我国热作模具钢性能数据集
4Cr5W2SiV钢（3II958)
4Cr5W2SiV钢是国外早期研制含5%Cr系的典型热作模具钢，在我国已列入GB1229标准。与4Cr5MoSiV钢（H11）相比，用钨代钼使二钢的钨当量相同，化学成分除4Cr5W2SiV钢的钒含量偏高外，其余均基本相似。在性能方面该钢在600-700℃的高温硬度、300-650℃的冲击韧性、620-700℃的热稳定性、650℃的抗热疲劳性、800℃2500次和910℃1000次的抗热磨损性能均优于4Cr5MoSiV钢。4Cr5W2SiV钢与3Cr2W8V钢相比。其合金元素含量较低，具有空淬温度较低、淬火变形小、淬透性好的特点。同时其300-700℃的冲击性、800℃2500次和910℃1000次的抗热磨损性、600-1000℃的抗氧化性、650℃的抗热疲劳性，以及易切削性和可锻造性能均优于3Cr2W8V钢。由于这种钢的综合性能良好，被广泛用于制作中小机锻模、热挤压模和芯棒以及铝、镁合金压铸模。本试验数据用钢由首钢特殊钢公司生产，大气电炉冶炼。
1 化学成分（质量分数，%）
| 状态 | GB1229 | 试样成份 | 状态 | GB1229 | 试样成份 |
| C | 0.32-0.42 | 0.42 | Mn | ≤0.40 | 0.30 |
| Cr | 4.50-5.50 | 4.96 | S | ≤0.030 | 0.014 |
| V | 0.60-1.00 | 0.87 | P | ≤0.030 | 0.016 |
| Si | 0.80-1.20 | 0.96 |
4Cr5W2SiV钢试样化学成分及4Cr5MoSiV钢试样相比，除了不含钼及钨和钒含量偏高2.0%和0.55%外，其余均几乎相同，如与3Cr2W8V钢试样相比，除钨含量偏低6.18%外，其余铬、钒、硅分别增别2.44%、0.55%、0.75%。4Cr5W2SiV钢试样的合金元素总量达到9.09%，比4Cr5W2SiV钢增加了1.67%。比3Cr2W8V钢减少2.42%。
2 物理性能
2.1 弹性模量E（N/mm2)
| 温度/℃ | 室温 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| E | 22900 | 22400 | 21800 | 21100 | 20500 | 19600 |
2.2 切变模量G（N/mm2）
| 温度/℃ | 室温 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| G | 8600 | 8500 | 8200 | 7900 | 7700 | 7300 |
2.3 弹性模量与切变模量的比值
| 温度/℃ | 室温 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 平均比值 |
| E：G | 2.663 | 2.635 | 2.659 | 2.671 | 2.662 | 2.685 | 2.663 |
2.4 密度ρ 室温7.82g/cm3
2.5 热导率λ（W/（m ? K））
| 温度/℃ | 室温 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| λ | 26 | 26 | 27 | 27 | 27 | 26 |
2.6 线膨胀系数α（mm/(mm ? ℃））
| 温度/℃ | 20-100 | 20-200 | 20-500 | 20-600 | 20-700 | 20-800 |
| α*10-6 | 7.6 | 8.7 | 11.6 | 12.0 | 12.1 | 12.3 |
2.7 热扩散率α（m2/S）
| 温度/℃ | 室温 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 |
| α*10-6 | 7.27 | 7.08 | 6.90 | 6.71 | 6.34 | 5.74 |
2.8 比热Cp(J/kg ? K))
| 温度/℃ | 20-100 | 20-200 | 20-300 | 20-400 | 20-500 |
| Cp*103 | 0.465 | 0.471 | 0.481 | 0.495 | 0.514 |
2.9 临界点℃（近似值）
| Ac1 | Ac3 | Ar1 | Ar3 | Ms |
| 840 | 940 | 740 | 840 | 275 |
3 试样的热加工工艺
