（机械工程专业论文）h13钢加稀土表面处理研究.pdf

武汉理1 大学硕 学位论文 广、摘要 f 为了改进产品质量，节约原材料，提高劳动生产率，在工业生产中，已广泛采用 塑f 岛戎形技术，为此，模具的作用日益重要。为了不断提高模具的工作性能，我国有 许多单位从事模具新材料及新工艺的研究工作，取得了许多成果；在国外，发展了许 多模具新材料及模具制造新工艺。模具在生产中的使用寿命与模具用钢的性能水平、 材质优劣、使用合理与否以及热处理工艺等等都有着密切的联系。在机械制造工业中， 最广泛使用的是各种冷冲压模、热锻压模、压力铸造模。目前，由于冷挤，精冲、精 锻等工艺的发展，塑性加工工艺由毛坯生产进入成品加工的领域，使模具的精度不断 提高载荷大幅度增强：由于机器制造用料由普通结构钢扩展到高强度钢和高温合金 钢，材料的变形抗力愈来愈高，要求模具具有更高的强度、耐磨性、耐热性、抗热疲 劳能力等性能；随着压力加工自动化生产线的应用，加工速度的增高，对模具的工作 寿命提出了更高的要求。面对我国模具技术的现状，除继续引进和研制高性能的模具 新钢种外，更应注意研究模具的工作条件、失效机理、模具强韧化处理新工艺，合理 选用模具材料，扬长避短，量材使用，充分发挥钢种的潜力。 另外，本文通过市场调查发现，目前许多中小企业经济上比较困难，缺乏能力对 模具生产进行系统地、根本地改造，也无能力对等离子体化学热处理等先进设备进行 投资，外协加工除了成本提高外，用户反映质量往往不稳定。因此，本文试图将研究 集中到选定一种设备投资少、先进又实用、易行、有效的化学热处理工艺上，希望从 中探索出一些方法经验，能为模具企业的生产解决一些实际问题。 研究表明，影响模具寿命的因素很多，但模具材料及热处理技术对模具寿命的影 响占有重要的地位。其中，目前所应用的热作模具钢，很难既具有高的热强性和耐磨 性，又具有高的冷热疲劳抗力和断裂抗力，然而有些钢可以通过不同的热处理工艺， 使钢获得不同的特性。由此可以看出，在研究如何提高模具使用寿命的工作中，根据 模具工作条件，选择合适的模具钢种和合理的热处理工艺，可以取得满意的结果q ， ， 本文通过对国家标准颁布的1 3 个热作模具钢种进行分析、比较，h 1 3 钢与传统的 3 c r 2 w 8 v 钢相比，它除了具有相当高的强热性和热硬性外，其高温韧性和热疲劳抗力都 更高。此外，h 1 3 钢比3 c r 2 w 8 v 钢还具有更大的导热系数，更小的线膨胀系数，更低的 武汉理r 大学硕卜学应论文 泞火温度，更小的密度，而h 价格更便宜。这一系列优点使h 1 3 钢比： c r 2 w 8 v 钢存制 造热作模具钢时内在潜力更大。因此，本文决定以h 1 3 钢作为研究对象，并对其进行 淬火、回火工艺研究，结果表明，h 1 3 钢采用二级盐浴分级淬火，比采用一级盐浴分级 淬火能使h 1 3 钢获得更大的冲击韧性。另外，对h 1 3 钢分别进行了硫氮碳( s n c ) 共渗 加氧化处理、稀土( r e ) s n c 共渗处理及稀土( r e ) s n c 共渗加氧化处理等表面处理 工艺试验：并对处理试样分别进行了热疲劳性能、耐磨性以及高温抗氧性等方面的试 r 验。试验结果表明，在空气氧化条件下，添加稀土的s n c 共渗加氧化复合处理试验的 渗层热疲劳性能比未添加稀土( r e ) 的s n c 、共渗加氧化复合处理及随后未经氧化处理 的( r e ) 一s n c 共渗的试样高，同时稀土( 雕) s n c 共渗加氧化复合处理也能使h 1 3 钢 、， 的耐磨性和高温抗氧化性得到明显提高。f 为了研究稀土对h 1 3 钢硫氮碳共渗加氧化复 合处理渗层的耐磨性和抗氧化性的作用，对加稀土和不加稀土两种情况下进行复合处 理的试样渗层分别进行了x 射线相分析和s e m 观察及能谱分析藏样能谱分析结果表明， 稀土元素确实渗入到钢中；s e m 观察表明，加稀土比不加稀土处理的渗层中，氮( 碳) 化物更细小，而且其形状长大的方向由原来与试样表面方向一致变为趋向于纵深方向， 本文认为这可熊就是由于稀土的特殊作用，才使得h 1 3 钢通过表面处理性能得到提高 和改善。y ， 本文比较系统地对h 1 3 钢加稀土表面处理工艺进行了研究，力图找出最佳的技术 方案，文章最后总结了作者的研究工作，并探讨了本课题的今后的研究方向和应进 步解决的问题。 关键词：h 1 3 钢、稀土、硫氮碳共渗、盐浴、热疲劳性能 t ，、， o 。l 2 武汉理1 大学硕 学n 论文 a b s t r a c t ： l no r d e rt oi m p r o v em o q u a l i t yo f p r o d u c t s a v eo r i g i n a lm a t e r i a la n d i n c r c a s em el a b o r p r o d u c t i v i 毗 t h ee l a s t i c l y s h a p e dt e c h n o l o g yh a sb c c ne x t e i l s i v e l ya d o p t e di ni n d u s 仃y p r o d u c t i o r i ，s