《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第13章

第13章材料與成形工藝的選擇13.1材料與成形工藝選擇原則13.2材料與成形工藝選擇步驟與方法13.3典型零件的材料與成形工藝選擇13.4工程應(yīng)用案例——機(jī)床主軸選材及成形工藝分析習(xí)題與思考題13

13.1材料與成形工藝選擇原則

在機(jī)械零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造過程中，如何合理地選擇和使用金屬材料是一項(xiàng)十分重要的工作。不僅要考慮材料的性能是否能夠適應(yīng)零件的工作條件，使零件經(jīng)久耐用，而且要求材料有較好的加工工藝性能和經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性，以便提高零件的生產(chǎn)率，降低成本，減少消耗等。

選材時(shí)，要考慮材料的化學(xué)物理性能、機(jī)械性能和工藝性能，如密度、彈性模量、強(qiáng)度、韌性、耐蝕性、耐磨性、高溫和低溫強(qiáng)度、焊接性能、淬透性、熱處理變形量、可鍛性、切削性能、經(jīng)濟(jì)性等。選用材料要根據(jù)產(chǎn)品批量以及是常年需要（定型產(chǎn)品）或一次性生產(chǎn)（單件、單批生產(chǎn)），從使用性能、工藝和經(jīng)濟(jì)環(huán)保三方面來考慮。

13.1.1使用性能原則

在設(shè)計(jì)零件并進(jìn)行選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)零件的工作條件和損壞形式找出所選材料的主要使用性能指標(biāo)，這是保證零件經(jīng)久耐用的先決條件。如汽車、拖拉機(jī)或柴油機(jī)上的連桿螺栓，在工作時(shí)整個(gè)截面不僅承受均勻分布的拉應(yīng)力，而且拉應(yīng)力是周期變動(dòng)的，其損壞形式除了由于強(qiáng)度不足引起過量塑性變形而失效外，多數(shù)情況下是由于疲勞破壞而造成的斷裂。因此對(duì)連桿螺栓材料的機(jī)械性能，除了要求有高的屈服極限和強(qiáng)度極限外，還要求有高的疲勞強(qiáng)度。由于是整個(gè)截面均勻受力，因此材料的淬透性也需考慮。

零件實(shí)際受力條件是較復(fù)雜的，而且還應(yīng)考慮到短時(shí)過載、潤滑不良、材料內(nèi)部缺陷等因素，因此使用性能指標(biāo)經(jīng)常成為材料選用的主要依據(jù)。

在工程設(shè)計(jì)上，材料的使用性能數(shù)據(jù)一般是以該材料制成的試樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)測(cè)得的，它雖能表明材料性能的高低，但由于試驗(yàn)條件與機(jī)械零件實(shí)際工作條件有差異，因而嚴(yán)格來說，材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)仍不能確切地反映機(jī)械零件承受載荷的實(shí)際能力。即使這樣，目前用此法來進(jìn)行生產(chǎn)檢驗(yàn)還是存在著一定的困難。生產(chǎn)中最常用的比較方便的檢驗(yàn)性能的方法是檢驗(yàn)硬度，這是因?yàn)橛捕葯z驗(yàn)可以不破壞零件，而且硬度與其他機(jī)械性能之間存在一定關(guān)系。因此，零件圖紙上一般都以硬度作為主要的熱處理技術(shù)條件。

13.1.2工藝性能原則

材料的加工工藝性能主要有鑄造、壓力加工、切削加工、熱處理和焊接等性能。其加工工藝性能的好壞直接影響到零件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率及成本。所以，材料的工藝性能也是選材的重要依據(jù)之一。

（1）鑄造性能。一般是指熔點(diǎn)低、結(jié)晶溫度范圍小的合金才具有良好的鑄造性能。例如，合金中共晶成分鑄造性最好。

（2）壓力加工性能。它是指鋼材承受冷熱變形的能力。冷變形性能好的標(biāo)志是成型性良好，加工表面質(zhì)量高，不易產(chǎn)生裂紋；而熱變形性能好的標(biāo)志是接受熱變形的能力好，抗氧化性高，可變形的溫度范圍大及熱脆傾向小等。

（3）切削加工性能。刀具的磨損、動(dòng)力消耗及零件表面光潔度等是評(píng)定金屬材料切削加工性能好壞的標(biāo)志，也是合理選擇材料的重要依據(jù)之一。

（4）可焊性。衡量材料焊接性能的優(yōu)劣是以焊縫區(qū)強(qiáng)度不低于基體金屬和不產(chǎn)生裂紋為標(biāo)志的。

（5）熱處理。它是指鋼材在熱處理過程中所表現(xiàn)的行為。如過熱傾向、淬透性、回火脆性、氧化脫碳傾向以及變形開裂傾向等來衡量熱處理工藝性能的優(yōu)劣。

一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機(jī)械性能可以滿足一般零件工作條件的要求，因此碳鋼的用途較廣，但它的強(qiáng)度還不夠高，淬透性較差。所以，制造大截面、形狀復(fù)雜和高強(qiáng)度的淬火零件，常選用合金鋼，因?yàn)楹辖痄摯阃感院?、?qiáng)度高?？墒牵辖痄摰腻懺?、切削加工等工藝性能較差。通過改變工藝規(guī)范，調(diào)整工藝參數(shù)，改進(jìn)刀具和設(shè)備，變更熱處理方法等途徑，可以改善金屬材料的工藝性能。總之，良好的加工工藝性可以大大減少加工過程的動(dòng)力、材料消耗、縮短加工周期及降低廢品率等。優(yōu)良的加工工藝性能是降低產(chǎn)品成本的重要途徑。

13.1.3經(jīng)濟(jì)及環(huán)境友好性原則

每臺(tái)機(jī)器產(chǎn)品成本的高低是勞動(dòng)生產(chǎn)率和重要標(biāo)志。產(chǎn)品的成本主要包括原料成本、加工費(fèi)用、成品率以及生產(chǎn)管理費(fèi)用等。材料的選擇也要著眼于經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)國家資源，結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際加以考慮。此外，還應(yīng)考慮零件的壽命及維修費(fèi)，若選用新材料則還要考慮研究試驗(yàn)費(fèi)。

