第3章_热作模具钢及其热处理.ppt

3.1热作模具的工作条件与性能要求3.1.1热作模具的工作条件3.1.2热作模具的性能要求3.2热作模具材料的选用3.2.1锻压模具用钢的选用3.2.2热挤压模具用钢的选用3.2.3压铸模具用钢的选用3.3热作模具的制造工艺路线3.4热作模具的热处理3.4.1退火3.4.2淬火3.4.3回火3.5热作模具热处理实例3.5.1锤锻模具热处理3.5.2铬系热作模具钢热处理,第3章热作模具钢及其热处理,目录,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的工作条件1.什么是热作模具？热作模按用途分为哪几种类型？热作模具是将加热到再结晶温度以上的固态或液态金属压制成型的工具，包括热锻模具、热挤压模和压铸模三类。热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触，这是与冷作模具工作条件的主要区别。2.热作模具的工作条件如何？,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的工作条件2.热作模具的工作条件如何？(1)型腔表层工作温度高。挤压GCr15轴承套圈，钢坯加热至10501100，挤压力为20002500MPa，凹、凸模的瞬时温度高达600650，甚至超过700。尽管热锻模具不同，型腔表层金属受热温度也不相同，但是最低也有几百摄氏度;热挤压模具与压铸模具型腔表层温度更高。锤锻模：300400热挤压模：500800压铸模：ADC12铝硅合金浇注温度640700（模具预热160-270）压铸黑色金属时可达1000以上这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，为此.对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性。由此便可以找到热模具钢合金化的第一种途径，即加入Cr、W、Si.等合金元素可以提高钢的回火稳定性。,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的工作条件2.热作模具的工作条件如何？(1)型腔表层工作温度高。(2)反复被加热和冷却，易产生热疲劳。为避免热挤压模急剧升温被软化，热挤压时喷水基乳化液冷却，急冷急热，产生较大的疲劳应力。热作模具的工作特点是具有间歇性。每次使热态金属成型后都要用冷却介质冷却型腔的表面。因此，热作模具的工作状态是反复受热和冷却，从而使型腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用。其结果是引起型腔表面出现裂纹，称为热疲劳现象。,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的工作条件2.热作模具的工作条件如何？(1)型腔表层工作温度高。(2)反复被加热和冷却，易产生热疲劳。(3)工作应力高，冲击载荷大。锤锻模受强烈的冲击载荷和工作应力。压力机锻模是在高温、高的压力负荷下服役的。,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的工作条件1.什么是热作模具？热作模按用途分为哪几种类型？2.热作模具的工作条件如何？(1)型腔表层工作温度高。(2)反复被加热和冷却，易产生热疲劳。(3)工作应力高，冲击载荷大。(4)承受剧烈的摩擦磨损。被变形的热态金属在模具型腔内或模具表面的塑性流动，使热作模具承受着剧烈的摩擦。熔融的液态金属在模具型腔内快速流动，模具型腔表面承受着炽热液态金属的冲刷、摩擦。,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的工作条件1.什么是热作模具？热作模按用途分为哪几种类型？2.热作模具的工作条件如何？3.热作模具的主要失效形式有哪些？(1)变形失效变形失效是指热作模具频繁与高温毛坯工件接触使用后出现软化，因发生塑性变形超差而引起的失效。对于黑色金属成形，当模具表面软化后硬度低于30HRC时容易发生变形而堆塌。工作载荷大、工作温度高的热挤压模具和锻压模具的凸起部位易产生这类失效。(2)热疲劳失效热疲劳失效是指热作模具在工作过程中因周而复始地反复被加热和冷却，使模具表面产生网状裂纹而引起的失效。在工作过程中工作温差大，反复被快速加热又被快速冷却的压铸模具、锻压模具等易产生热疲劳裂纹。热疲劳裂纹属于表面裂纹，一般较浅，在应力作用下向内部扩展，最终导致模具产生断裂失效。(3)断裂失效断裂失效是指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷而出现失稳态下的材料开裂，包括脆性断裂、韧性断裂，疲劳断裂和腐蚀断裂。热作模具断裂(特别是早期断裂)，与工作载荷过大、选材和材料处理不当及应力集中等有关。挤压冲头及模具凸起部位根部易出现断裂失效。(4)热磨损失效热磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间相对运动产生摩擦损耗，而引起的模具尺寸超差和表面损伤失效。模具工作温度、材料的硬度、合金元素及润滑条件等都影响模具磨损。相对运动剧烈和凸起部位的模具，如热挤压冲头等易产生磨损失效。