om e 血n c t i o no f m o u i di sm o r e 蛐dm o r ei m p o n a mi no r d e rt oc o m i n u o u s i y i n c r e a s et l l eo p e r a h n gf e a h o f m o u l d ，m a n y o 唱a 璐o f o i i rc o u n h y h a v eb e e n e n g a g i n gm e r c s e a r c hw o f ko f n e wm o u l dm a c e a la n dc e c h c sa n dm a d em a n y 仔谢l sa b r o a d m a n v n e wm o i l l dm a t e r i a ia n d m o l l l d m a d et e c h l l i c sh a v eb e e nd e v e l o d e dt h eu s e dl i f eo f m o u l dj np r o d u c 虹o ni sc l o s e 】y 叫撕y ef ol h ef 钿h l r ej e v e j ，m a 枷a jq u a j i l y ，f j tu s eo rn o ta t l d t h et e c h 血c so fh e a th 弓a t m e n ta n ds oo ni nm a c h i n c - m a d ei n d u s y ，m em o u l d sw h i c ha r e m o s te x t e 瞄i v e l yu s e da r ec 0 1 dp u 姒l i l 唱m o l l l d ，h o tf o 曙i n gm o l d d ，p r e s s u r ef o u n d r ym o u l d a tp r e s e n t ，b e c a u s eo fm ed e v e l o p m e mo fn e wt e c h r i i c ss u c ha sc o l dc m s l l i n g ，p r e c i s e l y p u n c h i n g ，p r c c i s e l yf 0 呻d 吼t l l ee l a s n c l ys h 印e dp r o c e s s i o nt e c h n i c sh a sb e e na p p l i e do nt l l e p r o c e s s i o n 五e j do f6 n i s 1 e dp r o d u c t 丘o mr o u g i l c a s t 1 h sm a k 韶t 1 1 e e c j s i 叻o fm o u l da l l d m el o a db ei m p r o v e dc o 以n u o u s l yt h e 跚d d i s t o n i o nc a p a b i l i t yo f m 8 t 甜a lb e c o m e sb e r a 1 1 db e n e rb e c a u s e 山em a c h i n e m a d em a 蜘a l se x t e n dt oh i g ht e m p e r a 眦a l l o vs t e e l 仔o m o r d j n a r ys t e e l t h i sr c q 血。e st l l a tm o l l l ds h o u l dh a v e h j g h c ri n t e m i t y ，b e n e rw e a r a b l e f e a 如r e ，h e a t - r e s i 3 协卅南a t i l r e ， 锄d 锄矗一矗“g u e 岛a 缸t h e a p p 王i c 8 h o n o f p r e s s u r e a u t o m a t i o np r o d u c tl i r 站a n dt l i e i m p r o v e m e n to fo p c r a t i o ns p e e dr e q 曲山砒t 1 1 em o u l d s h o d dh a v e a 】o n g 玎j j 照c o n 如枷j l g l l ep f e s e n fs l a 把o f 脚o dt e c l l l l o i o g yj no u rc o 蛐她 b e s i d e sg o i n ga ni m p o n i n ga n dd e v e l o p i n gl l i g hp e r f o r m a n c er 玲wm o l l l ds t e e ls p e c i e s ，w e s h o u l d p a ym o r ea n 朋b o nt od e v d o p 如w o r kc o n d i t i o l l i i l v a