5.3 4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1鋼

5.3.1 4Cr5MoSiV鋼

1.性能特點

4Cr5MoSiV（H11）鋼是一種空冷硬化的熱作模具鋼。該鋼在中溫條件下具有很好的韌性，較好的熱強度、熱疲勞性能和一定的耐磨性，在較低的奧氏體化溫度下進行空淬，熱處理變形小，空淬時產(chǎn)生氧化皮的傾向小，而且可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用。

該鋼是以Cr、Mo為主的合金模具鋼，較能適應(yīng)噴水強制冷卻，用于擠壓模，其壽命與所擠壓的材料、擠壓比密切相關(guān)，當加工變形抗力大的金屬材料或擠壓比高的情況下，凹模與芯棒的壽命大為縮短。

該鋼制作的鋁合金壓鑄模的疲勞性能與工件硬度有關(guān)，過高的硬度將會導致模具早期的疲勞失效，使模具壽命縮短。

2.化學成分、臨界點及對應(yīng)牌號（見表5-37）

表5-37 4Cr5MoSiV鋼的化學成分、臨界點及對應(yīng)牌號

3.熱處理工藝（見表5-38）

表5-38 4Cr5MoSiV鋼熱處理工藝

4.力學性能

4Cr5MoSiV鋼不同溫度回火后的力學性能見表5-39。4Cr5MoSiV鋼高溫力學性能見表5-40及圖5-28。

表5-39 4Cr5MoSiV鋼不同溫度回火后的力學性能

注：1000℃油淬。

表5-40 4Cr5MoSiV鋼高溫力學性能

注：1000℃空淬，580℃回火。

5.淬透性曲線

4Cr5MoSiV鋼淬透性曲線見圖5-29。

6.應(yīng)用

1）適于制造螺栓模、熱切邊模及鋁合金壓鑄模。

2）當進行輕合金擠壓時，凹模墊塊和心軸材料主要采用4Cr5MoSiV，熱處理硬度為45～50HRC。壓力筒內(nèi)襯材料采用4Cr5MoSiV時，硬度應(yīng)為42～47HRC。

3）制造銅和銅合金熱擠壓模具凹模和墊塊則采用4Cr5MoSiV，芯棒材料仍選用4Cr5MoSiV。當擠壓含Ni較高的Cu-Ni合金時，芯棒頭及鑲塊有時采用Ni基高溫合金制造，擠壓筒內(nèi)襯也采用Ni基高溫合金制造。

4）適用于應(yīng)力龜裂危險較大的熱作模具，壽命為5CrNiMo鋼的1.5～3倍。

5）4Cr5MoSiV鋼制連桿鍛模鹽浴淬火。汽車發(fā)動機連桿鍛模外形尺寸為340mm×180mm×70mm，在25MN機械壓力機上鍛造，材料為40MnB。鍛模熱處理工藝為850℃預(yù)熱，1020℃加熱油淬，610℃×2h×2次回火，硬度為39～44HRC。

6）4Cr5MoSiV鋼制鋁合金壓鑄模等溫淬火。鹽浴等溫淬火工藝為：620℃、850℃兩次預(yù)熱，1030℃加熱，620℃中性鹽浴中分級3～4min，立即轉(zhuǎn)入320℃硝鹽中等溫2～2.5h，在帶有風扇且有保護裝置的井式爐中回火，605℃×2h×2次。硬度為40～42HRC，模具壽命為7萬～10萬件。

圖5-28 4Cr5MoSiV鋼高溫力學性能

注：1000℃空淬，580℃回火。

圖5-29 4Cr5MoSiV淬透性曲線

5.3.2 4Cr5MoSiV1鋼

1.性能特點

4Cr5MoSiV1（H13）鋼和4Cr5MoSiV鋼一樣，也是一種空冷硬化型熱作模具鋼。這種鋼為電渣重熔鋼，是當今世界上普遍使用的強韌兼具的鋼種。與4Cr5MoSiV鋼相比，具有較高的熱強度和硬度；在中溫條件下具有很好的韌性、熱疲勞性和一定的耐磨性，在較低的奧氏體化溫度條件下空淬，熱處理變形小，空淬時產(chǎn)生氧化皮的傾向小，而且可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用。在高溫時也有較好的強度和硬度，高的耐磨性和韌性，優(yōu)良的綜合力學性能和較高的耐回火性。模具最高使用溫度不宜超過600℃。

