式炉中于280℃×4h等温，500℃×2min/mm+280℃×3h两次回火。前者特别适合小模具，后者适用于中小型模具。

也有的单位采用890～900℃加热后，出炉预冷至810～820℃油淬，油冷至180～200℃立即转入280℃的井式炉中缓冷5～6h，然后随炉升温至500～520℃回火，最后补充300℃×6h去应力。此工艺适合大型或特大型锤锻模的热处理。

（5）5CrMnMo钢制锻锤模高温淬火 外形尺寸为350mm×350mm×250mm，910℃加热淬火，在热油中冷却50min，500℃×2h×2次回火，硬度为40～42HRC。锻造40Cr钢毛坯8000件，模具完好无损，使用寿命比常规淬火提高两倍多。

（6）5CrMnMo钢热锻模强韧化处理2t锤锻模采用910℃正火+760℃淬火+500℃×2h回火，韧性大提高，模具的使用寿命由3000件提高到8000件。

某工具厂在750kg空气锤上，锻打φ100mm×6mm高速钢三面刃铣刀，按常规处理的上锤头，锻打不到1万件就会出现崩裂或开裂，采用低温淬火强韧化处理，上锤头的寿命超过3万件，且不会开裂。强韧处理工艺为：910℃正火，780～800℃加热淬热油，460～480℃回火；在150kg空气锤上锻打φ60～φ80mm的薄片高速钢铣刀毛坯，采用900℃淬油+840℃退火的预备热处理工艺，经机械加工后，降温至800℃淬热油；480℃回火。锻锤寿命由2万件上升到5万件。

（7）5CrMnMo钢制拉深模渗碳 石油液化气钢瓶封头，是用3mm厚的20钢板冷压成形的。钢板的直径为300mm，承受压力约7×10⁵ N。冷压封头的拉深模选用5CrMnMo钢渗碳制造，使用寿命由原来的不足1000次提高到7000多次。渗碳淬火工艺参数为：920～930℃气体渗碳，降温至820～850℃油淬，或缓冷后重新加热淬火，820～830℃油淬，油冷至180～200℃出油空冷，200℃×5h硝盐回火。

（8）5CrMnMo钢热锻模稀土碳氮共渗 模具毛坯先等温退火，经860℃稀土碳氮共渗后降温至780～810℃，油淬，油冷至180～200℃，迅速转入280～300℃井式炉中等温2～3h，490～500℃×5～6h+180～200℃回火后空冷。

（9）5CrMnMo钢制连杆热锻模氮硼复合渗5CrMnMo钢柴油机连杆热锻模采用固体硼氮复合渗，获得单一的Fe₂B相。由于氮的渗入，改变了相成分，减少了渗层脆性，提高了渗层的断裂强度、塑性与韧性。具体工艺为：580℃×4h渗氮+900℃×7h渗硼油淬+280℃×6h等温+500℃×5h回火。采用900℃淬火，可获得板条马氏体，280℃等温可获得下贝氏体组织，再在500℃回火获得M/B_下的复相组织。经B-N复合渗处理的连杆热锻模寿命比常规处理提高4～7倍。

（10）5CrMnMo钢热锻模碳氮共渗淬火与低温氮碳共渗复合处理 先进行碳氮共渗，850～900℃高温淬火，再经550℃高温回火。经碳氮共渗淬火，热锻模有较高的硬度（>62HRC）与耐回火性。再进行540℃×4h气体氮碳共渗，使之具有抗氧化、抗咬合擦伤能力、良好的耐磨性和减摩性，提高了模具的承载能力、抗挤压能力及高温强度，降低了模膛塌陷倾向，从而提高了使用寿命。