l i dm e c h a l l i s ma n dn e w p r o c c s s e dt e c h r i i c s b yr a t i o r 嗡l l yc h o o s i l l ga n du s i l l gm o u j dm a t 嘶a l ，w ec a ns l l i h c i e m l y e x e r tm el a t e n tc a p a b i l 崎o f m o u l ds t l a d d i h o n a n y ，b ym a r k e tr e s e a r c h ，m ew n t e rp e r c e i v e dt h a tm a n ym i d d l es c a l e da n d s m a m s c a l e de n t e r p r i s e sw e r d n ta b l et 0s y s t e m a t i c a i i ya n dc o m p i e t e i y 佗n o v a t et h em o u i d p m d u c t i o n a 1 1 di n v e s ta d v a n c e d e q u i p m e n ts u c h a s p l a s m ac h e m i c a lh e a t - p r o c e s s i o n e q u i p m e n tf o rd i f h c u l te c o n o m yh o w e v e le x t c r n a lc 0 - o p e r a 石o np r o c e s s i o nw o u l di n c r e a s e t h ec o s ta n d 池q u a “t yi so r c nu 璐t a b i e s o ，ai o wc o s t ，a d v a n c e d ，p r a “c a l ，凫a s i b l ea n d e m c i e n tc h e m i c a lh e a t p r o c e s s i o nt e c h 血ci s 百v e ni nt t i 8 p a p e l i h o p et 0e x p l o r es o m e m e m o da n de x p 叫e n c eb yt h ep a p e ra n db ea b j el oh e l pm o u j de n t c r 埘s e os o 】v es o m e p r a c d c a lp m b l e m r e s e a r c hi f l d i c a c e sc h a lt l e r cm a n yf a c t o r se f r e c m l gm o u 】dl j 凫，b u t l ep 血n a r y 妇c c o r s a r em o u l dm a t e r i a la n dh c a t - p r o c e s s i o nt e c h n o l o g yi ti sd i m c u l tf o rh e a t - o p e r a t i o nm o u l d s t e e l a p p l i e dp r e s e n u yt oh a v eaf e a t l l r eo fh j g hh e a tm t e i l s 咄、v e a r 曲l ef c a t u m 卸da l s o h a v eh i g hr e s i s t a mo fc o l d 小e a tf a t i g u ca n dn l p t l 雌w h e r e a ss o m es t c e lc a ng e td j 腩r e n l 些坚里 盔堂堡! ：兰堡笙茎 t r a “b 、d i 脆r e n th e a i p r o c e s s l o ni e c h n i c ss o ，a c c o r d i n g ol h co p c r a t i o nc o n d i t j o no f m o u l d a n dc h o o s l n gl i tm o i l 王ds t is p e c i e sas a 6 s 即n gr e s l d tc a nb eg o c t e ni nt h ew o r k 出a t s t t l d i e s h o wt ol m p r o v et h eu s i n gl i f eo f m o u i d c o m p 撕n gh 1 3s t e e 】w i 出t r a 蛳。