2.化學成分、臨界點及相應(yīng)牌號（見表5-41）

表5-41 4Cr5MoSiV1鋼的化學成分、臨界點及對應(yīng)牌號

3.熱處理工藝（見表5-42）

表5-42 4Cr5MoSiV1鋼熱處理工藝

4.力學性能

4Cr5MoSiV1鋼不同溫度回火后的室溫力學性能見圖5-31。4Cr5MoSiV1鋼高溫力學性能見圖5-32。

5.等溫轉(zhuǎn)變圖

4Cr5MoSiV1鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖見圖5-33。

6.應(yīng)用

（1）4Cr5MoSiV1鋼制重載汽車發(fā)動機凸輪軸鍛模箱式電爐加熱淬火850℃預(yù)熱，1050℃加熱油淬，610℃回火兩次，模具壽命較5CrNiMo提高1倍多。

（2）4Cr5MoSiV1鋼汽車轉(zhuǎn)向前接頭熱鍛模鹽浴淬火850℃預(yù)熱，1030℃熱油淬，620～640℃回火兩次，硬度為42～47HRC。

圖5-30 4Cr5MoSiV1鋼淬火溫度同硬度、晶粒度的關(guān)系

圖5-31 4Cr5MoSiV1鋼不同溫度回火后的室溫力學性能

注：1020℃油淬，兩次回火。

（3）4Cr5MoSiV1鋼制熱拉深模沖頭鹽浴淬火620℃、850℃兩次預(yù)熱，1020℃加熱，油淬，630℃、610℃各回火1次，硬度為40～45HRC。

（4）4Cr5MoSiV1鋼制熱作模具等溫淬火 管子鉗活動鉗口熱鍛模和固定鉗口兩半模，850℃預(yù)熱，1030℃加熱，250℃等溫，600℃兩次回火。

（5）4Cr5MoSiV1鋼制熱擠壓模高溫淬火 剪刀熱壓平成形模采用高溫淬火，模具平均壽命達到1.8萬～2萬件，遠遠高于其他方法處理的同類模具。具體工藝如下：

1）鍛造余熱淬火+高溫回火，以調(diào)質(zhì)代替原等溫退火工藝。

2）600、850℃兩次鹽浴預(yù)熱。

3）淬火加熱溫度由常規(guī)1020～1030℃提高到1080℃，加熱時間可縮短。

圖5-32 4Cr5MoSiV1鋼高溫力學性能

注：1020℃油淬，580℃兩次回火。

4）560℃鹽浴分級后空冷。

5）560℃×2h×2次回火，回火后硬度為54HRC。

鹽浴高溫淬火可以提高模具的壽命，采用真空高溫淬火同樣可以提高模具壽命。4Cr5MoSiV1鋼制鋁合金壓鑄模1080℃真空加熱淬火，600℃×2h+580℃×2h回火，模具壽命比常規(guī)處理提高2～3倍。

（6）4Cr5MoSiV1鋼制鋁合金熱擠壓模低溫淬火600℃、830℃兩次預(yù)熱，950～960℃加熱油淬，油冷至200℃左右出油空冷，580℃×2h×2次回火，硬度為52～53HRC。

（7）4Cr5MoSiV1鋼制推土機鏈軌節(jié)熱鍛模真空淬火 模具外形尺寸為540mm×220mm×80mm，模具在25000kN和40000kN機械熱模鍛壓機上使用。鍛件材料為35MnB，毛重4.8kg。1020～1030℃真空淬火，610～630℃回火后硬度為44～46HRC。

（8）4Cr5MoSiV1鋼制模兩次分級淬火 現(xiàn)場生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，不少單位在處理4Cr5MoSiV1鋼熱模時，鹽浴奧氏體化后，往往采取600℃、280～300℃兩次分級淬火工藝。

4Cr5MoSiV1鋼制彈體熱擠壓沖頭1030℃鹽浴加熱，600℃、280℃各分級10min，650～660℃×2h×2次回火，硬度為39～41HRC，壽命由400～500次提到3000次。

