5.2 5CrMnMo、5CrNiMo鋼

5.2.1 5CrMnMo鋼

1.性能特點

5CrMnMo是高韌性錘鍛模具鋼，鋼中加入Cr，可以提高淬透性、高溫強度和抗氧化能力；加入Mo主要是為了抑制回火脆性，提高耐回火性。該鋼具有良好的韌性、強度和耐磨性，對回火脆性不敏感，淬透性好。淬火工藝對提高模具的強韌性、表面抗熱疲勞性以及使用壽命有重要的影響。熱穩定性、抗熱疲勞性好。與5CrNiMo鋼的各項性能基本相似，是在考慮我國資源情況的基礎上，為節約Ni而以Mn代之，淬透性稍差，高溫下的耐熱疲勞性稍遜色于5CrNiMo鋼。正火可細化金相組織，改善力學性能，高溫回火可以降低鋼的硬度。高溫回火軟化工藝可以作為小型熱作模鍛坯、舊模具翻新前的軟化處理。當該鋼淬火溫度提高到900～950℃時，可得到幾乎是單一的低碳馬氏體組織，可利用表面強化工藝，提高模具的耐磨性及壽命。

2.化學成分、臨界點及對應牌號（見表5-31）

表5-31 5CrMnMo鋼的化學成分、臨界點及對應牌號

3.熱處理工藝（見表5-32）

表5-32 5CrMnMo鋼熱處理工藝

4.力學性能

5CrMnMo鋼常溫力學性能與回火溫度的關系見圖5-20。5CrMnMo鋼高溫力學性能見圖5-21。

圖5-20 5CrMnMo鋼的常溫力學性能與回火溫度的關系

a）R_m、a_K與回火溫度的關系b）A、Z與回火溫度的關系注：R_m、a_K、A、Z分別表示抗拉強度、沖擊韌度、伸長率、斷面收縮率。

圖5-21 5CrMnMo鋼高溫力學性能

注：淬火溫度為850℃，空冷；回火溫度為600℃。

5.淬透性

5CrMnMo鋼淬透性曲線如圖5-22所示。

6.應用

5CrMnMo鋼廣泛用于鋅、鋁及其合金壓鑄模、熱壓模、各種鍛模、塑料模具；用于大、中型熱鍛模塊（厚度為300～500mm）；可取代T10A、9SiCr、Cr12MoV鋼制造較大截面的冷鐓模；是各種剪沖工具、精壓模、冷鐓模的基本材料。具體應用實例如下。

（1）5CrMnMo鋼制連接環熱鍛模復合等溫處理 煤礦用井下運輸機連接環的熱鍛模，其外形尺寸為230mm×175mm×91mm，要求硬度為42～44HRC。模具鍛坯最后一火鍛好后不要緩冷，而是利用鍛造余熱油淬和高溫回火，代替原來的普通退火；將淬火溫度提高到890～900℃，可得到較多的板條馬氏體，從而提高了韌性；在油中冷到200℃左右，立即轉入260℃硝鹽中等溫，450℃回火。

（2）5CrMnMo鋼齒輪坯熱鍛模復合等溫處理CA-10B型從動弧齒錐齒輪熱鍛模，硬度要求40～44HRC。600℃×4min/mm預熱，860℃×2min/mm鹽浴加熱，出爐后空冷至約780℃淬入60～80℃油中，油冷至150～200℃時轉入280℃硝鹽中等溫2～3h，出爐后空冷，500℃×2min/mm回火，280℃×2～3h去應力。

圖5-22 5CrMnMo鋼淬透性曲線

（3）5CrMnMo鋼制鋁合金尾翅熱鍛模高溫淬火 模具外形尺寸為480mm×270mm×250mm。淬火加熱溫度由850℃提高到900℃左右，可獲得較多的板條馬氏體組織，具有高的強度、塑性和斷裂韌度，不僅壽命高，而且模腔上所形成的疲勞裂紋很淺，不易擴展，便于翻新。

（4）5CrMnMo鋼制熱鍛模預冷淬火500℃×2min/mm空氣爐預熱，890℃×1min/mm鹽浴爐加熱，出爐后預冷至780～810℃油淬至180～200℃，轉移到280℃硝鹽中等溫2～3h，或在帶有風扇的井式爐中于280℃×4h等溫，500℃×2min/mm+280℃×3h兩次回火。前者特別適合小模具，后者適用于中小型模具。