越l3 c r 2 w 8 v j lh a sh i g h e rh i g l l 七m p e r a t l l r e e n d u r a n c ea n dr c s i s t a n to fh e a tf a d g u eb e s i d e sr c i a t i v e i yh i g hp o w e r f mm e r m a it r a i t 趾d h e a tr i g i d 时t r a i tm o r e o v e l h l 3i sc h e a p e rf o ri t sb i g g c rc o n d u c t i n g - h e a tc o e f n c i e m ，s m a l l e r l i n e a re x p a n s i o n c o e f n c i c n t ，l o w e rq u c n c h e rt e m 阳r a t u r ea f l ds m a 儿e rd e m i t yc o m p a r e dw i t h 3 c r 2 w 8 vs t e e it h ea d v a m a g e so fh 1 3m a k ei th a v eb i g g e ri n t e m a j i a t e n tc a p a b i i 蚵m a n 3 c r 2 w 8 vd 曲n gm a k i n gh e a i o p c 】r a 石o nm o 珂ds t e e l s o ，i n h i sp a p c h 1 3i su s e da ss t t l d y o b j e c t ，i t sq u e n c h e ra n dt e m p e rt e c h 如c sa r es 伽e d t o ot h er e s u l tm d i c a t c dt h a tb yu s i n g t 、“c e s a l t e dc l a s s i 6 c 撕o nq u e n c h e rh 1 3s t e e lc o u l dg e tb i g g e ri m p u l s i o ne n d u r a b i e 仃a “ t h a no n c e s a l t e dc l a s s m c 枷o nq u e n c h e fm o r e o v e r ，s o m es u r f a c ep r o c e s s i o nt e c h m c s e x p e l l m e m s s u c ha ss n cc o m m o np e n o 仃a n o na n do x y g e n a h o np r o c e s s i o n ，r e - s n c c o m m o np e n e 订a h o n p m c e s s i o n 跚dr e s n cc o m m o n ”m 仃a 缸o n 鲫d o x y g e n a 虹0 n p r o c e s s j o na r es 印a r a t e l yc 枷e do u t 咖h 】3s t e e l t h ep r o c e s s e ds a m p l ew a ss 印a r a l e d c 耐e do u te x p 甜m e 吣o f h e a t - f h t i g u e 仃a i t ，w e a r a b l e 打a i ta n d 舭t i o x y g e n a h o nu n d e r h i g h t e m p e r a h j r e t h er e s l l h 曲d i c a t e dm a t ，u n d e rt h ec o n d i 石o no fa i r o x y g e n a h o mm e h e a t - f a t i g i l e 订a i to fp e m 口a t i n gl a y e ra d l l l t e r a t e dr ew a sh i g h e rt l l 锄m a to fu n a d l l l t e r a t c d r ei no r d e rt o s t i l d ym ca c t i o nt t l a tr ee & c t e dw e 盯a b l e 打a i ta n dl l i 曲t c m p e r a 嘶 a n d o x ，r g e n a 石彻o fh 1 3 s e e ls n cc o m m o n 弦n 曲谊d o n 她d o x ，莒e n a b o n m p l e x p r o c c s s i o n ，e x p e r i m e ms a m p l ep e n e 订撕0 ni a y e rc o m p l e x l yp r o c e s s e du n d e rt 、v o c a s eo f a d d i n gr e a n dn o ta d d i n gr ew a sc a r r i e da u tp h a s ea l y s i so f x r a y ，s e m0 b s e r v a t i o n 锄d s p e c h u m 蛐a l y s i s t h