圖5-33 4Cr5MoSiV1鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖

注：用鋼成分（質(zhì)量分數(shù)，%）：0.40C，1.05Si，5.0Cr，

1.35Mo，1.10V；奧氏體化溫度1010℃。

（9）4Cr5MoSiV1制熱擠壓模氣體O-S-N共滲 共滲劑為工業(yè)用NH₃及SO₂，減壓脫水后經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計導入爐內(nèi)，570℃×3.5h共滲后，得到8～12μm化合物層，125～130μm的擴散層，次表面層硬度在1200HV以上，模具在16800kN擠壓機上進行壽命考核，一次擠壓鋁合金型材8～12t，較常規(guī)處理提高3倍多。

（10）4Cr5MoSiV1鋼制熱擠模氣體S-N-C共滲 共滲劑以二硫化碳、酒精溶液作滴注劑，氨氣為滲劑。580℃×4h共滲后，白亮層深度為12～16μm，擴散層深度為0.24～0.28mm，硬度為1000～1050HV。

（11）4Cr5MoSiV1鋼制鋁型材熱擠壓模B-N-C共滲 模具外形尺寸為φ250mm×40mm，在使用前經(jīng)550℃預(yù)熱，在臥式擠壓機上工作，在大于200MPa的壓力下，將400～450℃的鋁錠擠壓成形。共滲工藝為：600℃×1h滲氮+930～950℃×5～6h B-N-C共滲+1000～1020℃油淬+530～550℃×2h×2次回火。經(jīng)上述工藝處理后，表面為Fe₂B相，硬度為1400～1800HV。模具的使用壽命由常規(guī)處理的1.3t提高到3～4t，達到美國同類模具2～5t的水平。

（12）4Cr5MoSiV1鋼制熱擠壓模鹽浴滲鉻930℃×2h滲碳，然后980℃×4h滲鉻，隨爐升溫至1020℃×1h，360℃分級淬火，560℃×2h+540℃×2h回火。

（13）4Cr5MoSiV1鋼熱作模具C-N-O-S-B五元共滲 五元共滲前先經(jīng)真空淬火回火，然后在氣體滲氮爐進行五元共滲，并加入稀土催滲：540～560℃×4～5h，共滲劑滴量為90滴/min，出爐后油冷至150℃出爐空冷。

2011年第7期《金屬熱處理》報道了廣西大學等單位對4Cr5MoSiV1鋼進行RE-N-C-S-V-Nb多元共滲工藝的試驗研究，優(yōu)化的工藝為：預(yù)滲處理570℃×3.5h+鹽浴淬火1010℃×1.2h+鹽浴回火575℃×4h。模具表面形成7～8μm高硬度和高熔點的釩、鈮氮碳化合物滲層，且過渡層厚達82～90μm。

（14）4Cr5MoSiV1鋼制望遠鏡外殼壓鑄模高淬高回工藝 將淬火溫度由常規(guī)的1020～1030℃提高到1100℃，鹽浴加熱，分級淬火或油淬，600℃回火后硬度為51～52HRC。

（15）4Cr5MoSiV1鋼制熱模高壓氣淬工藝 一般小型復(fù)雜模具硬度要求46～48HRC，簡單模具要求48～52HRC；中型模具復(fù)雜件硬度要求42～44HRC，大型模具復(fù)雜件要求40～42HRC，簡單件要求42～46HRC。加熱溫度為1030～1040℃。

（16）4Cr5MoSiV1鋼制熱模滲氮處理 微型車前閘鋁合金壓鑄模要求基體硬度為32～38HRC，氣體滲氮。首先進行1030℃加熱淬火，650～670℃回火，硬度為32～38HRC；然后進行氣體滲氮，低于300℃入爐，在450℃保溫2h；分兩段滲氮：520～530℃×10h+550～560℃×8h。模具表面硬度為894～1018HV，滲層達0.11～0.13mm。

鋁型材擠壓模的滲氮工藝為：1030℃加熱油淬，600℃×2h+580℃×2h回火，硬度為46～50HRC。成品模具經(jīng)540～560℃×10h氣體滲氮。