第三章热作模具材料.ppt

小结,冷作模具钢强韧化处理：低淬低回、高淬高回微细化处理：基体、碳化物方法：四步处理法、微循环超细化分级淬火和等温淬火,小结冷作模具钢1冲裁模：淬火+低温回火表面处理2冷镦模：淬火+多次低温回火中温淬火+中回表面处理3冷挤压模：淬火+低温回火表面处理4拉深模：分级淬火+低温回火或高温回火实例分析：工作条件、失效形式、性能要求、选材、加工路线、热处理工艺,成分,组织结构,性能,淬透性：Mn、Si、Cr、Mo、Ni耐磨性：Cr、W、V红硬性（二次硬化）：Mo、W、V回火稳定性：Si、Cr、Mo细化晶粒：V耐腐蚀性：Si、Ni第二类回火脆性：Mo,力学性能工艺性能,Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe,C,F、P、Fe3C、B、M、A、合金碳化物,工艺性能,热处理工艺性能,强度Re(s)、Rm(b)、bb、bc、-1,硬度HB、HR(A、B、C）、HV、热硬性,塑性Z()、A(),韧性ak、强度,耐磨性、疲劳抗力、耐热性、耐蚀性,可锻性,可切削性,可磨削性,淬透性回火稳定性脱碳、过热倾向淬火变形、开裂,力学性能,常用的热作模具钢分析、讲解基本思路：性能应用材料热处理（预先热处理、最终热处理）特例及其它要求材料,第三章热作模具钢（内容要点）,热作模具钢的性能要求及成分特点热作模具钢及热处理其他热作模具材料热作模具的热强韧化处理,第三章热作模具材料,热作模具材料是将加热或高温液态的金属进行热变形加工和压力铸造成型的模具材料,工件的热锻成型过程,热作模具材料的性能要求及成分特点性能要求：较高的高温强度和良好的韧性（高温冲击）良好的耐磨性能（磨损、氧化腐蚀、铁屑研磨）高的稳定性（高温下不塑变，保持高的力学性能）、优良的耐热疲劳性（冷热、收缩膨胀会产生热应力，形成龟裂，热疲劳）高的淬透性（需要整体性能）、良好的导热性及成型加工工艺性能,热作模具钢与冷作模具钢性能要求对比,热作模具钢较高的高温强度和良好的韧性良好的耐磨性能高的稳定性、优良的耐热疲劳性高的淬透性、良好的导热性及成形加工工艺性,冷作模具钢高的硬度和耐磨性足够的强度和韧性良好的疲劳性能和良好的抗咬合能力热处理变形小，足够淬透性,热锻机,水压机,成分碳：由于热作模具钢要求是高温强韧性，其次为耐磨性，因此含碳量不宜过高或过低，一般0.5%，以保证韧性强化铁素体和增加淬透性的元素：Cr、Mn、Si、Mo、Ni防止回火脆性，提高红硬性和二次硬化效果：W、Mo提高高温强度和热疲劳抗力：Cr、W、Si,热作模具钢及热处理分类：用途：热锻模、热挤压模、压铸模、热冲裁模工作温度：低耐热钢（350370）、中耐热钢（550600）、高耐热钢（580650）性能：高韧性、高热强、高耐磨（热作模具钢）,热作模具钢的分类,热作模具钢的热处理,冷作模具钢分类,热锻模用钢及热处理工作条件：高温（1000）、高压、高冲击载荷（可达几t）、较大的摩擦，还具有较大的热应力失效形式：热疲劳裂纹、开裂、磨损性能：高温强韧性，良好的耐磨性和耐热疲劳性、高的淬透性,典型钢种：5CrNiMo：良好的综合力学性能和淬透性，适用于制造形状复杂、冲击负荷大，要求强度和韧性较高的、300400mm的大中型锻模；5CrMnMo：其冲击韧度和淬透性、耐磨性低于5CrNiMo，适于制造受力较轻的、250mm的小型模具上述两种材料，在较大截面和较高温度热稳定性、热疲劳性及淬透性都不够，难以满足制作中型、大型或超大型锤锻模,45Cr2NiMoVSi（简称45Cr2)、5Cr2NiMoVSi（简称5Cr2)，两者中既含有较高的Cr、Ni、Mo，又加入了少量的V，CCT、TTT曲线移向高温区，并向右移，提高淬透性；具有二次硬化效果（Mo）；具有较高的高温强度、热稳定性及强韧性；较好的热磨损性、热疲劳性及抗热裂纹扩展能力；寿命延长适宜制造高强韧性、大截面锤锻模,除了以上讲解的热锻模具材料以外，还有国内外近年来研制的4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等,材料选用锤锻模材料选用举例及硬度要求,热处理工艺路线：下料锻造退火机械粗加工无损检测成型加工淬、回火钳修抛光锻造和退火：锻造的加热温度11001150，始锻温度为10501100，终锻温度800850冷至150200空冷。退火得到珠光体和铁素体组织主要锤锻模具钢的退火工艺,无损检测淬火、回火：淬火：加热温度：5CrMnMo8308505CrNiMo830860、45Cr2950980加热方式：为防止氧化脱碳，通常采用盐浴1min/mm、箱式23min/mm（加保护）保温时间：=D（真空）冷却：油淬、分级淬火（适用于小型模具，分级温度为150180）或等温淬火，常采用油淬,油淬时，有一些小窍门，经常在生产中应用为减少变形，要先在空气中预冷，应预冷至750780再淬火；为防止淬火时应力过大而开裂，尽量采用油循环（油温4070），判断出油时间可从以下：锻模表面只冒青烟而不着火（一般在150200）；从声音判断；从振动来看；在油中的停留时间，一般小型锻模为1520min，中型的为2545min，大型的为4570min,回火：模具出油后应尽快回火，不允许冷到室温再回火，否则易开裂热锻模回火主要有模腔回火和燕尾回火组成,燕尾与锤头直接接触，硬度高于锤头，而且燕尾根部易应力集中，因而硬度也不宜太高，通常，燕尾的硬度低于模腔的。由于燕尾和模腔要求一定的韧性，因此回火温度要大于400，同时为防止第二类回火脆性，可采用油淬，100出油。要减少内应力，在160180再进行一次低温回火,燕尾可采用单独加热回火和自行回火锤锻模回火工艺,其他热锻模用钢及选用其他类型热锻模的材料选用举例及其硬度要求,热挤压模用钢及热处理工作条件：压缩应力、弯曲应力及脱模时承受的拉应力、冲击载荷，有时工作温度可高达600800失效形式：模腔过量塑性变形、开裂、热疲劳和热磨损性能要求：高的热稳定性，较高的高温强度和足够的韧性，良好的耐热疲劳性和高耐磨性,热挤压模具钢及性能特点钨系热作模具钢：3Cr2W8V(耐热疲劳性较差）铬系热作模具钢：4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1和4Cr5W2VSi，属中碳中铬钢,主要特性为：高淬透性：含铬量高，适于分级淬火；耐热疲劳性好：含铬、硅量高，抗氧化性好，适于急冷急热工艺；回火稳定性高：可在500550保持高硬度较高韧性，但耐热性差，工作温度650热塑性好，变形抗力小，但锻造范围稍窄,铬钼钢及铬钨钼钢：4Cr3Mo3SiV（H10)、3Cr3Mo3VNb（HM3）、3Cr3Mo3W2V（HM1）、5Cr4W5Mo2V（RM2）此类钢因含有W、Mo等元素，回火稳定性和热稳定性高于铬系钢，耐热性接近或超过3Cr2W8V，若再加入镍会避免韧性的下降,基体钢：可兼做冷作模具钢和热作模具钢6W8Cr4VTi（LM1）、6Cr5Mo3W2VSiTi（LM2）、6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2）、5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）等，其中012Al较多用于热挤压模012Al具有较高的韧性和热