另外，目前全球環(huán)境日益惡化，選材時(shí)應(yīng)盡量滿足環(huán)保要求。選材時(shí)要以無毒、無害的材料代替有毒、有害的材料，盡量對(duì)材料采取循環(huán)利用和重復(fù)利用，對(duì)廢棄物進(jìn)行綜合利用，使生產(chǎn)過程中資源得到最大限度的利用，減少材料成形過程及廢物對(duì)環(huán)境的污染。

作為一個(gè)工程技術(shù)人員，在選材時(shí)必須了解我國工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，按國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國資源和生產(chǎn)條件，從實(shí)際出發(fā)全面考慮各方面因素。13.2材料與成形工藝選擇步驟與方法13.2.1材料與成形工藝選擇的基本步驟

材料與成形工藝選擇的基本步驟如下：首先根據(jù)使用工況及使用要求進(jìn)行材料選擇，然后根據(jù)所選材料，同時(shí)結(jié)合材料的成本、材料的成形工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件和技術(shù)條件等，選擇合適的成形工藝。

1.分析服役條件

分析機(jī)件的服役條件，找出零件在使用過程中具體的負(fù)荷情況、應(yīng)力狀態(tài)、溫度、腐蝕及磨損等情況。

大多數(shù)零件都在常溫大氣中使用，主要要求材料的力學(xué)性能。在其他條件下使用的零件，要求材料還必須有某些特殊的物理、化學(xué)性能。如在高溫條件下使用，要求零件材料有一定的高溫強(qiáng)度和抗氧化性；化工設(shè)備則要求材料有高的抗腐蝕性能；某些儀表零件要求材料具有電磁性能等。嚴(yán)寒地區(qū)使用的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)附加對(duì)低溫韌性的要求；在潮濕地區(qū)使用時(shí)，應(yīng)附加對(duì)耐大氣腐蝕性的要求等。

（1）通過分析或試驗(yàn)，結(jié)合同類材料失效分析的結(jié)果，確定允許材料使用的各項(xiàng)廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，如許用強(qiáng)度、許用應(yīng)變、許用變形量及使用時(shí)間等。

（2）找出主要和次要的廣義許用應(yīng)力指標(biāo)，以重要指標(biāo)作為選材的主要依據(jù)。

（3）根據(jù)主要性能指標(biāo)，選擇符合要求的幾種材料。

（4）根據(jù)材料的成形工藝性、零件的復(fù)雜程度、零件的生產(chǎn)批量、現(xiàn)有生產(chǎn)條件技術(shù)條件選擇材料生產(chǎn)的成形工藝。

（5）綜合考慮材料成本、成形工藝性、材料性能，使用的可靠性等，利用優(yōu)化方法選出最適用的材料。

（6）必要時(shí)選材要經(jīng)過試驗(yàn)投產(chǎn)，再進(jìn)行驗(yàn)證或調(diào)整。

上述只是選材步驟的一般規(guī)律，其工作量和耗時(shí)都是相當(dāng)大的。對(duì)于重要零件和新材料的選材，要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)性試驗(yàn)和批量試生產(chǎn)過程，以保證材料的使用安全性。對(duì)不太重要的批量小的零件，通常參照相同工況下同類材料的使用經(jīng)驗(yàn)來選擇材料，確定材料的牌號(hào)和規(guī)格，安排成形工藝。若零件屬于正常的損壞，則可選用原來的材料及成形工藝；若零件的損壞屬于非正常的早期破壞，應(yīng)找出引起失效的原因，并采取相應(yīng)的措施。如果是材料或其生產(chǎn)工藝的問題，可以考慮選用新材質(zhì)或新的成形工藝。

2.選材的依據(jù)

一般依據(jù)使用工況及使用要求進(jìn)行選材，可以從以下四方面考慮：

1）負(fù)荷情況

工程材料在使用過程中受到各種力的作用，有拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、切應(yīng)力、扭矩、沖擊力等。工程上主要承力件是傳遞動(dòng)力或承受載荷的機(jī)件，如軸和齒輪。材料在負(fù)荷下工作，其力學(xué)性能要求和失效形式是和負(fù)荷情況緊密相關(guān)的。

在工程實(shí)際中，任何機(jī)械和結(jié)構(gòu)，必須保證它們?cè)谕瓿蛇\(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，而能安全、可靠地工作。例如，要保證機(jī)床主軸的正常工作，則主軸既不允許折斷，也不允許受力后產(chǎn)生過度變形。又如千斤頂頂起重物時(shí)，其螺桿必須保持直線形式的平衡狀態(tài)，而不允許突然彎曲。對(duì)工程構(gòu)件來說，只有滿足了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，才能安全、可靠地工作。實(shí)際上，在材料力學(xué)中對(duì)材料的這三方面要求都有具體的使用條件。在分析材料的受力情況或根據(jù)受力情況進(jìn)行材料選擇時(shí)，除了要查閱有關(guān)材料力學(xué)性能手冊(cè)外，還必須應(yīng)用材料力學(xué)的有關(guān)知識(shí)科學(xué)選材。

在以力學(xué)性能為主選材時(shí)，主要考慮材料的強(qiáng)度、延展性、韌性指標(biāo)、彈性模量等。首先要清楚所需要的強(qiáng)度，是極限強(qiáng)度還是屈服強(qiáng)度，是拉伸強(qiáng)度還是壓縮強(qiáng)度。室溫下我們考慮屈服強(qiáng)度，高溫下考慮極限強(qiáng)度。如果使用拉伸強(qiáng)度，則應(yīng)當(dāng)考慮韌性較好的材料；如果是壓縮強(qiáng)度，反而考慮脆性材料，如鑄鐵陶瓷、石墨等。這些脆性材料都是化學(xué)鍵比較強(qiáng)的物質(zhì)，它們有較高的壓縮強(qiáng)度。如果在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下，屈服強(qiáng)度就失去意義了，必須考慮疲勞強(qiáng)度。

延展性是與強(qiáng)度同時(shí)考慮的，因?yàn)橐话闱闆r下，強(qiáng)度越高，材料的延展性越低。如果兩者都很重要，就需要認(rèn)真選擇。對(duì)金屬材料而言，降低晶粒尺寸能夠顯著提高強(qiáng)度而使延展性降低不大。在復(fù)合材料中，通過改變纖維的體積分?jǐn)?shù)與排列，可以提高延展性而使強(qiáng)度降低不大。

如果材料在使用過程中發(fā)生震動(dòng)或沖擊，就必須考慮材料的韌性。韌性的指標(biāo)采用沖擊韌度，但更科學(xué)的指標(biāo)是斷裂韌性KIC。金屬材料具有最高的韌性，高分子材料次之，而陶瓷材料沒有韌性。