ef o r n l e ri i i d i c a t e dt l l 8 tr ee l e m e mw a sa c t u a l l ya d l l l t e r a t e di n t ot h e s t l ；山el a t c ri n d i c a t e dt h a ti nm ea d d e dr ep e n c 打a t i o nl a y e ln i m d ew a ss m a l l e li t s d i r e c t i o nw a sc h a i l g e da l o n gd c p t l l i tw a sm a y b eb c c a u o ft l l es p c c i a le 位c to fr em a t m a d et h ep e d 砷l a n c eo f h l 3s t e ：e 1b ei m p f o v e db ys u r f b c ep r o o e s s i o n n i i sp a p e rr c l a t i v e l ys y s t c m i c a l l ys h j d i e dt 1 1 et e c h l l i c so fh 1 3s t e c la d d e dr es u r f a c e p m c e s s i o n 锄dm e d t of l n dm eo p t i m 叫t c c h l l o l o g yp a t t e mi nm ee n do f 小ep a p e lm e 、撕t e r ss t i l d yw o r kw a s g e n e r 8 l i z 。d ，吐l es t l l d yd i r e c 矗o na n ds o m ep r o b l e mw h i c hs h o u l d b e s o l v c df h r 佗r 访如t i i r ew e r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：h1 3 s t c c l ，r e ，s n cc o m m o “p c n e 奸a n o i l ，s a l t c db a 山，h c a tf a t i g u c p e r f b m a c e 4 正t 汉理r 人学坝i 学位论义 第一章文献综述 1 1 模具钢的国内、外研究现状 模具使用寿命的高低是衡量模具质量的重要指标之一。它不仅影响产品质量，而 且还影响生产率和成本。随着。 业的发展，在机械、仪表、电子、轻 ：和国防i ：业中， 国内外不断涌现出高速、高效及高精度的塑性加工l ：艺。因而对模具寿命提出了更高 的要求，冈此，世界各国不断研制出提高模具寿命的新技术。 影响模具寿命的因素崮然很多，但模具材料及热处理技术对模具寿命的影响r 有 很重要的地位。合理的选材和实施正确的热处理技术是保证模具寿命的基础。 模具在i 作时，在不同部位，承受不同的作用力和不同温度变化。一个模具在【。 作时，可同时出现几种不同的损伤形式。但不同形式的损伤，其发展速度随模具的结 构、模具材料的性能、模具的制造工艺、压力加工设备的特性和操作方法的不同，有 很人的差别。在一般情况下，模具出现损伤后不会立即失效、丧失j ：作能力。只有当 某种损伤形式发展到使模具生产出的产品成为废品时，模具才宣告失效。 为提高模具寿命，应首先对己失效的模具进行详细的分析，只有充分掌握了导致 损伤的原因及各种影响因素，才能在消除某一种损伤形式时，不致于顾此失彼，而使 其它损伤形式加速发展，模具损伤的基本形式有五种：塑性变形、磨损、疲劳、冷热 疲劳、断裂及开裂。冷热疲劳主要出现于热作模具，在冷作模具上不出现，其它四种 损伤形式，在冷、热模具上均有可能出现。 热作模具在一 业中应用广泛，它的种类很多，它们的工作条件也有较大的差别， 因此在选用模具钢时，应根据模具的工作条件和失效形式，选用性能合适的钢种，才 能保证模具具有较高的一r 作寿命。热作模其钢的分类及常用钢种见表1 1 表1 1 按埘途分按性能分按合金元素分钢号 锻锤模用钢 商韧性热模钢低合金热模铡5 c r n i m o 、5 c r m n m o 、4 c r m n s l m o v 武汉理t 人学n 口! i j 学位论文 按_ l 途分按性能分按合金元素分 钢号 3 c r 2 w 8 v 、4 c r 5 m o s j v 、4 c r 5 m o s m 、 4 c r 5 w 2 v s i 、3 c r 3 m 0 3 w 2 v 、 机锻模、热挤胜 高热强热模钢中合金热模钢 4 c r 3 m 0 3 s i v 、5 c r 4 w 5 m 0 2 v 、 5 c r 4 m 0 3 s i m n 、，a l 模用钢 特商热强热模俐高合会热模钢 7 m n l5 c r 2 a l 3 v 2 w m o 压铸模用钢 高热强热模钢中含金热模铡 4 c r 5 m o s i v 、3 c r 2 w 8 v 高耐磨热模钢低台金高碳模具钢8 c r 3 