稳定性，耐热疲劳性也高于3Cr2W8V,部分基体钢和热作模具钢的性能比较,热挤压模的材料选用及硬度要求,续,热挤压模的热处理工艺路线：下料锻造预先热处理机械粗加工淬火、回火精加工锻造：为避免严重脱碳而导致模具早期失效，对于热挤压模这样的高合金钢，需良好的锻造性能,常用热挤压模具钢的锻造工艺,预先热处理退火：一般要获得圆而细小的碳化物，以保障钢的韧性热挤压模具钢的退火工艺,调质：为保证毛坯的力学性能（尤其是断裂韧度），采用锻后高温淬火和高温回火一般3Cr3Mo3W2V（HM1）1200淬火，700750高温回火锻后正火：为消除沿晶链状碳化物，需正火后再球化退火,淬、回火淬火：温度：要考虑奥氏体晶粒尺寸的大小和冲击韧度的高低，同时，还要考虑模具的工作条件、结构形式、失效形式对性能的要求保温时间：主要考虑组织要转变完全冷却：热挤压模具钢属于高合金钢，淬透性较好，可采用油冷或空冷,回火：回火温度选择原则为在不影响模具抗脆断能力的前提下，尽可能提高模具的硬度淬火后的模具应尽快回火，以减小残余应力回火一般进行两次，时间可按3min/mm，但不应低于2h。第二次回火温度比第一次的低1020,热挤压模具钢的常规热处理工艺,压铸模用钢及其热处理工作条件：压铸模受热温度高，时间长；承受压力大；要反复地的加热和冷却；金属液高速冲刷（磨损和腐蚀）失效形式：热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀性能：较高的耐热性和良好的高温力学性能，优良的耐热疲劳性，高的导热性，良好的抗氧化性和耐蚀性、耐磨性，高的淬透性,压铸模用钢3Cr2W8V此类钢属过共析钢（Cr、W使S点左移）碳：含碳量较低，韧性、导热性提高钨：形成含钨碳化物非常稳定，增加了回火稳定性、热强性和热硬性，阻止晶粒长大铬：提高淬透性和抗氧化性钒：细化晶粒，增加二次硬化效果,3Cr3Mo3W2V（HM1）与3Cr2W8V钢相比，成分上有了变化，具有优良的强韧性；在保持高强度和高的热稳定性的同时，有良好的耐热疲劳性4Cr5MoSiV1具有良好的韧性、耐热疲劳抗力和抗氧化性，其使用寿命高于3Cr2W8V,选择压铸模材料的依据根据压铸金属的种类及其压铸温度的高低来决定考虑生产批量大小和压铸件的形状、重量以及精度要求,选材：压铸模可分为：锌合金、铝或镁合金、铜合金和钢铁压铸模成形部分零件的材料选用举例,工艺路线：一般压铸模：锻造退火机械粗加工稳定化处理精加工成形淬火+回火钳修发蓝复杂、精度高压铸模：锻造退火粗加工调质精加工成形钳修渗氮或软氮化研磨抛光,工艺锻造：加热温度的始锻温度（1000），终锻温度（850）退火：不完全退火加热830850，时间为34h后以小于40/h的速度炉冷至400以下出炉空冷。稳定化处理去应力退火（680）等温球化退火加热850，等温710740，时间为34h，然后炉冷至500以下出炉空冷。得到组织为P+K粒,3Cr2W8V钢连续退火金相组织800,淬火：导热性差，应采用一次或多次预热；温度选择：根据所要求的性能不同，较高韧性低淬；较高高温强度高淬；3Cr2W8V温度为10501150，3Cr3Mo3W2V温度为10601130为溶解碳化物，均匀奥氏体，加热时间要延长，在盐浴炉中=0.81.0min/mm；冷却：形状简单、变形要求不高的压铸模用油冷；形状复杂、变形要求高的用分级淬火，在150180均热后回火,回火：600时，需23次回火（第一次回火温度选在二次硬化的温度范围，第二次回火温度选在模具达到所要求硬度的温度范围，第三次回火温度要低于第二回火1020），然后油冷或空冷，时间不少于2h，再160200补充回火调质：为获得良好的