彈性模量的大小表征物體變形的難易程度。它是反映材料剛性的主要指標(biāo)。

由于多數(shù)零件在使用時(shí)，既不允許折斷，也不允許產(chǎn)生過度變形。因此，根據(jù)材料的屈服強(qiáng)度來選材是工程上常用的方法。其方法是：

σs

≥K[σ]

（13-1）

其中，σs為所選材料的屈服強(qiáng)度；[σ]為機(jī)件在使用工況下的最大應(yīng)力；K為安全系數(shù)（對(duì)常溫靜載的塑性材料，一般取K=1.4~1.8；脆性材料，一般取K=2.0~3.5）。

這就是說，所選材料的屈服強(qiáng)度應(yīng)大于材料的最大工作應(yīng)力，同時(shí)必須留有一定的安全余量。根據(jù)這種方法進(jìn)行選材，能滿足多數(shù)情況下的強(qiáng)度需要。

上面是根據(jù)屈服強(qiáng)度進(jìn)行選材的基本方法。根據(jù)材料的實(shí)際使用工況，當(dāng)還要求其他力學(xué)性能指標(biāo)時(shí)，可參照式（13-1）的原理來進(jìn)行選材，即所選材料的該性能指標(biāo)應(yīng)大于工作時(shí)相應(yīng)的最大工作應(yīng)力。

幾種常見零件受力情況、失效形式及要求的力學(xué)性能如表13-1所示。

部分常用材料的力學(xué)性能如表13-2所示，各種材料的力學(xué)性能在使用時(shí)可參考相關(guān)的性能手冊(cè)。

表13-2部分常用材料的主要力學(xué)性能

2）材料的使用溫度

大多數(shù)材料都在常溫下使用，但是常溫也因地域和季節(jié)的不同而不同，有時(shí)能差幾十度。當(dāng)然還有許多在高溫或低溫下使用的材料。由于使用溫度不同，要求材料的性能也有很大差異。如各種工業(yè)爐用材，都必須能耐高溫；各種制冷設(shè)備用材，都必須能耐低溫；有些時(shí)候，還要求材料具備承受劇烈的溫度變化的能力。

隨著溫度的降低，鋼鐵材料的韌性和塑性不斷下降。當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，其韌性塑性顯著下降，這一溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。在低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度下使用時(shí)，材料容易發(fā)生低應(yīng)力脆斷，從而造成危害。因此，選擇低溫下使用的鋼鐵時(shí)，應(yīng)選用韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于使用工況的材料。各種低溫用鋼的合金化目的都在于降低碳含量，提高材料的低溫韌性。

隨著溫度的升高，鋼鐵材料的性能會(huì)發(fā)生一系列變化，主要是強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性先升高而后又降低，鋼鐵受高溫氧化或高溫腐蝕等。這些都對(duì)材料的性能產(chǎn)生的影響，甚至使材料失效。例如，一般碳鋼和鑄鐵的使用溫度不能超過200～300℃，而合金鋼的使用溫度能超過1150℃。一般地，陶瓷材料的耐熱性最高，鋼鐵材料次之，常用有色合金耐熱性較差，有機(jī)材料的耐熱性能最差。

3）受腐蝕情況

在工業(yè)上，一般用腐蝕速度的高低表示材料的耐蝕性的高低。腐蝕速度用單位時(shí)間內(nèi)單位面積上金屬材料的損失量來表示；也可用單位時(shí)間內(nèi)金屬材料的腐蝕深度來表示。工業(yè)上常用6類10級(jí)的耐蝕性評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)從Ⅰ類完全耐蝕到Ⅵ類不耐蝕。金屬材料耐蝕性的分類評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表13-3所示。

絕大多數(shù)工程材料都是在大氣環(huán)境中工作的，大氣腐蝕是一個(gè)普遍性的問題。大氣的濕度、溫度、日照、雨水及腐蝕性氣體含量對(duì)材料腐蝕影響很大。在常用合金中，碳鋼在工業(yè)大氣中的腐蝕速度為10~60μm/a，在需要時(shí)常涂覆油漆等保護(hù)層后使用。含有銅、磷、鎳、鉻等合金組分的低合金鋼，其耐大氣腐蝕性有較大提高，一般可不涂油漆直接使用。鋁、銅、鉛、鋅等合金耐大氣腐蝕很好。

碳鋼在淡水中的腐蝕速度與水中溶解的氧的濃度有關(guān)，鋼鐵在含有礦物質(zhì)的水中腐蝕速度較慢?？刂其撹F在淡水中腐蝕的常用辦法是添加緩蝕劑。海水中由于有氯離子的存在，鐵鑄鐵、低合金鋼和中合金鋼在海水中不能鈍化，腐蝕作用較明顯。鋼鐵在海水中的腐蝕速度為0.13mm/a，鋁、銅、鉛、鋅的腐蝕速度均在0.02mm/a以下。碳鋼、低合金鋼和鑄鐵在各種土壤中的腐蝕速度沒有明顯差別，均為0.2~0.4mm/a。

各種材料在20℃水溶液中的耐腐蝕性能如表13-4所示；常用陶瓷耐腐蝕性如表13-5所示。在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況從相關(guān)手冊(cè)中查閱材料的耐腐蝕性。

4）耐磨損情況

影響材料耐磨性的因素如下：

（1）

材料本身的性能。它包括硬度、韌性、加工硬化的能力、導(dǎo)熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、表面狀態(tài)等。

（2）摩擦條件。它包括相磨物質(zhì)的特性、摩擦?xí)r的壓力、溫度速度、潤滑劑的特性、腐蝕條件等。

一般來說，硬度高的材料不易為相磨的物體刺入或犁入，而且疲勞極限一般也較高，故耐磨性也較高；如同時(shí)具備較高的韌性，即使被刺入或犁入，也不致被成塊撕掉，可以提高耐磨性。因此，硬度是耐磨性的主要方面。并且硬度在使用過程中也是可變的。易于加工硬化的金屬在摩擦過程中變硬，而易于受熱軟化的金屬會(huì)在摩擦中軟化。

鋼鐵的耐磨性及其與硬度的關(guān)系如表13-6所示。表中，高碳高錳的奧氏體鋼，雖然硬度低，但在磨損過程中產(chǎn)生加工硬化，因而具有較低的磨損系數(shù)。

