高耐热热作模具钢及热处理
高耐热热作模具钢主要用于较高温度下工作的热顶锻模具、热挤压模具、铜及黑色金属的压铸模具、压力机模具等。其中压力铸造是在高的压力下，使熔融的金属挤满型腔而压铸成形，在工作过程中模具反复与炽热金属接触，因此要求具有较高的回火抗力及热稳定性。应用得较多较早的有3个钢号：3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V(RM2)、5Cr4Mo3SiMnVAl (012A1)钢试用得较好的钢号：4Cr3MoW4VNb(GB)、6Cr4Mo3Ni2WV(CG2) 、 4Cr3Mo2NiVNbB〔HD)、奥氏体耐热钢等。这类钢的钨、钼含量较高，比前两类热作模具钢在高温下有更高的强度、硬度和耐磨性，组织稳定性好，但其韧性和抗热疲劳性能不及低耐热韧性热作模具钢。
H21：3Cr2W8V钢：
3Cr2W8V钢是钨系高耐热热作模具钢的代表钢号。早在20世纪20年代开始就用于生产，由于钨含量高，在温度不小于600ºC时，钢的高温强度和硬度明显要高于铬系热作模具钢。
⒈力学性能 ：3Cr2W8V钢的主加元素刚好是W18Cr4V高速钢的一半，因此又称为半高速钢。含钨越高，钢的热稳定性越高，耐磨性越好。铬能增加钢的淬透性，虽因冷热疲劳抗力差，在急冷、急热条件下工作时容易产生冷热疲劳裂纹而失效，但其抗回火能力较高，在550ºC回火时会出现二次硬化峰，淬火温度越高，二次硬化峰值的硬度越高，热强性越好。由于W2C的析出，在650ºC时，冲击韧度最低，因此高温韧性较差。
⒉工艺性能  3Cr2W8V钢的临界点：Ac1为830ºC，Ac3为920ºC，Ms为350ºC。(1)锻造：钢坯加热温度为1130~1160ºC ，始锻温度为1080~1120ºC，终锻温度为900~850ºC，锻后先在空气中冷却到约700ºC，随后缓冲(砂冷或炉冷)。 (2)退火：等温退火的加热温度为840~880ºC，等温温度为720~740ºC，退火状态的组织为铁素体基体上分布着Fe3W3C和Cr23C6，退火硬度不大于241HBS。(3)淬火及回火：为了提高模具的强韧性，可以采用高温淬火加高温回火工艺，即1140~1150ºC淬火，650~680ºC回火，适用于承受动载荷较小的模具。对于在动载荷下工作的小模具或大型模具，可选用1050~1100ºC常规淬火工艺，油淬硬度为50~54HRC，550~650ºC回火两次，每次2h，回火后硬度为40~50HRC。
⒊应用  ：3CrW8V钢在淬火加热中的脱碳变形倾向较小，热处理工艺稳定，许多中小型机械厂仍广泛应用，主要用在压力机锻模、热挤压模、缴锻模、压铸模、剪切刀上。由于3Cr2W8V钢的耐热疲劳性和韧性较差，有以下三种强韧化方法：(1)高温淬火、高温回火：提高淬火温度，能使合金碳化物进一步溶解，奥氏体的钨含量增加，提高淬火钢的热硬性，在晶粒不粗大的条件下使热疲劳性能得到提高。(2)贝氏体等温淬火： 加热温度为1150ºC，在350~450ºC等温后油冷。组织为B下+M的混合组织，硬度可达47HRC以上。等温淬火后以低温回火为宜，温度为340~380ºC。B下有较高的强韧性，回火稳定性也比常规热处理好，抗热冲击性能也较高，模具变形小。(3)控制淬硬层淬火：  采用高温短时间加热，或控制淬火操作，使模具表面和心部得到不同的淬火加热温度，造成不同的合金度，在随后淬火时可获得内外不同的组织。
RM2(5Cr4W5Mo2V):
⒈力学性能：该钢碳的质量分数属于比较高的，近0.5％，合金元素总的质量分数为12％，碳化物较多，以Fe3W3C为主，因而具有较高的硬度、耐磨性、回火抗力及热稳定性，如在硬度为40HRC时的热稳定性可达700ºC，但是它的碳化物分布不均匀，韧性较差。