热冲裁模用铡 高热强热模铡中合金热模钢3 c r 2 w 8 v 、5 c r 4 w 5 m 0 2 v 我国在1 9 8 5 年颁布的j 具钢标准“g b l 2 9 9 8 5 ”中有1 3 个热作模具钢钢种，见表 表1 2 热作模具钢的化学成分( g b l 2 9 9 8 s ) 序号 钢号 化学成分( 、t ( n o ) cs im npsc rwm o v 其它 05 02 5 l2 0 1 5 1 s c r m n m oo0 300 3 06o6 l603 0 n i 05 05 05 25 c r n i m o04 000 300 3 l4 o60808 i8 03 22 75 02 3 3 c 吨w 8 v04 004 000 300 3 o427 90 05 a 5 c m 0 3 s 1 04 7 o8 38 28 08 4o8 l l00 300 3 o3 m n v a lo5 71143 34i2 o7 3 c r 3 m 0 3 一03 2 28 l2 25 o8 5 06 0906 500 300 3 w 2 v04 233 l830i2 5 c w 5 04 34 45 l5 07 604 0o4 000 3 00 3 m 0 2 v05 44532 l1 l 07 5 32 78 c r 3o4 004 0o0 30 0 3 o8 5 38 - 2 4 cr m n s l -o3 5 o8 o8 13 04 02 8 00 300 3 m o v04 51l11l5o 604 4 c n m 0 3 -03 5 08 02 5 3o 20 02 5 9 00 300 3 s i vo4 5 i207 037 53o07 5 4 c r 5 m o o3 3 o8 02 47 5 1l 1 0 00 300 3 s i v04 3i2o5s5 l6 4 cr 5 m o -o3 2 08 02 47 5 08 l l00 300 3 s i v l04 5】20555 i7 5 l2 4 c r 5 w 2 03 2 08 45 l6 o6 1 2 0400 300 3 v s l04 2l25 5 24l0 7 m n l5 c a i 06 5 1 45 20 05 05 l5 l3 2 a 1 3 v 2 +0800 323 o7 51 65 2508o82o w m o 33 一十世纪七十年代以来，我国开始重视热作模具用新钢种的开发，已研制出十余 种热作模具新钢种，其中有些钢种已正式纳入国家标准中，见表1 2 中的 n 0 4 5 6 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 。目前所应用的热作模具钢，难以既具有高的强热性和耐磨性， 又具有高的冷热疲劳抗力和断裂抗力。然而有些钢可通过不同的热处理工艺，使钢获 得不同的特性。因此，对于目前使用的热作模具钢，不可能只有一种“晟佳”热处理 】：艺。同样，某种热处理工艺对于这一种模具可能是最合适的，然而对于另一种模具 也许并非有益，甚至是有害的。因此，在选用制作模具的钢种和热处理： 艺时，应首 先了解模具的实际工作条件和对模具钢的性能要求，然后才具体选择模具钢种，以及 适合于这一钢种的热处理工艺。这样才能避免由于钢种及热处理：【艺选择不当而引起 的早期失效。从许多热作模具的断裂失效来看，大多数是冷热疲劳机械疲劳断裂。 我国铝合金压铸模和热挤压模多年来一直采用3 c r 2 w 8 v 钢制造，这种钢虽然具有 很好的高温强度和热硬性，但韧性和热疲劳抗力较差是其一大弱点，致使使用这种钢 制造的模具因过早出现热疲劳裂纹并较快扩展而影响产品质量和模具使用寿命。目前， 国内压铸模具平均寿命约为3 5 万模次，仅为美国的十分之一，日本的六分之一。其 中有模具设计、机械加工和使用方面的原因，但应该说更重要的是选材和热处理方面 的原冈。 自两德在1 9 8 0 年淘汰了3 c r 2 w 8 v 钢号后，许多国家正逐渐采刚美国的h 1 3 及其 武汉理丁人学倾i + 学位论殳 它钢种取代3 c r 2 w 8 v 钢制造压铸模和热挤压模。与3 c r 2 w 8 v 相比，h 1 3 钢除了也具 有相当高的强热性和热硬性外，其高温韧性和热疲劳抗力都更高。此外，h 13 钢比 3 c r 2 w 8 v 钢还具有更人的导热系数，更小的线膨胀系数更低的淬火温度( 低1 0 0 1 1 0 。c ) ，更小的密度( 小7 左右) 而且价格更便宜。这一系列优点使h 1 3 钢比3 c r 2 w 8 v 钢在制造上述模具钢时内在潜力更人。但是只有施以正确合理的热处理】一艺，才能充 分发扦这一优良钢种的优势，使模具寿命有较大提高。 目前，我国己将此优良钢种引进并国产化，而且已在国标中列为八种高温热作模 具钢之一。国内现已有一些单位开始试验研究用国产h 1 3 ( 国标牌号为4 c r 5 m o s i v l ， 其化学成份列于表l 一3 ) 取代3 c r 2 w 8 v 钢制造有色金属压铸模和热挤压模。但是，因 应用时间不长，模具质量不稳定，应该说，对这种钢的性能还有一些未被完全认识的 领域，需要进一步开展对其性能研究和推广应用研究，这也是本课题的出发点和初衷。 