也有的單位采用890～900℃加熱后，出爐預冷至810～820℃油淬，油冷至180～200℃立即轉入280℃的井式爐中緩冷5～6h，然后隨爐升溫至500～520℃回火，最后補充300℃×6h去應力。此工藝適合大型或特大型錘鍛模的熱處理。

（5）5CrMnMo鋼制鍛錘模高溫淬火 外形尺寸為350mm×350mm×250mm，910℃加熱淬火，在熱油中冷卻50min，500℃×2h×2次回火，硬度為40～42HRC。鍛造40Cr鋼毛坯8000件，模具完好無損，使用壽命比常規淬火提高兩倍多。

（6）5CrMnMo鋼熱鍛模強韌化處理2t錘鍛模采用910℃正火+760℃淬火+500℃×2h回火，韌性大提高，模具的使用壽命由3000件提高到8000件。

某工具廠在750kg空氣錘上，鍛打φ100mm×6mm高速鋼三面刃銑刀，按常規處理的上錘頭，鍛打不到1萬件就會出現崩裂或開裂，采用低溫淬火強韌化處理，上錘頭的壽命超過3萬件，且不會開裂。強韌處理工藝為：910℃正火，780～800℃加熱淬熱油，460～480℃回火；在150kg空氣錘上鍛打φ60～φ80mm的薄片高速鋼銑刀毛坯，采用900℃淬油+840℃退火的預備熱處理工藝，經機械加工后，降溫至800℃淬熱油；480℃回火。鍛錘壽命由2萬件上升到5萬件。

（7）5CrMnMo鋼制拉深模滲碳 石油液化氣鋼瓶封頭，是用3mm厚的20鋼板冷壓成形的。鋼板的直徑為300mm，承受壓力約7×10⁵ N。冷壓封頭的拉深模選用5CrMnMo鋼滲碳制造，使用壽命由原來的不足1000次提高到7000多次。滲碳淬火工藝參數為：920～930℃氣體滲碳，降溫至820～850℃油淬，或緩冷后重新加熱淬火，820～830℃油淬，油冷至180～200℃出油空冷，200℃×5h硝鹽回火。

（8）5CrMnMo鋼熱鍛模稀土碳氮共滲 模具毛坯先等溫退火，經860℃稀土碳氮共滲后降溫至780～810℃，油淬，油冷至180～200℃，迅速轉入280～300℃井式爐中等溫2～3h，490～500℃×5～6h+180～200℃回火后空冷。

（9）5CrMnMo鋼制連桿熱鍛模氮硼復合滲5CrMnMo鋼柴油機連桿熱鍛模采用固體硼氮復合滲，獲得單一的Fe₂B相。由于氮的滲入，改變了相成分，減少了滲層脆性，提高了滲層的斷裂強度、塑性與韌性。具體工藝為：580℃×4h滲氮+900℃×7h滲硼油淬+280℃×6h等溫+500℃×5h回火。采用900℃淬火，可獲得板條馬氏體，280℃等溫可獲得下貝氏體組織，再在500℃回火獲得M/B_下的復相組織。經B-N復合滲處理的連桿熱鍛模壽命比常規處理提高4～7倍。

（10）5CrMnMo鋼熱鍛模碳氮共滲淬火與低溫氮碳共滲復合處理 先進行碳氮共滲，850～900℃高溫淬火，再經550℃高溫回火。經碳氮共滲淬火，熱鍛模有較高的硬度（>62HRC）與耐回火性。再進行540℃×4h氣體氮碳共滲，使之具有抗氧化、抗咬合擦傷能力、良好的耐磨性和減摩性，提高了模具的承載能力、抗擠壓能力及高溫強度，降低了模膛塌陷傾向，從而提高了使用壽命。

