5.3 4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1钢

5.3.1 4Cr5MoSiV钢

1.性能特点

4Cr5MoSiV(H11)钢是一种空冷硬化的热作模具钢。该钢在中温条件下具有很好的韧性,较好的热强度、热疲劳性能和一定的耐磨性,在较低的奥氏体化温度下进行空淬,热处理变形小,空淬时产生氧化皮的倾向小,而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。

该钢是以Cr、Mo为主的合金模具钢,较能适应喷水强制冷却,用于挤压模,其寿命与所挤压的材料、挤压比密切相关,当加工变形抗力大的金属材料或挤压比高的情况下,凹模与芯棒的寿命大为缩短。

该钢制作的铝合金压铸模的疲劳性能与工件硬度有关,过高的硬度将会导致模具早期的疲劳失效,使模具寿命缩短。

2.化学成分、临界点及对应牌号(见表5-37)

表5-37 4Cr5MoSiV钢的化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺(见表5-38)

表5-38 4Cr5MoSiV钢热处理工艺

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4.力学性能

4Cr5MoSiV钢不同温度回火后的力学性能见表5-39。4Cr5MoSiV钢高温力学性能见表5-40及图5-28。

表5-39 4Cr5MoSiV钢不同温度回火后的力学性能

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注:1000℃油淬。

表5-40 4Cr5MoSiV钢高温力学性能

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注:1000℃空淬,580℃回火。

5.淬透性曲线

4Cr5MoSiV钢淬透性曲线见图5-29。

6.应用

1)适于制造螺栓模、热切边模及铝合金压铸模。

2)当进行轻合金挤压时,凹模垫块和心轴材料主要采用4Cr5MoSiV,热处理硬度为45~50HRC。压力筒内衬材料采用4Cr5MoSiV时,硬度应为42~47HRC。

3)制造铜和铜合金热挤压模具凹模和垫块则采用4Cr5MoSiV,芯棒材料仍选用4Cr5MoSiV。当挤压含Ni较高的Cu-Ni合金时,芯棒头及镶块有时采用Ni基高温合金制造,挤压筒内衬也采用Ni基高温合金制造。

4)适用于应力龟裂危险较大的热作模具,寿命为5CrNiMo钢的1.5~3倍。

5)4Cr5MoSiV钢制连杆锻模盐浴淬火。汽车发动机连杆锻模外形尺寸为340mm×180mm×70mm,在25MN机械压力机上锻造,材料为40MnB。锻模热处理工艺为850℃预热,1020℃加热油淬,610℃×2h×2次回火,硬度为39~44HRC。

6)4Cr5MoSiV钢制铝合金压铸模等温淬火。盐浴等温淬火工艺为:620℃、850℃两次预热,1030℃加热,620℃中性盐浴中分级3~4min,立即转入320℃硝盐中等温2~2.5h,在带有风扇且有保护装置的井式炉中回火,605℃×2h×2次。硬度为40~42HRC,模具寿命为7万~10万件。

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图5-28 4Cr5MoSiV钢高温力学性能

注:1000℃空淬,580℃回火。

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图5-29 4Cr5MoSiV淬透性曲线

5.3.2 4Cr5MoSiV1钢

1.性能特点

4Cr5MoSiV1(H13)钢和4Cr5MoSiV钢一样,也是一种空冷硬化型热作模具钢。这种钢为电渣重熔钢,是当今世界上普遍使用的强韧兼具的钢种。与4Cr5MoSiV钢相比,具有较高的热强度和硬度;在中温条件下具有很好的韧性、热疲劳性和一定的耐磨性,在较低的奥氏体化温度条件下空淬,热处理变形小,空淬时产生氧化皮的倾向小,而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。在高温时也有较好的强度和硬度,高的耐磨性和韧性,优良的综合力学性能和较高的耐回火性。模具最高使用温度不宜超过600℃。

2.化学成分、临界点及相应牌号(见表5-41)

表5-41 4Cr5MoSiV1钢的化学成分、临界点及对应牌号

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3.热处理工艺(见表5-42)

表5-42 4Cr5MoSiV1钢热处理工艺

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4.力学性能

4Cr5MoSiV1钢不同温度回火后的室温力学性能见图5-31。4Cr5MoSiV1钢高温力学性能见图5-32。

5.等温转变图

4Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变图见图5-33。

6.应用

(1)4Cr5MoSiV1钢制重载汽车发动机凸轮轴锻模箱式电炉加热淬火850℃预热,1050℃加热油淬,610℃回火两次,模具寿命较5CrNiMo提高1倍多。

(2)4Cr5MoSiV1钢汽车转向前接头热锻模盐浴淬火850℃预热,1030℃热油淬,620~640℃回火两次,硬度为42~47HRC。

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图5-30 4Cr5MoSiV1钢淬火温度同硬度、晶粒度的关系

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图5-31 4Cr5MoSiV1钢不同温度回火后的室温力学性能

注:1020℃油淬,两次回火。

(3)4Cr5MoSiV1钢制热拉深模冲头盐浴淬火620℃、850℃两次预热,1020℃加热,油淬,630℃、610℃各回火1次,硬度为40~45HRC。

(4)4Cr5MoSiV1钢制热作模具等温淬火 管子钳活动钳口热锻模和固定钳口两半模,850℃预热,1030℃加热,250℃等温,600℃两次回火。

(5)4Cr5MoSiV1钢制热挤压模高温淬火 剪刀热压平成形模采用高温淬火,模具平均寿命达到1.8万~2万件,远远高于其他方法处理的同类模具。具体工艺如下:

1)锻造余热淬火+高温回火,以调质代替原等温退火工艺。

2)600、850℃两次盐浴预热。

3)淬火加热温度由常规1020~1030℃提高到1080℃,加热时间可缩短。

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图5-32 4Cr5MoSiV1钢高温力学性能

注:1020℃油淬,580℃两次回火。

4)560℃盐浴分级后空冷。

5)560℃×2h×2次回火,回火后硬度为54HRC。

盐浴高温淬火可以提高模具的寿命,采用真空高温淬火同样可以提高模具寿命。4Cr5MoSiV1钢制铝合金压铸模1080℃真空加热淬火,600℃×2h+580℃×2h回火,模具寿命比常规处理提高2~3倍。

(6)4Cr5MoSiV1钢制铝合金热挤压模低温淬火600℃、830℃两次预热,950~960℃加热油淬,油冷至200℃左右出油空冷,580℃×2h×2次回火,硬度为52~53HRC。

(7)4Cr5MoSiV1钢制推土机链轨节热锻模真空淬火 模具外形尺寸为540mm×220mm×80mm,模具在25000kN和40000kN机械热模锻压机上使用。锻件材料为35MnB,毛重4.8kg。1020~1030℃真空淬火,610~630℃回火后硬度为44~46HRC。

(8)4Cr5MoSiV1钢制模两次分级淬火 现场生产中发现,不少单位在处理4Cr5MoSiV1钢热模时,盐浴奥氏体化后,往往采取600℃、280~300℃两次分级淬火工艺。

4Cr5MoSiV1钢制弹体热挤压冲头1030℃盐浴加热,600℃、280℃各分级10min,650~660℃×2h×2次回火,硬度为39~41HRC,寿命由400~500次提到3000次。

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图5-33 4Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变图

注:用钢成分(质量分数,%):0.40C,1.05Si,5.0Cr,

1.35Mo,1.10V;奥氏体化温度1010℃。

(9)4Cr5MoSiV1制热挤压模气体O-S-N共渗 共渗剂为工业用NH3及SO2,减压脱水后经转子流量计导入炉内,570℃×3.5h共渗后,得到8~12μm化合物层,125~130μm的扩散层,次表面层硬度在1200HV以上,模具在16800kN挤压机上进行寿命考核,一次挤压铝合金型材8~12t,较常规处理提高3倍多。

(10)4Cr5MoSiV1钢制热挤模气体S-N-C共渗 共渗剂以二硫化碳、酒精溶液作滴注剂,氨气为渗剂。580℃×4h共渗后,白亮层深度为12~16μm,扩散层深度为0.24~0.28mm,硬度为1000~1050HV。

(11)4Cr5MoSiV1钢制铝型材热挤压模B-N-C共渗 模具外形尺寸为φ250mm×40mm,在使用前经550℃预热,在卧式挤压机上工作,在大于200MPa的压力下,将400~450℃的铝锭挤压成形。共渗工艺为:600℃×1h渗氮+930~950℃×5~6h B-N-C共渗+1000~1020℃油淬+530~550℃×2h×2次回火。经上述工艺处理后,表面为Fe2B相,硬度为1400~1800HV。模具的使用寿命由常规处理的1.3t提高到3~4t,达到美国同类模具2~5t的水平。

(12)4Cr5MoSiV1钢制热挤压模盐浴渗铬930℃×2h渗碳,然后980℃×4h渗铬,随炉升温至1020℃×1h,360℃分级淬火,560℃×2h+540℃×2h回火。

(13)4Cr5MoSiV1钢热作模具C-N-O-S-B五元共渗 五元共渗前先经真空淬火回火,然后在气体渗氮炉进行五元共渗,并加入稀土催渗:540~560℃×4~5h,共渗剂滴量为90滴/min,出炉后油冷至150℃出炉空冷。

2011年第7期《金属热处理》报道了广西大学等单位对4Cr5MoSiV1钢进行RE-N-C-S-V-Nb多元共渗工艺的试验研究,优化的工艺为:预渗处理570℃×3.5h+盐浴淬火1010℃×1.2h+盐浴回火575℃×4h。模具表面形成7~8μm高硬度和高熔点的钒、铌氮碳化合物渗层,且过渡层厚达82~90μm。

(14)4Cr5MoSiV1钢制望远镜外壳压铸模高淬高回工艺 将淬火温度由常规的1020~1030℃提高到1100℃,盐浴加热,分级淬火或油淬,600℃回火后硬度为51~52HRC。

(15)4Cr5MoSiV1钢制热模高压气淬工艺 一般小型复杂模具硬度要求46~48HRC,简单模具要求48~52HRC;中型模具复杂件硬度要求42~44HRC,大型模具复杂件要求40~42HRC,简单件要求42~46HRC。加热温度为1030~1040℃。

(16)4Cr5MoSiV1钢制热模渗氮处理 微型车前闸铝合金压铸模要求基体硬度为32~38HRC,气体渗氮。首先进行1030℃加热淬火,650~670℃回火,硬度为32~38HRC;然后进行气体渗氮,低于300℃入炉,在450℃保温2h;分两段渗氮:520~530℃×10h+550~560℃×8h。模具表面硬度为894~1018HV,渗层达0.11~0.13mm。

铝型材挤压模的渗氮工艺为:1030℃加热油淬,600℃×2h+580℃×2h回火,硬度为46~50HRC。成品模具经540~560℃×10h气体渗氮。