模具钢材5Cr2NiMoVSi的特性及应用
模具钢材5Cr2NiMoVSi的特性及应用
模具钢材5Cr2NiMoVSi的特性及应用
5Cr2NiMoVSi模具钢是在5CrNiMo和4Cr5MoSiV(H11)钢的基础上研制的新钢种。强度高于5CrNiMo模具钢而稍低于4Cr5MoSiV(H11)钢；冲击韧性高于5CrNiMo钢和4Cr5MoSiv(H11)钢；淬透性接近5CrNiMo钢。加热时奥氏体晶粒长大倾向小，热处理温度范围较宽，有利于大尺寸模块长时间加热保温。特别是，钢的热稳定性高于5CrNiMo钢，接近于4Cr5MoSiv(H11)钢。因此特别适合于与锻件接触时间较长因而模具工作面温升较高的压力机锻模，和模锻锤锻模。
虽然5Cr2NiMoVSi模具钢未纳入GBT1299-2000《合金工具钢》国家标准，但已在实际生产中应用多年，效果亦好。是值得试用推广的热锻模具新钢种。
1 5Cr2NiMoVSi模具钢的化学成分与性能
1.1 5Cr2NiMoVSi模具钢的化学成分
C0.46~0.53;Si0.6~0.9;Mn0.4~0.6;Cr1.54~2.00;Ni0.8~1.2;Mo0.8~1.2;V0.3~0.5;P≤0.03S；≤0.03。
1.2 5Cr2NiMoVSi模具钢的物理性能
临界点 Ac1 Ac3 Ar3 Ar1 Ms
温度(近似值)℃ 750 874 751 623 243
热导率λ(室温)•W/(m•k)：33.5。
比热容Cp(室温)•J/(Kg•k)：501.6。
2 5Cr2NiMoVSi模具钢的热加工与锻造
加热温度℃ 始锻温度℃ 终锻温度℃ 冷却℃
1180~1200 1140~1160 850~900 缓冷(坑或砂冷)
热加工锻造是模具制造工艺过程中的重要工序，模具锻造质量的优劣，直接影响到模具热处理质量的优劣，关系到模具的使用寿命。锻造的目的不仅是为了将坯料锻造成所需要的形状，更重要的是可以改善和提高模具的性能，保证模具的使用寿命。
模具钢经合理锻造后，有如下效果：
A.使块状、网状、带状碳化物破碎，分布均匀。
B.改变模具中流线的方向，使流线合理分布。
C.改善模具中的气孔，疏松，提高钢的比重和致密度。
3 5Cr2NiMoVSi模具钢的热处理工艺
3.1 预先热处理
5Cr2NiMoVSi模具钢等温退火后的组织为粒状珠光体+极少量未溶碳化物(合金渗碳体.M23C6和少量M6C、Mc，总含量为6.79％)硬度为220-230HBW。
3.2 淬火工艺规范
5Cr2NiMoVSi模具钢的淬火温度范围较宽，可在960-1010℃范围内选择。在此温度范围内加热，钢的奥氏体晶粒度在9-10级之间，温度升到1060℃时，奥氏体晶粒开始急剧长大。
5Cr2NiMoVSi模具钢的淬火加热和冷却工艺，是影响模具变形和开裂，获得理想淬火组织和理想力学性能的关键。由于锤锻模具尺寸较大，在冷却过程中产生的热应力及组织应力也很大，因此，锤锻模淬火冷却前要进行适当的预冷。一般应预冷至钢的，AC3温度附近，既880℃左右。预冷的方式：一是模具随炉预冷，均温后出炉淬火冷却；二是出炉在空气中预冷，小模块(≤250mm)的预冷时间3-5min，大模块(≥300mm)约5-8min。然后放入30-80℃的油中冷却。为了冷却均匀，最好进行搅拌冷却。锻模一般冷至约150-200℃时就应从油槽中取出，并立即回火。这时既可根据经验确定：模具提出油面时冒青烟而不再着火；也可以使用红外测温仪确定。锻模在油中淬火冷却的时间请参照表4。