（11）5CrMnMo鋼制齒輪坯熱鍛模硼鋁共滲 固體粉末滲硼鋁900℃×5h，油淬，油冷至180～200℃立即轉入280℃硝鹽中等溫4h，于480℃×5h回火。

（12）超高溫熱處理工藝 某廠5CrMnMo鋼制熱鍛模多年沿用830～850℃淬火，480～500℃回火的常規工藝，硬度為41～47HRC，鍛造連接環2500件左右就產生龜裂失效。為了改善這一狀況，試用超高溫淬火獲得了成功，具體工藝為：500～600℃×2min/mm預熱，900～920℃×1min/mm，淬入40～80℃油中，油冷至200℃左右出油空冷。用干燥干凈的棉紗頭擦去表面油漬，立即回火，回火在帶有風扇的井式爐中進行，300℃入爐，先在360～400℃預熱2h，再升至500～520℃×4～5h，出爐后油冷，再補充160～180℃×4h去應力。硬度為42～46HRC。

對于5CrMnMo鋼超過900℃以上的高溫淬火被認為禁區，本例是偶然還是必然，有待實踐進一步檢驗論證。

（13）氣體C、N、B三元共滲 外形尺寸為220mm×200mm×100mm的5CrMnMo鋼制熱鍛模，采用890～900℃×5～6h氣體C、N、B三元共滲，780～800℃油淬，400～420℃×6h回火。模具表面硬度為65.5～67HRC，基體硬度為47～48HRC，共滲層深度為0.55～0.57mm。

（14）5CrMnMo鋼制冷沖頭等溫淬火φ80mm×120mm沖頭，采用等溫淬火后壽命提高10倍。具體工藝為：850℃×45min鹽浴加熱，260℃×2h硝鹽等溫處理，空冷；240℃×2h回火，空冷。硬度為52～54HRC。

5.2.2 5CrNiMo鋼

1.性能特點

5CrNiMo鋼是合金元素含量較低的合金工具鋼，和5CrMnMo鋼一樣都是傳統的熱鍛模鋼，但5CrNiMo鋼具有良好的韌性，同時有良好的強度和耐磨性，室溫的力學性能與500～600℃時幾乎相同，加熱到500℃時，仍能保持300HBW以上的硬度。由于鋼中含有鉬，因而對回火脆性不敏感；但由于碳化物形成元素含量低，二次硬化效應差，所以熱穩定性不高。從600℃緩冷下來，沖擊韌度稍有下降。

5CrNiMo鋼有良好的淬透性，300mm×400mm×300mm大的模坯，在820℃油淬和500℃回火后，截面各部分硬度幾乎一致。因此，5CrNiMo鋼廣泛用來制造各類的大、中型熱鍛模，也可以用來制造塑料模。

2.化學成分、臨界點及對應牌號（見表5-33）

表5-33 5CrNiMo鋼的化學成分、臨界點及對應牌號

3.熱處理工藝（見表5-34）

表5-34 5CrNiMo鋼熱處理工藝

（續）

生產實踐證明，隨著淬火溫度的提高，5CrNiMo鋼的組織以板條馬氏體為主，而板條馬氏體比針狀馬氏體具有更高的韌性，同時鋼中的碳化物溶解更充分，使鋼的一系列性能發生變化，斷裂韌度有所提高，耐回火性和熱穩定性也得到提高。淬火溫度提高后，能推遲熱疲勞裂紋的產生。

淬火組織為板條馬氏體+9%左右（體積分數）的殘留奧氏體。

4.力學性能

淬火及回火溫度對5CrNiMo鋼沖擊韌度的影響見表5-35。力學性能和回火溫度的關系見圖5-23。高溫力學性能見圖5-24。沖擊韌度與硬度應對的關系見圖5-25。回火后的冷卻速度對沖擊值的影響見圖5-26。

表5-35 淬火及回火溫度對5CrNiMo鋼沖擊韌度的影響

圖5-23 力學性能與回火溫度的關系

注：840℃淬火。

圖5-24 高溫力學性能

注：試驗鋼化學成分（質量分數，%）：0.52C，0.32Si，0.69Mn，1.63Ni，0.66Cr，0.23Mo；試驗試樣調質硬度為41.2HRC。

圖5-25 沖擊韌度與硬度的關系

圖5-26 回火后的冷卻速度對沖擊值的影響

5.淬透性

5CrNiMo鋼淬透性數據如表5-36所示。5CrNiMo鋼淬透性曲線如圖5-27所示。

表5-36 5CrNiMo鋼淬透性數據

6.應用

（1）5CrNiMo鋼制熱鍛模高溫加熱預冷等溫淬火 外形尺寸為450mm×280mm×280mm較大熱鍛模采用井式爐于930～950℃×5～6h高溫加熱，出爐后預冷至800℃左右油淬，油冷至180～200℃后立即投入到240～280℃的硝鹽中等溫6h，出爐后空冷，470℃×2h×2次回火。模具壽命較常規處理提高4倍。