13.2.2材料與成形工藝選擇的具體方法

一般而言，當(dāng)產(chǎn)品的材料確定后，其成形工藝的類型就大體確定了。例如，產(chǎn)品為鑄鐵件，則應(yīng)選鑄造成形；產(chǎn)品為薄板成形件，則應(yīng)選塑性成形中的成形；產(chǎn)品為ABS塑料件，則應(yīng)選注塑成形；產(chǎn)品為陶瓷件，則應(yīng)選相應(yīng)的陶瓷成形工藝等。然而，成形工藝對(duì)材料的性能也產(chǎn)生一定的影響，因此在選擇成形工藝中，還必須考慮材料的各種性能，如力學(xué)性能、使用性能及某些特殊性能等。一般在選擇時(shí)根據(jù)以下幾個(gè)方面進(jìn)行選擇。

1.產(chǎn)品材料的性能

（1）材料的力學(xué)性能。例如，材料為鋼的齒輪零件，當(dāng)其力學(xué)性能要求不高時(shí)，可采用鑄造成形工藝；而力學(xué)性能要求高時(shí)，則應(yīng)選用壓力加工成形工藝。

（2）材料的使用性能。例如，若選用鋼材模鍛成形工藝制造小轎車、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的飛輪零件，由于轎車轉(zhuǎn)速高，要求行駛平穩(wěn)，在使用中不允許飛輪鍛件有纖維外露，以免產(chǎn)生腐蝕，影響其使用性能，故不宜采用開式模鍛成形工藝，而應(yīng)采用閉式模鍛成形工藝。這是因?yàn)?，開式模鍛成形工藝只能鍛造出帶有飛邊的飛輪鍛件，在隨后進(jìn)行的切除飛邊修整工序中，鍛件的纖維組織會(huì)被切斷而外露；而閉式模鍛工藝鍛造的鍛件沒有飛邊，可克服此缺點(diǎn)。

（3）材料的工藝性能。材料的工藝性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能及切削加工性能等。例如，易氧化和吸氣的非鐵金屬材料的焊接性差，其連接就宜采用氬弧焊接工藝，而不宜采用普通的手弧焊接工藝。又如，聚四氟乙烯材料，盡管它也屬于熱塑性塑料，但因其流動(dòng)性差，故不宜采用注塑成形工藝，而只宜采用壓制燒結(jié)的成形工藝。

（4）材料的特殊性能。材料的特殊性能包括材料的耐磨損、耐腐蝕耐熱、導(dǎo)電或絕緣等。如耐酸泵的葉輪、殼體等，若選用不銹鋼制造，則只能用鑄造成形；若選用塑料制造，則可用注塑成形；如果要求既耐熱又耐蝕，那么就應(yīng)選用陶瓷制造，并相應(yīng)地選用注漿成形工藝。

2.零件的生產(chǎn)批量

單件小批量生產(chǎn)時(shí)，可選用通用設(shè)備和工具、低精度低生產(chǎn)率的成形方法，這樣，毛坯生產(chǎn)周期短，能節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和工藝裝備的設(shè)計(jì)制造費(fèi)用，雖然單件產(chǎn)品消耗的材料及工時(shí)多，但總成本較低。如鑄件選用手工砂型鑄造方法，鍛件采用自由鍛或胎模鍛方法，焊接件以手工焊接為主，薄板零件則采用鈑金鉗工成形方法等。大批量生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)選用專用設(shè)備和工具，以及高精度、高生產(chǎn)率的成形方法，這樣，毛坯生產(chǎn)率高、精度高，雖然專用工藝裝置增加了費(fèi)用，但材料的總消耗量和切削加工工時(shí)會(huì)大幅降低，總的成本也降低。

如相應(yīng)采用機(jī)器造型、模鍛、埋弧自動(dòng)焊或自動(dòng)、半自動(dòng)的氣體保護(hù)焊以及板料沖壓等成形方法。特別是大批量生產(chǎn)材料成本所占比例較大的制品時(shí)，采用高精度、近凈成形新工藝生產(chǎn)的優(yōu)越性就顯得尤為顯著。例如，某廠采用軋制成形方法生產(chǎn)高速鋼直柄麻花鉆，年產(chǎn)量兩百萬件，原軋制毛坯的磨削余量為0.4mm。后采用高精度的軋制成形工藝，軋制毛坯的磨削余量減為0.2mm，由于材料成本約占制造成本的78%，故僅僅是磨削余量的減少，每年就可節(jié)約高速鋼約48t，約40萬元左右。另外，還可節(jié)約磨削工時(shí)和砂輪損耗，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。

在一定條件下，生產(chǎn)批量還會(huì)影響毛坯材料和成形工藝的選擇，如機(jī)床床身，大多情況下采用灰鑄鐵件為毛坯，但在單件生產(chǎn)條件下，由于其形狀復(fù)雜，制造模樣、造型、造芯等工序耗費(fèi)材料和工時(shí)較多，經(jīng)濟(jì)上往往不合算。若采用焊接件，則可以大大縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本（但焊接件的減振、減摩性不如灰鑄鐵件）。又如齒輪，在生產(chǎn)批量較小時(shí)，直接從圓棒料切削制造的總成本可能是合算的。但當(dāng)生產(chǎn)批量較大時(shí)，使用鍛造齒坯可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.零件的形狀復(fù)雜程度

形狀復(fù)雜的金屬制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜件，如箱體、泵體、缸體、閥體、殼體、床身等可選用鑄造成形工藝；形狀復(fù)雜的工程塑料制件，多選用注塑成形工藝；形狀復(fù)雜的陶瓷制件，多選用注漿成形工藝或陶瓷注塑成形工藝；而形狀簡單的金屬制件，可選用壓力加工、焊接成形工藝；形狀簡單的工程塑料制件，可選用吹塑、擠出成形或模壓成形工藝；形狀簡單的陶瓷制件，多選用模壓成形工藝。

若產(chǎn)品為鑄件，尺寸要求不高的可選用普通砂型鑄造；而尺寸精度要求高的，則依鑄造材料和批量不同，可分別選用熔模鑄造、氣化模鑄造、壓力鑄造及低壓鑄造等成形工藝。若產(chǎn)品為鍛件，尺寸精度要求低的，多采用自由鍛造成形；而精度要求高的，則選用模鍛成形、擠壓成形等工藝。若產(chǎn)品為塑料制件，精度要求低的，多選用中空吹塑工藝；而精度要求高的，則選用注塑成形工藝。