3.1 锻造
| 项目 | 加热温度/℃ | 始锻温度/℃ | 终锻温度/℃ | 冷却方式 |
| 钢锭 | 1150-1180 | 1120-1170 | ≥850 | 砂或坑缓冷 |
| 钢坯 | 1120-1150 | 1080-1120 | ≥820 | 砂或坑缓冷 |
因4Cr5W2SiV钢在800-1200℃温度范围，以1000℃的伸长率最低（54.3%），所以在此温度需相对减轻打击力。该钢与5CrNiMo钢相比，锻造加热、始锻和终锻温度略高（约20℃），变形抗力较大。但与3Cr2W8V钢相比，其终锻温度低50℃左右，而且变形抗力较低。
3.2 退火
| 名称 | 装炉方式 | 加热温度℃ | 保温时间h | 等温温度℃ | 保温时间h | 冷却方式 |
| 去应力退火 | <500℃入炉随炉升温 | 750-780 | 2+1min/mm | ? | ? | 随炉冷至<550℃出炉空冷（≤229） |
| 锻材等温退火 | <500℃入炉随炉升温 | 860-890 | 1+1min/mm | 720±10 | 2+1min/mm | 随炉冷至<550℃出炉空冷（≤229） |
4Cr5W2SiV钢与3Cr2W8V钢相比，退火加热温度约高40℃，等温温度相似，退火后硬度稍低。与4Cr5MoSiV1钢（H13）相比其退火工艺及退火后硬度基本相当。
3.3 淬火
| 第一次预热 | 第二次预热 | 淬火温度℃ | 保温时间s/mm | 冷却介质 | 硬度HRC |
| 箱式炉550℃保温时间30min+1min/mm | 盐浴炉850℃保温时间10min+0.5min/mm | 1060±10 | 20-25 | 油 | 55.0-56.0 |
在相同热处理工艺条件下，4Cr5W2SiV钢比3Cr2W8V钢淬火温度低70℃，但淬火后硬度相似。该钢与4Cr5MoSiV钢相比，淬火温度高了40℃，但淬后硬度却低了4HRC。
3.4 回火
（1）回火温度与硬度的关系
| 回火温度/℃ | 100 | 200 | 300 | 400 | 450 | 500 | 540 | 580 | 625 | 660 |
| 硬度HRC | 54.5 | 54.5 | 53.5 | 52.0 | 54.0 | 53.0 | 53.0 | 50.0 | 45.5 | 37.0 |
回火后同样达到46HRC，4Cr5W2SiV钢比5CrNiMo钢的回火温度高175℃；也高于4Cr5MoSiV钢（约25℃），但比3Cr2W8V钢约低35℃。
（2）性能试样的回火工艺
| 要求硬度/HRC | 第一次回火温度℃*保温时间h | 硬度/HRC | 第二次回火温度℃*保温时间h | 硬度/HRC |
| 47-49 | 595*2 | 48.5-49.2 | 560*2 | 48.2-49.2 |
4Cr5W2SiV钢经595℃回火的硬度高于5CrNiMo钢500℃回火的硬度（41.6-42.4HRC)，表明要达到此硬度4Cr5W2SiV钢的回火温度比5CrNiMo钢高135℃。同样经二次回火硬度在48-49HRC，4Cr5W2SiV钢的回火温度比3Cr2W8V钢约低25℃；但比4Cr5MoSiV钢约高25℃。
4 室温力学性能
力学性能试样均为淬火+回火状态。下述试样硬度用A=48.2-49.2HRC表示。
4.1 室温拉伸
| 试样状态 | σb/MPa | σs/MPa | δ5,% | Ψ，% |
| A | 1612 | 1394 | 12.0 | 43.0 |
在相近的A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢比3Cr2W8V钢的σb和σs值低35和55MPa,δ5和Ψ值分别高1.98%T 12.2%。同样与4Cr5MoSiV钢相比，4Cr5W2SiV钢的σb和σs值也低127和75MPa，δ5和Ψ值分别高1.20%和10.6%。
4.2 室温冲击韧性AK
A硬度的室温冲击韧度为16.0J。4Cr5W2SiV钢A硬度的AK值高于3Cr2W8V钢3.0J；但低于4Cr5MoSiV钢0.8J。
4.3 室温断裂韧性K1C
A硬度的室温断裂韧度为35.3MPa ? m1/2。4Cr5W2SiV钢A硬度的K1C值高于3Cr2W8V钢2.6MPa? m1/2；但与4Cr5MoSiV钢的K1C值相同。
4.4 室温缺口抗拉强度（σb缺口/MPa）
| 试样硬度 | σb缺口 | 平均σb缺口
MPa |
σb光滑/σb缺口 | |