（2）5CrNiMo鋼制熱鍛模分級等溫淬火 割草機曲柄熱鍛模分別經910℃、950℃加熱，油冷至180～200℃立即進行260～280℃×2h等溫淬火，450℃2h×2次回火，模具壽命提高4倍多；法蘭盤熱鍛模860℃加熱，熱油分級后320℃×2h等溫淬火，460℃×3h回火，壽命由8500件上升到13000件；外形尺寸為2700mm×180mm×100mm的熱鍛模經分級等溫淬火，使用壽命提高了0.3倍。

圖5-27 5CrNiMo鋼淬透性曲線

（3）5CrNiMo鋼錘鍛模水-氣混合淬火工藝 前蘇聯在5XHM鋼錘鍛模熱處理中采用水-氣混合淬火新工藝，使模具的使用壽命較常規處理提高0.5倍。

（4）5CrNiMo鋼錘鍛模整體預熱局部加熱淬火 曲柄軸錘鍛模外形尺寸為300mm×250mm×200mm，采用整體預熱局部加熱淬火的特殊工藝，使模具的使用壽命提高10倍以上，具體工藝為：

1）前處理工藝500℃預熱+850℃加熱+250℃等溫淬火+500℃回火。

2）高頻感應局部淬火 制作特殊的感應器，對相關部位進行淬火。淬火后180℃×3h回火，模膛表面硬度為56～58HRC，基體仍為42～45HRC理想硬度。

（5）5CrNiMo制熱鍛模硼-稀土共滲5CrNiMo鋼制連桿成形模經900℃×3h硼-稀土共滲后出爐，預冷至780～800℃熱油淬火，油冷至200℃左右立即入260～280℃硝鹽中等溫3h，經560℃×2h×2次回火，表面硬度為1650HV。

（6）5CrNiMo鋼制熱鍛模復合強韌化處理5CrNiMo鋼制扳手熱鍛模常規淬火回火，壽命不高，現改為鍛造余熱淬火+高溫回火，用調質代替原球化退火，機械加工成成品后，先經550～560℃滲氮，再經830～850℃滲硼。滲硼后不要出爐，直接升溫至940～950℃，并保溫一段時間，出爐后預冷至830～840℃，淬入150～170℃的熱油中，油冷至200℃左右，轉入260～280℃硝鹽中等溫1.5h，540～550℃×2h×2次回火。按上述工藝處理的模具，壽命提高4～6倍。

（7）5CrNiMo鋼制軸承套圈模滲錳207、208是兩種常用軸承，其滾子套圈用5CrNiMo鋼熱鍛成形，采用固體滲錳工藝，930～950℃×6～8h，滲層厚度達0.01～0.02mm。滲錳層雖然很薄，但它有很高的硬度、耐磨性、耐疲勞性能和小的脆性，因而使模具獲得很高的壽命。

（8）5CrNiMo鋼熱鍛模膏劑硼鈦共滲 以B₄C為供硼劑、工業鈦粉為供鈦劑、NaF與NH₄Cl為活化劑，工業鉻粉為穩定與促滲劑、FeO粉為填充劑與防氧化劑。930℃×4h共滲后出爐空冷，表面硬度為1400～1800HV。

（9）5CrNiMo鋼制熱鍛模液體滲硼 先經450～500℃×2h空氣爐預熱，930℃×5h滲硼，滲硼結束后出爐空冷至800℃左右油淬，450～480℃回火。

（10）5CrNiMo鋼制熱鍛模鉻釩共滲 滲劑成分（質量分數，%）：50Cr-Fe+43A12O₃+5釩粉+2NH₄Cl，1050℃×5h。模具經鉻釩共滲后，抗高溫氧化能力比常規處理提高3倍，耐磨性更好。