5Cr2NiMoVSi模具钢在960-1010℃温度范围内淬火后的组织为板条马氏体+孪晶马氏体及少量残余奥氏体。淬火后硬度为54-61HRC。
3.3 回火工艺规范
5Cr2NiMoVSi模具钢具有较好的回火抗力，经550℃回火后仍能保持高硬度(51-53HRC)。经600℃回火后，硬度为47-48HRC，650℃回火后下降为42-44HRC。而5CrNiMo钢经650℃回火后硬度不足30HRC。可见5Cr2NiMoVSi钢的热稳定性比5CrNiMo钢高出150℃左右。在450-550℃范围内回火时，从基体中析出M2C和VC等碳化物，具有较高的弥散度，产生二次硬化效应。
由于大、中、小型模具的硬度要求不同，截面尺寸(主要是高度H)也不同，因此推荐的回火温度范围也较宽(请参照表5)。
一般情况下，由于模具淬火应力很大，如果回火时加热速度过快，会产生新的应力，也常会使模具的变形或开裂的可能性增大，所以在回火加热时，应采用等温预热分段加热回火形式。预热温度不应高于350℃，高于350℃时，模具心部的残余奥氏体将向上贝氏体转变，不仅会降低模具的强度，而且会显著降低模具的冲击韧性。因此等温预热的温度一般取280℃左右，此温度下，残余奥氏体将向下贝氏体转变。由于下贝氏体具有高的强韧性和冲击韧性，因而获得下贝氏体组织是有利于提高模具的使用寿命。
由于5Cr2NiMoVSi钢含有0.80-1.20％的Mo，因此对第二类回火脆性并不敏感，所以回火后的冷却可采用空冷。虽然慢冷对钢的冲击韧性略有降低，但绝对值仍然满足技术条件要求。
在生产条件下，常常采用一次回火。但由于回火不足(特别是大、中型模块)，在生产中经常发生采用一次回火(加上回火时问短)后，模具极易产生开裂，有的甚至在未使用的情况下产生开裂。因此，在第一次回火后，应当再进行第二次回火，将模具的内应力降至最低。
第二次回火必须在第一次回火后模具冷却至室温，使残余奥氏体充分转变后才能进行。第二次回火温度应低于第一次回火温度约10℃左右。
4 5Cr2NiMoVSi模具钢热处理后的力学性能。
5Cr2NiMoVSi钢经960-1010℃加热淬火，600-680℃加热回火后，可获得较高的综合力学性能。
4.1 5Cr2NiMoVSi模具钢985℃淬火后的力学性能。
4.2 5Cr2NiMoVSi模具钢的高温强度
5Cr2NiMoVSi钢在500℃以下试验时，高温强度与5CrNiMo钢相近，当试验温度高于600℃时， 5Cr2NiMoVSi模具钢的高温强度比5CrNiMo钢高出一倍以上。这与5CrNiMo钢中的M3C碳化物在高温下易聚集长大有关。
4.3 5Cr2NiMoVSi模具钢高温冲击韧度
500-550℃是模具工作面的工作温度范围，在此温度下，5CrNiMo钢的冲击韧度处于谷值，而5Cr2NiMoVSi钢的冲击韧度仅有少许下降，比5CrNiMo钢高出一倍。
5 5Cr2NiMoVSi模具钢在汽车前轴锻模中的应用
东风EQ140型汽车前轴锻模的尺寸为1825×395×300mm，热处理后的硬度要求为37-41HRC。锻模在工作中所受的冲击力比较小，但与锻件接触的时间长。模具表面的工作温度较高。因此要求模具有高的高温强度、耐磨性、抗回火稳定性及耐热疲劳性。
原前轴模在采用5CrNiMo钢制造时，由于热稳定性及强度低，不能满足压力机模具对性能的要求，使用中常因热磨损和热裂严重而失效，使用寿命一般为5500-6000件。在改用5Cr2NiMoVSi钢制造后，使用寿命显著提高。
按上述热处理工艺生产的5Cr2NiMoVSi钢制前轴锻模的使用寿命达到了9000件左右，比5CrNiMo钢提高了50％左右，效果比较明显。