4.現(xiàn)有生產(chǎn)條件

現(xiàn)有生產(chǎn)條件是指生產(chǎn)產(chǎn)品和設(shè)備能力、人員技術(shù)水平及外協(xié)可能性等。例如，生產(chǎn)重型機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)沒有大容量的煉鋼爐和大噸位的起重運(yùn)輸設(shè)備條件下，常常選用鑄造和焊接聯(lián)合成形的工藝，即首先將大件分成幾小塊來鑄造后，再用焊接拼成大件。

又如，車床上的油盤零件，通常是用薄鋼板在壓力機(jī)下沖壓成形，但如果現(xiàn)場(chǎng)條件不具備，則應(yīng)采用其他工藝方法。若現(xiàn)場(chǎng)沒有薄板，也沒有大型壓力機(jī)，就不得不采用鑄造成形工藝生產(chǎn)（此時(shí)其壁厚比沖壓件厚）。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有薄板，但沒有大型壓力機(jī)時(shí)，就需要選用經(jīng)濟(jì)可行的旋壓成形工藝來代替沖壓成形。

5.充分考慮利用新工藝、新技術(shù)、新材料的可能性

隨著工業(yè)市場(chǎng)需求日益增大，用戶對(duì)產(chǎn)品品種和品質(zhì)更新的要求越來越強(qiáng)烈，使生產(chǎn)性質(zhì)由成批大量變成多品種、小批量，因而擴(kuò)大了新工藝、新技術(shù)、新材料的應(yīng)用范圍。因此，為了縮短生產(chǎn)周期，更新產(chǎn)品類型及品質(zhì)，在可能的條件下可大量采用精密鑄造、精密鍛造、精密沖裁、冷擠壓、液態(tài)模鍛、超塑成形、注塑成形、粉末冶金、陶瓷等靜壓成形、復(fù)合材料成形、快速成形等新工藝、新技術(shù)、新材料，采用無余量成形，使零件近凈形化，從而顯著提高產(chǎn)品品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。

除此之外，為了合理選用成形工藝，還必須對(duì)各類成形工藝的特點(diǎn)、適用范圍以及成形工藝對(duì)材料性能的影響有比較清楚的了解。金屬材料的各種毛坯成形工藝的特點(diǎn)如表13-7所示。

13.3典型零件的材料與成形工藝選擇

13.3.1齒輪零件

1.齒輪的工作條件

齒輪主要的工作條件如下：（1)由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應(yīng)力。（2)換擋、啟動(dòng)或嚙合不均時(shí)，齒部承受一定沖擊載荷。（3)齒面相互滾動(dòng)或滑動(dòng)接觸，承受很大的接觸壓應(yīng)力及摩擦力的作用。

2.齒輪的失效形式

齒輪主要的失效形式如下：

（1)疲勞斷裂。它主要從根部發(fā)生。

（2)齒面磨損。由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小。

（3)齒面接觸疲勞破壞，在交變接觸應(yīng)力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的發(fā)展，引起點(diǎn)狀剝落(或稱麻點(diǎn))。

（4)過載斷裂。它主要是沖擊載荷過大造成的斷齒。

3.齒輪材料的性能要求

齒輪材料主要的性能要求需要滿足以下幾點(diǎn)：

（1)高的彎曲疲勞強(qiáng)度。

（2)高的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性。

（3)較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。

此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，如熱處理變形小等。

4.齒輪類零件的選材

齒輪材料一般選用低、中碳鋼或其合金鋼，經(jīng)表面強(qiáng)化處理后，表面強(qiáng)度和硬度高，心部韌性好，工藝性能好，經(jīng)濟(jì)上也較合理。

5.典型齒輪選材舉例

機(jī)床齒輪工作條件較好，工作中受力不大，轉(zhuǎn)速中等，工作平穩(wěn)且無強(qiáng)烈沖擊，因此其齒面強(qiáng)度、心部強(qiáng)度和韌性的要求均不太高，一般用45鋼制造，采用高頻淬火表面強(qiáng)化，齒面硬度可達(dá)52HRC左右，這對(duì)彎曲疲勞或表面疲勞是足夠了。齒輪調(diào)質(zhì)后，心部可保證有220HB左右的硬度及大于4kg·m/cm2的沖擊韌性，可滿足工作要求。對(duì)于一部分要求較高的齒輪，可用合金調(diào)質(zhì)鋼（如40Cr等）制造。這時(shí)心部強(qiáng)度及韌性都有所提高，彎曲疲勞及表面疲勞抗力也都增大。

[例13-1]-普通車床床頭箱傳動(dòng)齒輪。

材料：45鋼。

熱處理：正火或調(diào)質(zhì)，齒部高頻淬火和低溫回火。

性能要求：齒輪心部硬度為220~250HB；齒面硬度52HRC。

工藝路線：下料→鍛造→正火或退火→粗加工→調(diào)質(zhì)或正火→精加工→高頻淬火→低溫回火→精磨。

[例-2]汽車齒輪。汽車齒輪的工作條件遠(yuǎn)比機(jī)床齒輪惡劣，特別是主傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪，它們受力較大，超載與受沖擊頻繁，因此對(duì)材料的要求更高。由于彎曲與接觸應(yīng)力都很大，用高頻淬火強(qiáng)化表面不能保證要求，所以汽車的重要齒輪都用滲碳、淬火進(jìn)行強(qiáng)化處理。這類齒輪一般都用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi等制造，特別是后者在我國汽車齒輪生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。為了進(jìn)一步提高齒輪的耐用性，除了滲碳、淬火外，還可以采用噴丸處理等表面強(qiáng)化處理工藝。噴丸處理后，齒面硬度可提高1~3HRC單位，耐用性可提高7~11倍。

材料：20CrMnTi鋼。

熱處理：滲碳、淬火、低溫回火，滲碳層深1.2~1.6mm。

性能要求：齒面硬度58~62HRC，心部硬度33~48HRC。

工藝路線：下料→鍛造→正火→切削加工→滲碳、淬火、低溫回火→噴丸→磨削加工。

汽車、拖拉機(jī)齒輪常用鋼種及熱處理如表13-8所示。

13.3.2軸類零件

軸是機(jī)械工業(yè)中最基礎(chǔ)的零部件之一，主要用以支承傳動(dòng)零部件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