⒉工艺性能  5Cr4W5Mo2V钢的临界点：Ac1为836ºC，Ac3为893ºC，Ms为250ºC。(1)锻造：加热温度为1170~1190ºC，始锻温度为1120~1150ºC，终锻温度³850ºC，锻后在850~600ºC区间应该快冷，以避免网状碳化物的形成，在600ºC以下缓冷。(2)退火：加热温度为870ºC，等温温度为730ºC，炉冷到500ºC以下出炉空冷。(3)淬火及回火：1130ºC淬火并在不同温度回火后的硬度如表4—5所示。当550ºC回火时出现二次硬化峰值，700ºC回火时仍保持40.5HRC的硬度。淬火温度超过1150ºC时晶粒会明显增大，超过1200ºC时显著增大。
⒊应用：RM-2钢比3Cr2W8V钢具有较高的热强性、耐磨性及热稳定性，适于制作受热温度较高的小型热冲头、热切边模、精锻模、平锻模、压印机凸模、热挤压凸模及辊锻模等，使用寿命比3Cr2W8V钢普遍延长2~3倍，个别模具可延长10~20倍。
012Al钢(5Cr4Mo3SiMnVAl)：
012Al钢是冷、热作兼用的基体钢，含碳量降低，合金含量提高，从而提高了热疲劳性。Si强化了其体，弥补了因降低含碳量而造成的强度不足；Al细化晶粒，提高了韧性。该钢综合性能好、强韧性高通用性强。作为冷模钢，比Cr12有更高的韧性；作为热模钢，它和H21钢相比有较高的高温强度和较优良的热疲劳性能。应用实例：用012Al钢制作的热作模具比3Cr2W8V钢制的模具使用寿命更长。在轴承套圈热挤压凸模及凹模上应用，寿命可提高5~7倍；在军品壳体热挤压盂凸模上应用，寿命可提高2倍以上；在轴承穿孔凸模及碾压辊上应用，比3Cr2w8v钢提高寿命2~3倍。
CG2钢(6Cr4Mo3Ni2WV):
CG2钢是在高速钢的基体钢6W6Mo5Cr4V(低碳M2钢)的基础上作适当的改进，增加Ni含量，降低W、Mo含量研制而成的冷、热兼用型基体钢
⒈力学性能   由于在钢中加入了2％的Ni，提高了基体的强度和韧性，其室温及高温强度、热稳定性均高于3Cr2W8V钢，但高温冲击韧度与塑性要低于3Cr2W8V钢。
⒉工艺性能 CG2钢的临界点：Ac1为737ºC,Ac3为822ºC ,Ms为180ºC  (1)锻造：始锻温度为1140~1160ºC，终锻温度³950ºC。此钢锻造性能稍差，要求反复镦拨三次以上，保证使碳化物均匀分布，锻后应缓冷并及时进行退火以消除应力。(2)退火：CG2钢不易退火，故须采用球化退火，加热温度为810ºC，等温温度为670ºC，炉冷至400ºC以下出炉空冷，退火硬度为220~40HBS。(3)淬火及回火：淬火加热温度为1100~1130ºC，油冷。回火温度在630ºC，回火二次，每次2h，硬度为51~53HRC。若用作冷作模具，在540ºC回火二次，硬度为59~62HRC。
⒊应用  CG2钢适于制作热挤、热冲头等模具。曾在轴承套圈热挤压凸、凹模上应用过，寿命为3Cr2W8V钢凸模的2~3倍，热挤压盂凸模，提高近一倍，制作底板，使用寿命是3Cr2W8V钢底板的3~6倍。CG2钢可用于冷作模具，制作标准件及轴承滚子的冷镦模、缝纫机零件冷镦模，比Crl2MoV钢模具寿命明显延长。
GR钢(4Cr3Mo3W4VNb):
⒈力学性能  GR钢属于钨钢系热作模具钢，其中加入少量的Nb是为了增加钢的回火抗力及热强性。经大气感应炉冶炼的GR钢室温及高温力学性能如表4-7所示，热稳定性数据如表4-8所示，4Cr3Mo3W4VNb钢有比3Cr2W8V更高的屈服强度和热稳定性、冷热疲劳抗力及高温抗压强度，但是韧性较差。