5Cr2NiMoVSi模具钢是在5CrNiMo和4Cr5MoSiV(H11)钢的基础上研制的新钢种。强度高于5CrNiMo模具钢而稍低于4Cr5MoSiV(H11)钢；冲击韧性高于5CrNiMo钢和4Cr5MoSiv(H11)钢；淬透性接近5CrNiMo钢。加热时奥氏体晶粒长大倾向小，热处理温度范围较宽，有利于大尺寸模块长时间加热保温。特别是，钢的热稳定性高于5CrNiMo钢，接近于4Cr5MoSiv(H11)钢。因此特别适合于与锻件接触时间较长因而模具工作面温升较高的压力机锻模，和模锻锤锻模。
虽然5Cr2NiMoVSi模具钢未纳入GBT1299-2000《合金工具钢》国家标准，但已在实际生产中应用多年，效果亦好。是值得试用推广的热锻模具新钢种。
1 5Cr2NiMoVSi模具钢的化学成分与性能
1.1 5Cr2NiMoVSi模具钢的化学成分
C0.46~0.53;Si0.6~0.9;Mn0.4~0.6;Cr1.54~2.00;Ni0.8~1.2;Mo0.8~1.2;V0.3~0.5;P≤0.03S；≤0.03。
1.2 5Cr2NiMoVSi模具钢的物理性能
临界点 Ac1 Ac3 Ar3 Ar1 Ms
温度(近似值)℃ 750 874 751 623 243
热导率λ(室温)•W/(m•k)：33.5。
比热容Cp(室温)•J/(Kg•k)：501.6。
2 5Cr2NiMoVSi模具钢的热加工与锻造
加热温度℃ 始锻温度℃ 终锻温度℃ 冷却℃
1180~1200 1140~1160 850~900 缓冷(坑或砂冷)
热加工锻造是模具制造工艺过程中的重要工序，模具锻造质量的优劣，直接影响到模具热处理质量的优劣，关系到模具的使用寿命。锻造的目的不仅是为了将坯料锻造成所需要的形状，更重要的是可以改善和提高模具的性能，保证模具的使用寿命。
模具钢经合理锻造后，有如下效果：
A.使块状、网状、带状碳化物破碎，分布均匀。
B.改变模具中流线的方向，使流线合理分布。
C.改善模具中的气孔，疏松，提高钢的比重和致密度。
3 5Cr2NiMoVSi模具钢的热处理工艺
3.1 预先热处理
5Cr2NiMoVSi模具钢等温退火后的组织为粒状珠光体+极少量未溶碳化物(合金渗碳体.M23C6和少量M6C、Mc，总含量为6.79％)硬度为220-230HBW。
3.2 淬火工艺规范
5Cr2NiMoVSi模具钢的淬火温度范围较宽，可在960-1010℃范围内选择。在此温度范围内加热，钢的奥氏体晶粒度在9-10级之间，温度升到1060℃时，奥氏体晶粒开始急剧长大。
5Cr2NiMoVSi模具钢的淬火加热和冷却工艺，是影响模具变形和开裂，获得理想淬火组织和理想力学性能的关键。由于锤锻模具尺寸较大，在冷却过程中产生的热应力及组织应力也很大，因此，锤锻模淬火冷却前要进行适当的预冷。一般应预冷至钢的，AC3温度附近，既880℃左右。预冷的方式：一是模具随炉预冷，均温后出炉淬火冷却；二是出炉在空气中预冷，小模块(≤250mm)的预冷时间3-5min，大模块(≥300mm)约5-8min。然后放入30-80℃的油中冷却。为了冷却均匀，最好进行搅拌冷却。锻模一般冷至约150-200℃时就应从油槽中取出，并立即回火。这时既可根据经验确定：模具提出油面时冒青烟而不再着火；也可以使用红外测温仪确定。锻模在油中淬火冷却的时间请参照表4。
5Cr2NiMoVSi模具钢在960-1010℃温度范围内淬火后的组织为板条马氏体+孪晶马氏体及少量残余奥氏体。淬火后硬度为54-61HRC。