1．軸的工作條件，主要失效形式及對(duì)性能的要求

（1）軸的工作條件：

①傳遞扭矩。承受交變扭轉(zhuǎn)載荷作用，同時(shí)也往往承受交變彎曲載荷或拉、壓載荷的作用。

②軸頸承受較大的摩擦。

③承受一定的過載或沖擊載荷。

（2）軸的主要失效形式：

①疲勞斷裂。由于受交變的扭轉(zhuǎn)載荷和彎曲疲勞載荷的長期作用，造成軸的疲勞斷裂，這是最主要的失效形式。

②斷裂失效。由于受過載或沖擊載荷的作用，造成軸折斷或扭斷。

③磨損失效。軸頸或花鍵處的過度磨損使形狀、尺寸發(fā)生變化。

（3）對(duì)軸用材料的性能要求：

①高的疲勞強(qiáng)度，以防止疲勞斷裂。

②良好的綜合力學(xué)性能，以防止沖擊或過載斷裂。

③良好的耐磨性，以防止軸頸磨損。

2．典型軸的選材

對(duì)軸類零部件進(jìn)行選材時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作條件和技術(shù)要求來決定。承受中等載荷，轉(zhuǎn)速又不高的軸，大多選用中碳鋼（例如45鋼），進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理。對(duì)于要求高一些的軸，可選用合金調(diào)質(zhì)鋼（例如40Cr），并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。對(duì)要求耐磨的軸頸和錐孔部位，在調(diào)質(zhì)處理后需進(jìn)行表面淬火。當(dāng)軸承受重載荷、高轉(zhuǎn)速、大沖擊時(shí)，應(yīng)選用合金滲碳鋼（例如20CrMnTi）進(jìn)行滲碳淬火處理。

例13-3]汽輪機(jī)主軸。

汽輪機(jī)主軸尺寸大、工作負(fù)荷大，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷及離心力和溫度的聯(lián)合作用。汽輪機(jī)主軸的主要失效方式是蠕變變形和由白點(diǎn)、夾雜、焊接裂紋等缺陷引起的低應(yīng)力脆斷、疲勞斷裂或應(yīng)力腐蝕開裂。因此對(duì)汽輪機(jī)主軸材料除要求其在性能上具有高的強(qiáng)度和足夠的塑韌性外，還要求其鍛件中不出現(xiàn)較大的夾雜、白點(diǎn)、焊接裂紋等缺陷。對(duì)于在500℃以上工作的主軸，還要求其材料具有一定的高溫強(qiáng)度。根據(jù)汽輪機(jī)的功率和主軸工作溫度的不同，所選用的材料也不同。

對(duì)于工作在450℃以下的材料，可不必考慮高溫強(qiáng)度，如果汽輪機(jī)功率較小（<12000kW），且主軸尺寸較小，可選用45鋼；如果汽輪機(jī)功率較大（>12000kW），且主軸尺寸較大，則須選用35CrMo鋼，以提高淬透性。對(duì)于工作在500℃以上的主軸，由于汽輪機(jī)功率大（>125000kW），要求高溫強(qiáng)度高，需選用珠光體耐熱鋼，通常高中壓主軸選用25CrMoVA或27Cr2MoVA鋼，低壓主軸選用15CrMo或17CrMoV鋼。對(duì)于工作溫度更高，要求更高高溫強(qiáng)度的主軸，可選用珠光體耐熱鋼20Cr3MoWV（<540℃）或鐵基耐熱合金Cr14Ni26MoTi（<650℃）、

Cr14Ni35MoWTiAl（<680℃）。

汽輪機(jī)主軸的工藝路線為：備料→鍛造→第一次正火→去氫處理→第二次正火→高溫回火→機(jī)械加工→成品。第一次正火可消除鍛造內(nèi)應(yīng)力；去氫處理的目的是使氫從鍛件中擴(kuò)散出去，防止產(chǎn)生白點(diǎn)。第二次正火是為了細(xì)化組織，提高高溫強(qiáng)度；高溫回火是為了消除正火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使合金元素分布更趨合理（V、Ti充分進(jìn)入碳化物，Mo充分溶入鐵素體），從而進(jìn)一步提高高溫強(qiáng)度。常見機(jī)床主軸及熱處理工藝如表13-9所示。

13.3.3模具類零件

模具選材是整個(gè)模具制作過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。模具選材需要滿足三個(gè)原則：模具滿足耐磨性、強(qiáng)韌性等工作需求，模具滿足工藝要求，同時(shí)模具應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)適用性。模具材料滿足的工作需求如下：

（1）耐磨性。

坯料在模具型腔中塑性變性時(shí)，沿型腔表面既流動(dòng)又滑動(dòng)，使型腔表面與坯料間產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而導(dǎo)致模具因磨損而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影響耐磨性的主要因素。一般情況下，模具零件的硬度越高，磨損量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性還與材料中碳化物的種類、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布有關(guān)。

（2）強(qiáng)韌性。

模具的工作條件大多十分惡劣，有些常承受較大的沖擊負(fù)荷，從而導(dǎo)致脆性斷裂。為防止模具零件在工作時(shí)突然脆斷，模具要具有較高的強(qiáng)度和韌性。模具的韌性主要取決于材料的含碳量、晶粒度及組織狀態(tài)。

（3）疲勞斷裂性能。

模具工作過程中，在循環(huán)應(yīng)力的長期作用下，往往導(dǎo)致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂、接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強(qiáng)度、韌性、硬度以及材料中夾雜物的含量。

（4）高溫性能。

當(dāng)模具的工作溫度較高時(shí)，會(huì)使硬度和強(qiáng)度下降，導(dǎo)致模具早期磨損或產(chǎn)生塑性變形而失效。因此，模具材料應(yīng)具有較高的抗回火穩(wěn)定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強(qiáng)度。

（5）耐冷、熱疲勞性能。

有些模具在工作過程中處于反復(fù)加熱和冷卻的狀態(tài)，使型腔表面受拉、壓力變應(yīng)力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導(dǎo)致模具失效。冷、熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，一般這類模具應(yīng)具有較高的耐冷、熱疲勞性能。

（6）耐蝕性。

有些模具如塑料模在工作時(shí)，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強(qiáng)侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。

除了工作需求外，模具材料還需要滿足工藝性能要求，模具的制造一般都要經(jīng)過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，其材料應(yīng)具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應(yīng)具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。