| MPa | MPa | |||
| 48.5-49.2HRC | 1743 | 1905 | 1824 | 0.8839 |
5 高温力学性能
5.1 高温拉伸性能
| 试验温度/℃ | σb/MPa | σs/MPa | δ5 ,% | Ψ，% |
| 300 | 1392 | 1227 | 11.9 | 51.9 |
| 600 | 822 | 719 | 19.7 | 67.5 |
| 650 | 605 | 530 | 21.1 | 71.5 |
| 700 | 301 | 266 | 33.9 | 89.1 |
在300-700℃的A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢与3Cr2W8V钢相比，其σb值要低105-282MPa，σs值低75-240MPa；但δ5和Ψ值分别高0.6%-15.7%和11.2%-63.7%，其中以600-650℃的差值最大。同样与4Cr5MoSiV钢相比，其300-700℃的σb和σs值要低73-134MPa和75-128MPa；而且δ5和Ψ值也分别低0.1%-21.1%和5.4%-14.0%，其中以650℃的差值最大。
5.2 高温硬度（HV）
| 温度/℃ | 300 | 450 | 600 | 650 | 700 | 750 |
| A | 444.5 | 415.5 | 371.0 | 314.5 | 250.0 | 170.5 |
在300-750℃的A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢的硬度低于3Cr2W8V钢33-105HV，其中700℃的差值最大。同样与4Cr5MoSiV钢相比，在300-450℃时其硬度要低33-35HV；而在600-700℃时的硬度却要高7-23HV，其中也以700℃的差值最大。
5.3 高温冲击性能AK（J）
| 温度/℃ | 300 | 600 | 650 | 700 |
| A | 30.1 | 45.2 | 47.1 | 65.7 |
在300-700℃的A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢的AK值高于3Cr2W8V钢8.8-39.6J，随温度的升高差值逐渐增加。同样与4Cr5MoSiV钢相比，其300-650℃的AK值要高1.3-14.2J，其中以600℃的差值最大，但700℃时其AK值却低4.3J。
6 特殊性能
6.1 抗氧化性能（试样硬度48.2-49.2HRC）增重值，g/m2
| h | 2 | 7 | 15 | 25 | 35 | 45 | 60 | 80 | 125 | 150 |
| 600 | 0 | 0.8 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.1 | 1.6 | 1.6 |
4Cr5W2SiV钢在600℃*150h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢，其氧化增重减少33g/m2。但略差于4Cr5MoSiV钢，其氧化增重增加0.4g/m2。
| h | 750℃ | h | 750℃ |
| 2 | 4.0 | 25 | 34.3 |
| 5 | 6.6 | 30 | 38.3 |
| 8 | 10.9 | 35 | 41.6 |
| 11 | 15.3 | 40 | 45.3 |
| 15 | 22.5 | 45 | 48.2 |
| 20 | 29.2 | 50 | 51.4 |
4Cr5W2SiV钢在750℃*50h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢，其氧化增重减少69.7g/m2；但比4Cr5MoSiV钢差，其氧化增重增加5.5g/m2。
| h | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1000℃ | 100.6 | 201.7 | 304.9 | 403.0 |
4Cr5W2SiV钢在1000℃*4h抗氧化性能优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢，其氧化增重分别减少160.5g/m2和57.0g/m2。
6.2 热稳定性能（HRC）
（1）620℃
| 保温时间
h |
A | 保温时间
h |
A |