（11）5CrMnMo钢制齿轮坯热锻模硼铝共渗 固体粉末渗硼铝900℃×5h，油淬，油冷至180～200℃立即转入280℃硝盐中等温4h，于480℃×5h回火。

（12）超高温热处理工艺 某厂5CrMnMo钢制热锻模多年沿用830～850℃淬火，480～500℃回火的常规工艺，硬度为41～47HRC，锻造连接环2500件左右就产生龟裂失效。为了改善这一状况，试用超高温淬火获得了成功，具体工艺为：500～600℃×2min/mm预热，900～920℃×1min/mm，淬入40～80℃油中，油冷至200℃左右出油空冷。用干燥干净的棉纱头擦去表面油渍，立即回火，回火在带有风扇的井式炉中进行，300℃入炉，先在360～400℃预热2h，再升至500～520℃×4～5h，出炉后油冷，再补充160～180℃×4h去应力。硬度为42～46HRC。

对于5CrMnMo钢超过900℃以上的高温淬火被认为禁区，本例是偶然还是必然，有待实践进一步检验论证。

（13）气体C、N、B三元共渗 外形尺寸为220mm×200mm×100mm的5CrMnMo钢制热锻模，采用890～900℃×5～6h气体C、N、B三元共渗，780～800℃油淬，400～420℃×6h回火。模具表面硬度为65.5～67HRC，基体硬度为47～48HRC，共渗层深度为0.55～0.57mm。

（14）5CrMnMo钢制冷冲头等温淬火φ80mm×120mm冲头，采用等温淬火后寿命提高10倍。具体工艺为：850℃×45min盐浴加热，260℃×2h硝盐等温处理，空冷；240℃×2h回火，空冷。硬度为52～54HRC。

5.2.2 5CrNiMo钢

1.性能特点

5CrNiMo钢是合金元素含量较低的合金工具钢，和5CrMnMo钢一样都是传统的热锻模钢，但5CrNiMo钢具有良好的韧性，同时有良好的强度和耐磨性，室温的力学性能与500～600℃时几乎相同，加热到500℃时，仍能保持300HBW以上的硬度。由于钢中含有钼，因而对回火脆性不敏感；但由于碳化物形成元素含量低，二次硬化效应差，所以热稳定性不高。从600℃缓冷下来，冲击韧度稍有下降。

5CrNiMo钢有良好的淬透性，300mm×400mm×300mm大的模坯，在820℃油淬和500℃回火后，截面各部分硬度几乎一致。因此，5CrNiMo钢广泛用来制造各类的大、中型热锻模，也可以用来制造塑料模。

2.化学成分、临界点及对应牌号（见表5-33）

表5-33 5CrNiMo钢的化学成分、临界点及对应牌号

3.热处理工艺（见表5-34）

表5-34 5CrNiMo钢热处理工艺

（续）

生产实践证明，随着淬火温度的提高，5CrNiMo钢的组织以板条马氏体为主，而板条马氏体比针状马氏体具有更高的韧性，同时钢中的碳化物溶解更充分，使钢的一系列性能发生变化，断裂韧度有所提高，耐回火性和热稳定性也得到提高。淬火温度提高后，能推迟热疲劳裂纹的产生。

淬火组织为板条马氏体+9%左右（体积分数）的残留奥氏体。

4.力学性能

淬火及回火温度对5CrNiMo钢冲击韧度的影响见表5-35。力学性能和回火温度的关系见图5-23。高温力学性能见图5-24。冲击韧度与硬度应对的关系见图5-25。回火后的冷却速度对冲击值的影响见图5-26。

表5-35 淬火及回火温度对5CrNiMo钢冲击韧度的影响

图5-23 力学性能与回火温度的关系

注：840℃淬火。

图5-24 高温力学性能

注：试验钢化学成分（质量分数，%）：0.52C，0.32Si，0.69Mn，1.63Ni，0.66Cr，0.23Mo；试验试样调质硬度为41.2HRC。

图5-25 冲击韧度与硬度的关系

图5-26 回火后的冷却速度对冲击值的影响

5.淬透性

5CrNiMo钢淬透性数据如表5-36所示。5CrNiMo钢淬透性曲线如图5-27所示。

表5-36 5CrNiMo钢淬透性数据

6.应用

（1）5CrNiMo钢制热锻模高温加热预冷等温淬火 外形尺寸为450mm×280mm×280mm较大热锻模采用井式炉于930～950℃×5～6h高温加热，出炉后预冷至800℃左右油淬，油冷至180～200℃后立即投入到240～280℃的硝盐中等温6h，出炉后空冷，470℃×2h×2次回火。模具寿命较常规处理提高4倍。