模具材料還要盡量滿足經(jīng)濟(jì)要求，在給模具選材時(shí)，必須考慮經(jīng)濟(jì)性這一原則，盡可能地降低制造成本。因此，在滿足使用性能的前提下，首先選用價(jià)格較低的，能用碳鋼就不用合金鋼，能用國產(chǎn)材料就不用進(jìn)口材料。另外，在選材時(shí)還應(yīng)考慮市場(chǎng)的生產(chǎn)和供應(yīng)情況，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，并且容易購買。

13.3.4冷作模具選材的工藝設(shè)計(jì)

對(duì)冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性，足夠的強(qiáng)度和韌性，高的疲勞壽命，良好的抗擦傷和咬合性能以及良好的工藝性能。20世紀(jì)90年代以前，國內(nèi)常用的冷作模具鋼有碳素工具鋼T10A，合金工具鋼9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si，高速工具鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2，軸承鋼GCr15，彈簧鋼60Si2Mn，滲碳鋼20Cr、12CrNi3A，不銹鋼3Cr13等。其中用量最大的是Cr12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和W18Cr4V。為滿足生產(chǎn)要求，國內(nèi)先后研究、開發(fā)了一系列新型冷作模具鋼。

國內(nèi)開發(fā)的低合金冷作模具鋼中，有7CrSiMnMoV（代號(hào)CH）、6CrMnNiMoVSi（代號(hào)GD）、6CrMnNiMoVWSi（代號(hào)DS）、CrNiWMoV等。這些鋼的淬透性好，淬火溫度較低，熱處理變形小，價(jià)格低，具有較好的強(qiáng)度和韌性的配合，適用于制造精度復(fù)雜模具。7CrSiMnMoV，在820~1000℃淬火，可獲得HRC60以上的硬度，是一種空淬微變形鋼，可以火焰加熱空冷淬硬。該鋼的耐磨性盡管比Cr12MoV差，但比9Mn2V和T10A好；抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和沖擊韌性都優(yōu)于Cr12MoV和9Mn2V；熱處理后的變形量和常用的Cr12MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr4W2MoV等鋼相當(dāng)。

CH鋼具有良好的強(qiáng)韌性和良好的工藝性，可用于代替T10A、9Mn2V、CrWMn、GCr15、Cr12MoV等制造對(duì)強(qiáng)韌性要求較高的冷作模具，如沖孔凸模、中薄鋼板（2～5mm厚）的修邊落料模等。由于該鋼可以采用火焰加熱空冷淬硬，因此也可用于制造要求表面火焰淬火的部分汽車模具。6CrMnNiMoVSi，較CH鋼增加了0.85％左右的Ni，進(jìn)一步強(qiáng)韌化了基體。該鋼的淬火溫度范圍較寬，淬透性好，也可火焰加熱空冷淬火，具有良好的強(qiáng)韌性。當(dāng)用于制造易崩及斷裂的冷沖模具時(shí)，模具壽命較高。

Cr12系列冷作模具鋼是較廣泛采用的鋼種系列，具有良好的淬透性和耐磨性，但共晶碳化物偏析較嚴(yán)重，韌性較差，淬火后異常變形較大。為彌補(bǔ)此類鋼的性能缺陷，國內(nèi)先后開發(fā)了一些高強(qiáng)韌耐磨鋼，如7Cr7Mo2V2Si(代號(hào)LD)、Cr8WmoV3Si(代號(hào)ER5)、9Cr6W3Mo2V2

(代號(hào)GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等。與Cr12、Cr12MoV相比，此類鋼的碳和鉻的含量較低，改善了碳化物不均性，提高了韌性；適當(dāng)增加了W、Mo、V等合金元素的含量，從而增強(qiáng)了二次硬化能力，提高了耐磨性。所以，此類鋼在具有良好的強(qiáng)韌性的同時(shí)，還有優(yōu)良的耐磨性和較好的綜合性能，主要用于制造承受應(yīng)力較大，要求高強(qiáng)韌性和耐磨損的各類冷作模具。

7Cr7Mo2V2Si（代號(hào)LD）最初是針對(duì)冷鐓模具而研制的。其碳含量低于G．Steven推薦的“平衡碳”規(guī)律，使鋼在具有高硬度的同時(shí)，又具有較好的韌性；加入Cr、Mo、V元素，有利于二次硬化，保證鋼具有較高的硬度、強(qiáng)度和良好的耐磨性；加入一定量的Si，以強(qiáng)化基體，提高回火穩(wěn)定性。LD鋼常用的熱處理工藝是1100~1150℃淬火，530~570℃回火，回火后硬度57~63HRC。1100℃淬火后的組織為細(xì)針馬氏體+殘留奧氏體+剩余碳化物，晶粒度為10.5級(jí)。1100℃淬火、570℃回火后的組織為回火馬氏體+殘余碳化物。

LD鋼已被廣泛應(yīng)用于制造冷鍛、冷沖、冷壓、冷彎等承受沖擊、彎曲應(yīng)力較大，又要求耐磨損的各類冷作模具。Cr8MoWV3Si（代號(hào)ER5）在具有較高強(qiáng)韌性的同時(shí)，又具有突出好的耐磨性。該鋼在回火過程中彌散析出的特殊碳化物，是ER5鋼比Cr12系鋼具有更高強(qiáng)韌性和耐磨性的重要原因。ER5鋼適用于制造承受沖擊力較大，沖擊速度較高的精密冷沖、重載冷沖以及要求高耐磨的其他冷作模具。9Cr6W3Mo2V2（代號(hào)GM）也是以提高耐磨性為主要目的而研制的高耐磨冷作模具鋼。

該鋼通過Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比，并根據(jù)“平衡碳”規(guī)律配碳，使鋼具有最佳的二次硬化能力及抗磨損能力，同時(shí)又保持了較高的強(qiáng)韌性和良好的冷熱加工性能，適用于制造沖裁、冷擠、冷鍛、冷剪、高強(qiáng)度螺栓滾絲輪等精密、高耐磨冷作模具。

13.3.5熱作模具選材的工藝設(shè)計(jì)

熱作模具材料主要用于制造高溫狀態(tài)下進(jìn)行壓力加工的模具。由于熱作模具鋼的工作條件較為惡劣，熱作模具鋼應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