| 0 | 47.8 | 11.5 | 37.0 |
| 2 | 43.1 | 14.5 | 35.2 |
| 4 | 40.7 | 17.5 | 35.1 |
| 6 | 38.7 | 21 | 34.7 |
| 8 | 38.4 |
在A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢在620℃保温21h的热稳定性低于3Cr2W8V钢，其硬度要低4.8HRC。但其热稳定性要高于4Cr5MoSiV钢2.4HRC。
（2）660℃
| 保温时间
h |
0 | 1 | 2 | 3 | 5 | 7 | 9 | 12 |
| A | 48.8 | 38.4 | 35.9 | 34.3 | ? | 31.0 | 30.8 | 29.7 |
在A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢在620℃保温12h的热稳定性低于3Cr2W8V钢，其硬度低2.3HRC。但其热稳定性要高于4Cr5MoSiV钢3.0HRC。
（3）700℃
| 保温时间
h |
0 | 0.5 | 1 | 1.5 | 2 | 3 |
| A | 47.6 | 34.5 | 32.0 | 30.2 | 30.0 | 28.4 |
在A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢在700℃保温3h的热稳定性低于3Cr2W8V钢，其硬度低2.5HRC。但其热稳定性略高于4Cr5MoSiV钢（1..0HRC)。
6.3 热疲劳性能（级别）
| 状态 | 20℃-650℃（1000次） | 20℃-750℃（1000次） |
| A | 7.4 | 16.6 |
在A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢650℃的热疲劳性能优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢，其热疲劳级别要低0.8级和1.2级；但4Cr5W2SiV钢750℃的热疲劳性能比3Cr2W8V钢的4Cr5MoSiV钢差，其热疲劳级别要高2.6级和2.0级。
6.4 热磨损性能（失重值mg)
（1）800-850℃ 压力784-850N
| 状态/次 | 300 | 600 | 900 | 1200 | 1500 | 2500 |
| A | 0.60 | 0.97 | 1.30 | 1.30 | 1.43 | 1.73 |
在A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢800-820℃2500次的热磨损性能优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢，其失重值要低3.67mg和0.9mg。
（2）910-950℃ 压力1764-1813N
| 状态/次 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 1000 |
| A | 0.8 | 1.53 | 1.93 | 2.63 | 3.60 | 4.47 | 5.17 | 6.72 |
在A硬度条件下，4Cr5W2SiV钢910-950℃ 1000次的热磨损性能略优于3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢，其失重值要低0.11mg和0.68mg。
7 工艺性能
7.1 淬火温度对硬度的影响
| 温度/℃ | 960 | 1000 | 1080 | 1150 |
| 硬度HRC | 53.5 | 52.0 | 60.0 | 62.5 |
7.2 回火稳定性（1060℃ 油淬硬度55-56HRC）
| 温度/℃ | 二次硬化峰温度 | 二次硬化 最高硬度 | 585 | 635 | 665 | 675 |
| 硬度/HRC | 500-550℃ | 54 | 49 | 42 | 36 | 35 |
4Cr5W2SiV钢有二次硬化现象。在同样保温2h条件下该钢与3Cr2W8V钢和4Cr5MoSiV钢相比，其二次硬化峰温度范围较宽，但最高硬度却几乎相同。4Cr5W2SiV钢要达到49、42和36HRC，其回火温度分别比3Cr2W8V钢低45、35和30℃；但比4Cr5MoSiV钢要高20、20和15℃。
7.3 锻造性能（高温形变抗力）