3.3 回火工艺规范
5Cr2NiMoVSi模具钢具有较好的回火抗力，经550℃回火后仍能保持高硬度(51-53HRC)。经600℃回火后，硬度为47-48HRC，650℃回火后下降为42-44HRC。而5CrNiMo钢经650℃回火后硬度不足30HRC。可见5Cr2NiMoVSi钢的热稳定性比5CrNiMo钢高出150℃左右。在450-550℃范围内回火时，从基体中析出M2C和VC等碳化物，具有较高的弥散度，产生二次硬化效应。
由于大、中、小型模具的硬度要求不同，截面尺寸(主要是高度H)也不同，因此推荐的回火温度范围也较宽(请参照表5)。
一般情况下，由于模具淬火应力很大，如果回火时加热速度过快，会产生新的应力，也常会使模具的变形或开裂的可能性增大，所以在回火加热时，应采用等温预热分段加热回火形式。预热温度不应高于350℃，高于350℃时，模具心部的残余奥氏体将向上贝氏体转变，不仅会降低模具的强度，而且会显著降低模具的冲击韧性。因此等温预热的温度一般取280℃左右，此温度下，残余奥氏体将向下贝氏体转变。由于下贝氏体具有高的强韧性和冲击韧性，因而获得下贝氏体组织是有利于提高模具的使用寿命。
由于5Cr2NiMoVSi钢含有0.80-1.20％的Mo，因此对第二类回火脆性并不敏感，所以回火后的冷却可采用空冷。虽然慢冷对钢的冲击韧性略有降低，但绝对值仍然满足技术条件要求。
在生产条件下，常常采用一次回火。但由于回火不足(特别是大、中型模块)，在生产中经常发生采用一次回火(加上回火时问短)后，模具极易产生开裂，有的甚至在未使用的情况下产生开裂。因此，在第一次回火后，应当再进行第二次回火，将模具的内应力降至最低。
第二次回火必须在第一次回火后模具冷却至室温，使残余奥氏体充分转变后才能进行。第二次回火温度应低于第一次回火温度约10℃左右。
4 5Cr2NiMoVSi模具钢热处理后的力学性能。
5Cr2NiMoVSi钢经960-1010℃加热淬火，600-680℃加热回火后，可获得较高的综合力学性能。
4.1 5Cr2NiMoVSi模具钢985℃淬火后的力学性能。
4.2 5Cr2NiMoVSi模具钢的高温强度
5Cr2NiMoVSi钢在500℃以下试验时，高温强度与5CrNiMo钢相近，当试验温度高于600℃时， 5Cr2NiMoVSi模具钢的高温强度比5CrNiMo钢高出一倍以上。这与5CrNiMo钢中的M3C碳化物在高温下易聚集长大有关。
4.3 5Cr2NiMoVSi模具钢高温冲击韧度
500-550℃是模具工作面的工作温度范围，在此温度下，5CrNiMo钢的冲击韧度处于谷值，而5Cr2NiMoVSi钢的冲击韧度仅有少许下降，比5CrNiMo钢高出一倍。
5 5Cr2NiMoVSi模具钢在汽车前轴锻模中的应用
东风EQ140型汽车前轴锻模的尺寸为1825×395×300mm，热处理后的硬度要求为37-41HRC。锻模在工作中所受的冲击力比较小，但与锻件接触的时间长。模具表面的工作温度较高。因此要求模具有高的高温强度、耐磨性、抗回火稳定性及耐热疲劳性。
原前轴模在采用5CrNiMo钢制造时，由于热稳定性及强度低，不能满足压力机模具对性能的要求，使用中常因热磨损和热裂严重而失效，使用寿命一般为5500-6000件。在改用5Cr2NiMoVSi钢制造后，使用寿命显著提高。
按上述热处理工艺生产的5Cr2NiMoVSi钢制前轴锻模的使用寿命达到了9000件左右，比5CrNiMo钢提高了50％左右，效果比较明显。