（1）在工作溫度下具有高熱強(qiáng)性能。

（2）具有較好綜合機(jī)械性能，如韌性、硬度、抗疲勞性能。

（3）具有一定的抗氧化性。

（4）較高的使用壽命。

熱作模具鋼主要分為三類：低合金熱作模具鋼、中合金鉻系熱作模具鋼及高合金鎢鉬系熱作模具鋼。

1.低合金熱作模具鋼

（1）5CrNiMo、5CrMnMo鋼。20世紀(jì)80年代以前，常用的熱作模具鋼有5CrMnMo、5CrNiMo，這類鋼要求淬透性高，沖擊韌性好，導(dǎo)熱性能好，有較高的熱疲勞性，但5CrMnMo、5CrNiMo鋼的淬透性不能滿足大截面錘鍛模的要求，使用溫度不能超過500℃。目前該類鋼種正逐步被淘汰，僅在普通熱鍛模中選用這種低耐熱高韌性鋼。

（2）4Cr3Mo2V1鋼。4Cr3Mo2V1鋼是一種低合金熱作模具鋼，是在H13鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。研發(fā)的主要依據(jù)是H13的鉻含量（5%左右）太高，淬火后回火時(shí)，鉻和碳可形成高鉻的碳化物，不利于具有最高抗回火軟化能力的碳化釩的形成，從而降低H13鋼的高溫?zé)釓?qiáng)性。因此，含有較少量鉻（2.5%）的4Cr3Mo2V1鋼反比H13鋼具有更高的熱強(qiáng)性，特別適用于制作既要耐高溫，又需高韌性、高熱疲勞性的熱擠壓模?，F(xiàn)在4Cr3Mo2V１鋼的不足之處是生產(chǎn)成本較高。

2．中合金鉻系熱作模具鋼

（1）4Cr5MoSiV1鋼。4Cr5MoSiV1鋼（代號(hào)H13）是第2代熱作模具鋼的典型代表，其應(yīng)用很廣泛。因其具有良好的熱強(qiáng)性、紅硬性和抗熱疲勞性能，被廣泛用于鋁合金的熱擠壓模和壓鑄模。由于化學(xué)成分的優(yōu)化，它含有大量Cr、Mo、V等合金元素，基本上能滿足熱作模具所要求的使用性能。H13鋼與高韌性熱作模具鋼5CrNiMo、5CrMnMo相比，具有更高的熱強(qiáng)性、耐熱性和淬透性；與3Cr2W8V相比，具有高的韌性和抗熱振性。但H13鋼在工作溫度大于600℃時(shí)的熱強(qiáng)性欠佳。

（2）4Cr5Mo2V鋼。4Cr5Mo2V鋼是在H13鋼的基礎(chǔ)上研發(fā)而來的。從合金化成分設(shè)計(jì)的研究看，低Si高M(jìn)o的合金化設(shè)計(jì)在保持模具材料良好的熱強(qiáng)性的同時(shí)，又能夠提高韌性，4Cr5Mo2V鋼正是基于該合金化設(shè)計(jì)思路。有研究表明，淬火溫度、回火溫度對(duì)4Cr5Mo2V的性能有明顯的影響，推薦淬火溫度為1030℃。經(jīng)過600℃回火后的4Cr5Mo2V鋼在保持與H13相當(dāng)?shù)挠捕鹊耐瑫r(shí)，還具有更高的韌性和塑性。在此熱處理后，4Cr5Mo2V鋼的室溫沖擊韌性強(qiáng)于H13鋼整體沖擊韌性，提高了34.39%。

（3）4Cr3Mo2NiVNb鋼。4Cr3Mo2NiVNb鋼(代號(hào)HD)是一種新型熱作模具鋼，通過降低Mo、V的含量，加入Ni和Nb，提高了鋼的室溫和高溫韌性及熱穩(wěn)定性，在70℃仍可以保持40HRC的硬度。在硬度相同條件下，HD鋼比3Cr2W8V鋼的斷裂韌度高50％左右，700℃高溫時(shí)抗拉強(qiáng)度高70%，冷熱疲勞抗力和熱磨損性能分別高出一倍和50％。

3.高合金鎢鉬系熱作模具鋼

（1）3Cr2W8V鋼。3Cr2W8V鋼是我國熱作模具的傳統(tǒng)用鋼。由于3Cr2W8V鋼中富含Cr、W、V等碳化物形成元素，鋼錠中普遍存在成分偏析及共晶碳化物數(shù)量較多等缺陷。如果模具中的碳化物偏析嚴(yán)重時(shí)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，直接影響模具的服役壽命。但是通過改進(jìn)該鋼種的生產(chǎn)工藝，如預(yù)處理工藝、稀土合金元素改性，可提高3Cr2W8V鋼的使用性能。如1050℃×1h高溫固溶+850℃×0.5h后750℃×0.5h(三次)循環(huán)球化退火即可細(xì)化鋼中的碳化物，又可細(xì)化奧氏體晶粒，是一種可提高韌性和熱疲勞性能的雙細(xì)化預(yù)處理工藝。對(duì)3Cr2W8V鋼進(jìn)行稀土合金化處理，能夠有效地改善鋼中共晶碳化物的偏析程度，從而可以提高鋼材質(zhì)量。

（2）4Cr3Mo3W4VNb鋼。4Cr3Mo3W4VNb鋼含有較高的鎢和少量的鈦和鈮，具有最高的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性以及良好的抗熱疲勞性。與5Cr4W5Mo2V鋼相比，降低了Cr、W的元素，增加了Ti、Nb的含量，細(xì)化了晶粒，在保持了高熱穩(wěn)定性和高溫硬度的基礎(chǔ)上，使碳化物分布更均勻。其硬度可達(dá)50~55HRC，抗拉強(qiáng)度和沖擊韌度都有了明顯的改善。該鋼的淬透性、冷熱加工性均好，主要用于加工承受變形抗力較高、淺型槽的熱鍛模及高溫金屬的熱鍛壓模具，模具的使用壽命較3Cr2W8V鋼模具有很大的提高。

（3）W9Mo3Cr4V鋼。W9Mo3Cr4V鋼是以中等含量的鎢為主，加入少量鉬，適當(dāng)控制碳和釩含量的方法來達(dá)到改善性能，提高質(zhì)量和節(jié)約合金元素目的的。通用型鎢鉬系高速鋼，屬萊氏體型鋼種。W9Mo3Cr4V鋼熱處理后具有更高的硬度和耐磨性，同時(shí)具有高熱硬性、高淬透性和足夠