（2）5CrNiMo钢制热锻模分级等温淬火 割草机曲柄热锻模分别经910℃、950℃加热，油冷至180～200℃立即进行260～280℃×2h等温淬火，450℃2h×2次回火，模具寿命提高4倍多；法兰盘热锻模860℃加热，热油分级后320℃×2h等温淬火，460℃×3h回火，寿命由8500件上升到13000件；外形尺寸为2700mm×180mm×100mm的热锻模经分级等温淬火，使用寿命提高了0.3倍。

图5-27 5CrNiMo钢淬透性曲线

（3）5CrNiMo钢锤锻模水-气混合淬火工艺 前苏联在5XHM钢锤锻模热处理中采用水-气混合淬火新工艺，使模具的使用寿命较常规处理提高0.5倍。

（4）5CrNiMo钢锤锻模整体预热局部加热淬火 曲柄轴锤锻模外形尺寸为300mm×250mm×200mm，采用整体预热局部加热淬火的特殊工艺，使模具的使用寿命提高10倍以上，具体工艺为：

1）前处理工艺500℃预热+850℃加热+250℃等温淬火+500℃回火。

2）高频感应局部淬火 制作特殊的感应器，对相关部位进行淬火。淬火后180℃×3h回火，模膛表面硬度为56～58HRC，基体仍为42～45HRC理想硬度。

（5）5CrNiMo制热锻模硼-稀土共渗5CrNiMo钢制连杆成形模经900℃×3h硼-稀土共渗后出炉，预冷至780～800℃热油淬火，油冷至200℃左右立即入260～280℃硝盐中等温3h，经560℃×2h×2次回火，表面硬度为1650HV。

（6）5CrNiMo钢制热锻模复合强韧化处理5CrNiMo钢制扳手热锻模常规淬火回火，寿命不高，现改为锻造余热淬火+高温回火，用调质代替原球化退火，机械加工成成品后，先经550～560℃渗氮，再经830～850℃渗硼。渗硼后不要出炉，直接升温至940～950℃，并保温一段时间，出炉后预冷至830～840℃，淬入150～170℃的热油中，油冷至200℃左右，转入260～280℃硝盐中等温1.5h，540～550℃×2h×2次回火。按上述工艺处理的模具，寿命提高4～6倍。

（7）5CrNiMo钢制轴承套圈模渗锰207、208是两种常用轴承，其滚子套圈用5CrNiMo钢热锻成形，采用固体渗锰工艺，930～950℃×6～8h，渗层厚度达0.01～0.02mm。渗锰层虽然很薄，但它有很高的硬度、耐磨性、耐疲劳性能和小的脆性，因而使模具获得很高的寿命。

（8）5CrNiMo钢热锻模膏剂硼钛共渗 以B₄C为供硼剂、工业钛粉为供钛剂、NaF与NH₄Cl为活化剂，工业铬粉为稳定与促渗剂、FeO粉为填充剂与防氧化剂。930℃×4h共渗后出炉空冷，表面硬度为1400～1800HV。

（9）5CrNiMo钢制热锻模液体渗硼 先经450～500℃×2h空气炉预热，930℃×5h渗硼，渗硼结束后出炉空冷至800℃左右油淬，450～480℃回火。

（10）5CrNiMo钢制热锻模铬钒共渗 渗剂成分（质量分数，%）：50Cr-Fe+43A12O₃+5钒粉+2NH₄Cl，1050℃×5h。模具经铬钒共渗后，抗高温氧化能力比常规处理提高3倍，耐磨性更好。