| 性能 | 800℃ | 900℃ | 1000℃ | 1100℃ | 1200℃ |
| σb/MPa | 103.41 | 111.37 | 62.23 | 44.17 | 25.92 |
| δ5 ,% | 67.3 | 73.8 | 54.3 | 65.6 | 67.1 |
在800-1200℃温度下，4Cr5W2SiV钢的变形抗力小于3Cr2W8V钢。其中800-1000℃的σb小于3Cr2W8V钢27.39-31.99MPa，而δ5值却大于6.0%-11.1%；随着锻造温度的升高其差值逐渐缩小，如在1100-1200℃时σb值小于3Cr2W8V钢5.65-10.11MPa，δ5值大于4.1%-6.5%。同样4Cr5W2SiV钢在800-900℃的变形抗力小于4Cr5MoSiV钢，如σb值低2.86-7.47MPa，δ5值高3.0%-7.5%；在1000℃二者的变形抗力相似，如其σb值低4.39MPa，但δ5值也低11.1%；在1100-1200℃的变形抗力大于4Cr5MoSiV钢，如σb值高1.0-5.32MPa，δ5值低11.7%-23.3%，其中以1200℃时的差值最小。
7.4 切削性能
（1）热作模具钢退火后切削力经验公式：
Pz=A?VB?αp?fD
式中 Pz?切削力、V?切削速度、αp?切削深度、f?走刀量。
| 参数 | A | B | C | D |
| 退火态204HB | 3193.0 | -0.293 | 0.922 | 0.756 |
（2）切削力PZ/N
| 切削条件 | f(mm/r) | ||||
| 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.30 | |
| V=9m/min,αp=1.0mm | 359.9 | 457.0 | 526.6 | 614.8 | 737.4 |
| V=15m/min,αp=1.0mm | 338.3 | 465.8 | 520.7 | 582.5 | 629.5 |
| 切削条件 | αp（mm) | |||||
| 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | |
| V=9m/min,f=0.1mm/r | 221.6 | 371.6 | 504.0 | 555.0 | 703.1 | 859.0 |
| V=9m/min,f=0.2mm/r | 305.0 | 582.5 | 725.6 | 997.3 | 1253.2 | 1564.1 |
| V=15m/min,f=0.1mm/r | 127.5 | 259.9 | 393.2 | 520.7 | 698.2 | 798.2 |
| V=15m/min,f=0.2mm/r | 199.2 | 488.3 | 731.5 | 791.3 | 1235.6 | 1529.7 |
4Cr5W2SiV钢3Cr2W8V钢相比，其退火硬度低22HB。当切削条件V、αp、f都与3Cr2W8V钢相同时，其Pz值比3Cr2W8V钢小。如在V=9m/min,αp=1.0mm条件下，f在0.10-0.25mm/r之间变化，其Pz要减少19.6-100.0N；在V=9m/min,f=0.1mm/r条件下，αp在1.0-3.0mm之间变化，其Pz要减少15.7-228.5N；在V=9m/min,f=0.2mm/r条件下，αp在1.0-3.0mm之间变化，其Pz要减少16.6-238.2N；在V=15m/min,f=0.1mm/r条件下，αp在0.5-3.0mm之间变化，其Pz要减少38.2-243.2N；在V=15m/min,f=0.2mm/r条件下，αp在0.5-3.0mm之间变化，其Pz要减少4.9-233.4N。但也发现在V=15m/min,αp=1.0mm时，f在0.10-0.25mm/r之间变化，其Pz值要增加22.5-83.4N的现象。总的来说4Cr5W2SiV钢的可切削性能优于3Cr2W8V钢。
同样与4Cr5MoSiV钢相比可切削性能较差，如在V=9m/min和V=15m/min，αp=1.0mm条件下，f在0.10-0.30mm/r之间变化；以及在V=9m/min,f=0.1mm/r和f=0.2mm/r条件下，αp在0.5-3.0mm之间变化，其Pz值都要比4Cr5MoSiV钢高，只有在V=15m/min,f=0.1mm/r和f=0.2mm/r条件下，αp在0.5-3.0mm之间变化，其Pz值双4Cr5MoSiV钢小，可切削性能才优于4Cr5MoSiV钢。