⒉工艺性能   GR钢的临界点：Ac1为821ºC，Ac3为880ºC，Ar1为752ºC，Ar3为850º (1)锻造 始锻温度为1150ºC，终锻温度³900ºC，锻后缓冷及时退火。(2)退火  等温退火加热温度为850ºC，等温温度为720ºC，冷却到550ºC以下出炉空冷。(3)淬火及回火 淬火温度在l160—1200ºC内选取，若选用的淬火温度较高，则材料的高温强度及回火稳定性也较高，反之则塑性和韧性较高。 回火温度分别取630ºC和600ºC，回火两次，每次2-3h，形状复杂的模具，可进行三次回火，回火后的硬度约为50~54HRC。
⒊应用  GR钢主要用于制作热镦和精锻模具，已成功地应用在齿轮高速锻模具、精密锻造、轴承套圈热挤压、自行车零件及螺母热镦锻、小型机锻模、辊锻模上，与3Cr2W8V钢相比，寿命提高数倍至数十倍，效果显著。
HD钢(4Cr3Mo2NiVNbB):
随着少无切削新工艺的发展，常采用热挤压方法来加工黑色金属及铜合金等有色金属，热挤压模具的工作温度可达700ºC左右，在此条件下，国内广泛使用的3Cr2W8V钢及铬系热作模具钢H13钢等的耐磨损和冷热疲劳抗力已不能满足要求，HD钢是专为适应700ºC左右工作温度而研制的新型热作模具钢。
 ⒈力学性能  HD钢的高温力学性能：经1130ºC淬火，650ºC回火后，于650ºC及700ºC进行测量，高温下的屈服强度、塑性和韧性如表4-9所示；经1130ºC淬火，不同温度回火的抗回火热稳定性如表4-10所示，回火温度越高，HD钢比3Cr2W8V钢的硬度值越高。在相同的硬度条件下，HD钢的断裂韧度KIC比3Cr2W8V钢高50％，在700ºC下的高温短时抗拉强度高出70％，冷热疲劳抗力高出一倍，热磨损性能比3Cr2W8V钢高50％。⒉工艺性能：HD钢的临界点：Ac1为770ºC，Ms为320ºC。(1)锻造：加热温度1100~l150ºC，始锻温度为1000-1050ºC，终锻温度为850ºC。(2)退火：加热温度为850ºC，保温4h，炉冷到550ºC以下出炉空冷。(3)淬火、回火；淬火加热温度为1130ºC，回火温度为650~700ºC。 ⒊应用  HD钢常用于钢质药筒热挤压凸模、铜合金管材挤压底模和穿扎针、热挤压轴承环凸凹模、汽车挤压底模等，用来挤压70-1锡黄铜、10-1-1铁白铜、低碳钢、4Cr9Si2钢、GCr15钢等材料，比3Cr2W8V钢制模具的使用寿命提高1~2倍。
Y10钢和Y4钢:
Y10及Y4是分别为铝合金及铜合金的压铸模而研制的新型热作模具钢，铝合金的熔点较低，约为580~740ºC，Y10钢是在H13钢的基础上适当提高钒、锰、硅的含量，属于含5％铬的铬系高强韧性热作模具钢。铜合金的熔点温度较高，约在850~920ºC，Y4是属于成分接近3Cr•3Mo的铬钼系热作模具钢，但增加了微量元素铝和硼。
⒈力学性能：Y10和Y4在冷热疲劳抗力及阻碍裂纹扩展的速率方面明显要优于3Cr2W8V钢，是比较理想的铝、铜合金的压铸模材料。用于有色金属的压铸模，可使模具的使用寿命延长1~10倍，也可用于热挤压模、精锻模。
⒉工艺性能 Y10钢的临界点：Ac1为815ºC，Ac3为893ºC，Ms为271ºC。 Y4钢的临界点：Ac1为789ºCAc3为910ºC，Ms为263ºC。(1)锻造与退火：两种钢的锻造及退火工艺与3Cr2W8V钢相近，锻造性能良好，温度范围较宽，无特殊要求，退火硬度低于3Cr2W8V钢。 (2)淬火和回火：淬火温度为1020~1120ºC，回火温度为600~630ºC，可根据用途及要求进行选择。