表1 3h 1 3 钢化学成分( ) c s im npsc r m o v 【0 3 2 o4 50 8 0 1 2 0o 2 0 o 5 00 0 3o 0 347 5 5 5 0 1 1 0 1 7 508 0 1 2 0 1 2 热作模具钢选材概述 热作模具由于工作环境极其恶劣，所以作为模具在选材时应首先考虑以下要求： 一、为防止模具产生脆性断裂，模具钢应当有高的断裂抗力，因此，应当具备高的强 度、冲击韧度及断裂韧度；二、为防止模具产生塑性变形，除要求模具具有高的压缩 屈服点、拉伸屈服点外，还应具有高的抗回火能力及高温强度：三、为推迟模具的磨 损破坏，要求模具钢具有良好的耐磨性；四、为推迟热疲劳开裂，模具钢应具有高的 导热性、小的膨胀系数、高的相变点和高温强度；五、为减少氧化物对磨损及热疲劳 的不利影响，热挤压模具钢应具有一定的抗氧化能力：六、良好的锻造、热处理一l ：艺 性能。 目前，常用的热挤压摸具用钢主要包括钨系钢、5 铬系钢、基体钢、耐热合金钢 和硬质合金钢五大类。( 见表1 - 4 ) 4 表1 4 常用的热挤压模具用钢 类别 钢号相当下外国的钢号 前苏联美国英国日本 两德 钨 3 c r 2 w 8 v3 x 2 8 8 中h 2 1b h 2 ls k d 5x 3 0 w c r v 9 3 系 4 c t 3 m 0 3 w 4 v t 、n b i g r l 钢3 5 c r 3 m o w 2 v ( h m l ) 5 4 c r 5 m o s l vh l lb h l l s k d 6x 3 8 c r m o v 5l 铬 4 c r 5 m o s i vlh l3b h l 3s k d 6 1x 4 0 c r m o v 5l 系 4 c r 5 w 2 s l v 3m 9 5 8 钢3 c f 3 m 0 3 v n bh 1 0b h l o 3 c r 3 m 0 2 n n b ( h d l 基 6 c r 4 m 0 3 n 1 2 w v f c g 一2 ) 体 5 c r m 0 3 s i m n v a l ( 0 1 2 a 1 ) 钢5 c r 4 w 2 m 0 2 v s i 5 c w 5 m 0 2 v ( r m 2 1 耐热 奥氏体型耐热钢 合金镍基合金 钻基合金( 堆焊用) 硬质钨钻硬质合金( y g 型) 钢结硬质台金 其中钨系钢以3 c r 2 w 8 v 为代表，该钢种经6 5 0 0 c 回火后仍能保持高的硬度和强 度，但其主要缺点是在急冷急热条件下_ 作时，易出现热疲劳开裂，且由于含铬少、 含钨多，其抗氧化能力也较差。3 c r 2 w 8 v 钢的硬度高于4 0 h r c 以上时，其断裂韧度值 也不很高。因此，用3 c r 2 w 8 v 钢制作的热挤压模具，易发生热疲劳或早期脆断。而铬 系钢山r 钢中宙铬较多，使钢的淬透性增高。铬系钢的冲击韧度优于钨系钢，如图1 1 所示。在等硬度的条件r ，铬系钢的断裂韧度值高于钨系钢，如图1 2 所示。铬系钢 以4 c r 5 m o s i v 、4 c r 5 m o s i v l 、4 c r 5 w 2 s i v 钢为代表 武汉理丁人学坝l 学位论义 e = 一 虹 c 淬火) 图1 1 热作模具钢的夏比冲击韧度 4 84 64 44 2 4 03 8 硬度( h r c ) 图1 2 热作模具钢的断裂韧度与硬度的关系” 1 一h m l 钢铁( 1 1 5 0 。c 淬火) 2 一h m l 钢( 1 0 3 0 。c 淬火) 3 3 c r 2 w 8 v ( “5 0 。 另外铬系钢的抗热疲劳能力也优于钨系钢，如图1 3 所示。经相同次数的冷热循环后 6 o 5 5 5 0 5 5 5 o m趴。眈。弧：忆 武汉理t 人学坝卜学位论文 所产生的热疲劳裂纹的总k 度相筹很明显，冈此，川铬系钢制作的模具较能适麻急冷 急热的j 作条件。 1 6 0 ：1 4 0 g1 2 0 1 0 0 越8 0 掣 6 0 盏秘周圃凰 歹爹梦刚” 图1 - 3 铬钢与钨钢的抗热疲劳能力 但由于铬系钢含钨、钼较少，故其抗回火能力低于钨系钢，如图1 4 所示。 1 2 0 08 0 暮 蔷 4 0 匿 0 图1 4 铬系钢与钨系钢的抗回火能力 ( 在6 0 0 。c 保温。使硬度从4 5 h r cf 降到4 0 h r c 所需时间) 目前，国内用了二制作压力机模具的钢种如表1 5 所列。 