综合力学性能，可作为预先热处理表面强化：提高耐磨耐蚀性，可采用氮化、氮碳共渗（软氮化），渗金属（Cr、Al、B）,3Cr2W8V钢制压铸模的几种热处理工艺,热冲裁模用钢工作条件：由于热冲裁模的工作温度较低，因此，对材料的性能要求不高失效形式：热冲裁凹模为磨损和崩刃；凸模为断裂和磨损性能要求：热作模具钢的所有要求，同时特别要有高的耐磨性、良好的强韧性以及加工工艺性能,主要用钢：5CrNiMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1和8Cr3，其中使用较多的是8Cr3热冲裁模的材料选用举例及其要求的硬度,预先热处理：锻后必须要经过退火，加热790810，保温23h，出炉空冷至700720等温34h，炉冷至600出炉，硬度241HBS最终热处理：淬火温度为820840，预冷至780，在油中冷至150200，立即回火回火不应低于460，否则韧性太低。一般根据硬度要求，回火温度在480520，硬度为4145HRC,其他热作模具材料硬质合金分类：金属陶瓷硬质合金包括金属碳化物粉末（WC、TiC）、粘结剂（Co、Ni）钢结硬质合金包括金属碳化物（硬质相）、粘结剂（合金钢）性能：热硬性、耐磨性高、热稳定性好、抗氧化性能和耐腐蚀性高应用：镶块、压铸模、热挤压模等,高温合金分类：铁基、镍基、钴基性能：6501000高温下保持高的强度和硬度应用：黄铜、钛及镍合金等的热挤压模具难熔金属合金分类：钼基和钨基合金（熔点大于1700）性能：熔点高，高温强度大，耐热性和耐蚀性好，耐疲劳性好等。应用：较高温度下的压铸模、热挤压模,热作模具的强韧化处理热作模具钢的主要性能是强韧性，其次才是耐磨性、热疲劳等性能。因此，选择热作模具除在选材上下功夫外，还要注意热处理的选择。下面介绍几种提高热作模具使用寿命的热处理工艺及热处理工艺实例,热作模具的高温淬火淬火后获得的组织为马氏体，而马氏体又可分为：板条马氏体（位错、低碳、高温，其性能为综合力学性能）片状马氏体（孪晶、高碳、低温，其性能为硬而脆）,球墨铸铁淬火G球+M+A,15钢淬火组织M低,高碳马氏体,低碳马氏体,因此，在模具中，希望得到板条马氏体，一般加热温度要高于常规淬火温度，如5CrMnMo（830850升至900）、5CrNiMo（830860升至950），然后进行450回火，以提高强度及耐疲劳性,对含较多W、Mo、V、Cr的模具钢，常常提高温度，使合金元素溶入钢中，提高强韧性等性能，如：3Cr2W8V（1050升至1150）、4Cr5MoSiV1（1030升至11301160）,热作模具的复合热处理复合强韧化（双重淬火法）复合强韧化处理是将模具的锻热淬火与最终热处理淬火回火相结合的处理工艺。因为是用锻后高温淬火及高温回火取代原来的球化退火，因此又称为双重淬火法。它可细化组织，清除带状组织,3Cr2W8V经1200的锻热固溶淬火后，经720730高温回火，可获得高温弥散析出的合金碳化物及韧性高的索氏体。最终热处理采用常规热处理或高温淬火,晶粒度级别,晶粒度级别越高，晶粒越细。工业中常用的细晶粒是78级，晶粒尺寸为0.022mm左右,纯铁的屈服强度和韧性与晶粒大小的关系,经不同处理的轴承凸模的组织（5Cr4W5Mo2V）500a）常规处理b）双重处理,经不同热处理的轴承凸模的失效形式a）常规处理b）双重处理,复合等温处理为防止上贝氏体组织的出现，可采用下图的工艺进行处理，得到马氏体和下贝氏体，心部组织为下贝氏体,5CrNiMo、5CrNiMo钢的复合等温处理工艺,下贝氏体的形成示意图,下贝氏体的形貌,热作模具热处理实例工作条件：某载重车发动机凸轮轴锻模，凸轮带动曲轴