武汉理r 人学彤! l 学位论艾 表l 5 国内热挤压模具用材料 【：作硬度 模具名称钢号备注 仆 r c 、 3 c r 2 w 8 v 4 5 5 0 3 5 c r 3 m 0 3 w 2 v5 0 6 c r 4 m 0 3 n i 2 w v 5 l 5 3 机械式压力机 5 c r 4 m 0 3 s j m n 刈 5 c r 4 w 5 m 0 2 v5 0 5 5 水冷却 及水压机冲头 5 c r 4 v 2 m 0 2 v s i5 0 5 5 4 c r 5 w 2 v s i4 3 4 7 4 c r 5 m o s i v l4 3 4 7 3 c r 3 m 0 2 n j v n b4 3 4 9 3 c r 2 w 8 v3 8 4 5 3 5 c r 3 m 0 3 w 2 v4 6 6 c r 4 m 0 3 n i 2 w v5 0 5 l 机械式压力机 4 c r 3 m 0 3 w 4 v t i n b5 0 5 4 4 c r 5 m o v s i4 3 4 7 水冷却 及水压机凹模 4 c r 5 m o s i vl4 3 4 7 尼莫尼克台金 硬质合金 钢结硬质台金 6 7 6 8 热作理模具钢在冷热循环过程中热应力的大小是导致热疲劳的直接原因，热席力 的大小可由f 式决定： 盯：占坐三 ( 1 一1 ) i 一“ 式中a 、e 、p 分别是材料的热膨胀系 6 为约束系数。由于一般所选模具钢的e 、 材料的a 值越小越好。 弹性模量、泊松比，t 为冷热循环温差 u 值相近，因此，在6 、t 一定的条件r 材料的热疲劳实际上是由材料内的热应力以及材料的热劳抗力共同决定的。而材 料的热疲劳抗力可由以下经验公式表示： 热疲劳抗船器( 1 w ) m 2 ) 式中o 、e 、t 的意义与前面式相同， 为材料导热率，o 。为材料在，j ：作温度 f 的屈服强度，、i t 、n 分别为材料的断面收缩率和韧性系数，k 为综合抗力系数。 由( 卜2 ) 式可见，住材料选定后通过适当的热处理及表面处理，提高材料的强韧性， 足改善材料热疲劳性能的关键。r 面诸幽表是关丁4 c r 5 m o s i v l 钢和3 c r 2 w 8 v 钢与热疲 性能有关的一些性能指标对比。 表卜6 热膨胀系数与导热率 钢号 热膨胀系数( 2 0 5 0 0 ) 1 05 m m m m 导热率c a i ，c m s 3 c r 2 w 8 v 1 61 o0 5 8 ( 7 0 0 ) 4 c r 5 m o s i v l1 2 8 0 0 6 9 ( 6 0 0 ) 表1 7 冷热循环前后的硬度 循环上限温度( )5 5 06 0 06 5 07 0 0 循环次数 5 5 04 5 0 3 5 03 0 0 循环前硬度5 2 45 245 2 45 2 4 3 c r 2 w 8 v 循环后硬度 4 634 4 94 3 24 0 1 循环前硬度5 i 65j65 i 65 i6 4 c r 5 m o s iv l 循环后硬度 4 6 14 47 4 2 33 85 衰减值556 9931 3 1 表1 6 注：( 1 ) 表中硬度皆为h r c ( 1 ) 循环前的热处理工艺：3 c r 2 w 8 v1 1 5 0 油淬 5 7 0 两次同火 4 c r 5 m o s i v l11 5 0 油淬 5 7 0 两次同火 9 - 武汉理工大学顾f j 学位论文 ( 3 ) 循环下限温度为2 8 ( 室温) 冷热循环前后硬度的衰减值，能反映钢的抗累积回火软化的能力。由表3 4 可见，在 铝合金压铸模型腔工作温度上限( 6 0 0 ) 以下的温度范围内，4 c r 5 m o s j v 】钢的抗回 火软化能力更优。 表1 8 抗氧化性能( 6 0 0 2 5 、3 0 0 次循环氧化) 【钢号试样单位表面积平均失重( 1 0 3k m 2 ) l3 c r 2 w 8 v5 96 14 c r 5 m o s i v l4 24 图1 5 高温强度 一：l 一 ：7，j j 一77 c lj ! ：l 一j = ! b 丽而i ， 图1 ，6 高温塑性 综合上述图表，在6 0 0 以下温度范围内，4 c r 5 m o s v 1 钢与c r 2 w 8 v 钢相比，上述各 项影响热疲劳性能的指标都更优一些，因此，决定选用4 c r 5 m o s i v 】钢作为实验材料。 1 3 热作模具钢表面处理研究概述 表面处理研究是试图经过表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技 术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得 所需要表面性能的系统工程f 6 】。工业现代化的发展，对各种设备零部件表面性能的要 求越来越高，特别是在高速度、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下工作的零件， - l o - 正c 汉理t 人学坝i 。学位论文 其材料的破坏往往是自表面开始的，诸如磨损、腐蚀、高温氧化、冷热疲劳等，表面 的局部损坏义往往造成整个零什失效，最终导致设备停产。因此，改善材料的表面性 能，会有效地延睦其使用寿命、竹约资源、提高生产力、减少环境污染。表面处理l 程的晟大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，其厚度一 般为几微米到几毫米，仅为结构尺寸的几百分之一剑几十分之一，却使零件具有比本 体材料更高的耐磨性、抗腐蚀- 陛和耐高温等能力，采用表面处理技术的平均效益可提 高达5 2 0 倍以上。 根据英国和德国的统计资料，目前，表面工程研究在磨擦学各个领域中的地位已 上升到第一、二位”。表面工程学科的形成和发展，是与其在生产中的作用分不开的。 可