,锻造,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的工作条件3.热作模具的主要失效形式有哪些？(1)变形失效原因：高温硬度低(2)热疲劳失效原因：耐热疲劳性不足(3)断裂失效原因：高温强度和韧性低(4)热磨损失效原因：耐磨性差3.1.1热作模具的性能要求3.1.1.1热作模具的使用性能要求4.对热作模具的使用性能要求有哪些？(1)较高的高温硬度(2)优良的耐热疲劳性能(3)较高的高温强度和韧性(4)良好的耐磨性,5.对热作模具的工艺性能要求有哪些？（1）优良的加工性能切削加工性能锻压加工性能（2）较高的淬透性和淬硬性未淬透部分的屈服点和韧性会显著降低，影响模具寿命。（3）较小热处理变形倾向为保证模具质量，要求热处理变形小，组织稳定。（4）较低的脱碳敏感性表面发生氧化、脱碳，会使硬度、耐磨性和使用寿命降低。,3.1热作模具的工作条件与性能要求,3.1.1热作模具的性能要求3.1.1.1热作模具的使用性能要求3.1.1.1.2热作模具的工艺性能要求,3.2热作模具材料的选用3.2.1常用热作模具钢3.2.2锻压模具用钢的选用3.2.3热挤压模具用钢的选用3.2.4压铸模具用钢的选用,第3章热作模具钢及其热处理,目录,3.2热作模具材料的选用3.2.1常用热作模具钢3.2.1.1热作模具钢的分类按用途：热锻模用钢、热挤压模用钢、压铸模用钢，更可细分为锤锻模用钢、机锻模用钢、热挤压模用钢、热镦模用钢、热冲裁模用钢、压铸模用钢。按性能：高韧性热作模具钢、高热强性热作模具钢、高耐磨性热作模具钢，也可分为低耐热性热作模具钢、中耐热性热作模具钢、高耐热性热作模具钢。按成分：低合金热作模具钢、中合金热作模具钢、高合金热作模具钢，也可分为钨系热作模具钢、铬系热作模具钢、铬钼系热作模具钢、铬钨钼系热作模具钢。非专用热作模具钢：奥氏体耐热钢、高速工具钢、马氏体时效钢、析出硬化钢、冷热兼用基体钢等。,第3章热作模具钢及其热处理,3.2热作模具材料的选用3.2.1常用热作模具钢3.2.1.1热作模具钢的分类,第3章热作模具钢及其热处理,3.2热作模具材料的选用3.2.1常用热作模具钢3.2.1.1热作模具钢的分类,第3章热作模具钢及其热处理,3.2热作模具材料的选用3.2.1常用热作模具钢3.2.1.2热作模具钢的分类3.2.1.2热作模具钢的化学成分,第3章热作模具钢及其热处理,表3-1常用热作模具钢的化学成分,3.2热作模具材料的选用3.2.1常用热作模具钢3.2.1.2热作模具钢的分类3.2.1.2热作模具钢的化学成分热作模具钢的成分有哪些特点？(1)含碳量处于中等水平，碳的质量分数一般为0.3%0.6%；(2)加入Cr、Ni、Mn等元素，提高钢的淬透性和强度等性能；(3)加入W、Mo、V等元素，防止回火脆性，提高热稳定性及红硬性；(4)适当提高Cr、Mo、W在钢中的含量，可提高钢的抗热疲劳性。,第3章热作模具钢及其热处理,3.2热作模具材料的选用,选择热作模具钢应考虑的问题：热作模具的类型模具形状尺寸加工工艺被加工的材料种类3.2.2锻压模具用钢的选用1.锤锻模：受冲击负荷，韧性要求较高。中、小型锤锻模首选：5CrMnMo大型锤锻模首选：5CrNiMo特大型锤锻模：5Cr2NiMoVSi2.压力机锻模：冲击负荷较小，负荷较大，要求热强性较高。压力机锻模首选：4Cr5MoSiV4Cr5MoSiV1,3.2热作模具材料的选用,表3-2常用的锻压模具钢的选用,热挤压模具的工作特点是加载速度较慢，因此，型腔受热温度较高，通常可达500800。对这类钢的使用性能要求应以耐磨性、高的回火稳定性和抗热疲劳性能为主。轻合金挤压:选用韧性较好的热作模具钢，如4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢。钢、铜和铜合金挤压:除了选用4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1钢外，也可选用高温强度较好的热作模具钢，如3Cr2W8V钢。5Cr4W5Mo2V钢是新型的热作模具钢，该钢具有较高的红硬性，高温强度和较高的耐磨性，可进行一般的热处理或化学热处理，可代替3Cr2W8V钢制造某些热挤压模具，使用寿命较高。,3.2.3热挤压模具用钢的选用,表3-3热挤压模具用钢选择,3.2.4压铸模具用钢的选用,3.2.4压铸模具用钢的选用,压铸模具在服役条件下不断承受高速、高压喷射、金属的冲刷腐蚀和加热作用，从总体上看，压铸模具用钢的使用性能要求与热挤压模具用钢相近，即以要求耐磨性、高的回火稳定性与抗热疲劳性为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤压模具用钢相同。Zn合金压铸模具:4Cr5MoSiV1，4Cr5W2VSi钢等；Al和Mg合金压铸模具:4Cr5MoSiV1，3Cr3Mo3W2V钢等。Cu合金压铸模具:3Cr3Mo3W2V，3Cr2W8V钢。3Cr3Mo3W2V钢具有较高的热强性、抗热疲劳性能，又具有良好的耐磨性和抗回火稳定性等。3Cr3Mo3W2V钢的韧性和抗热疲劳性能优于3Cr2W8V钢，其使用寿命也高于3Cr2W8V钢。压铸模具用钢选择可以参考表3-4。,3.2.4压铸模具用钢的选用,表3-4压铸模具用钢选择,3.3热作模具的制造工艺路线,热作模具的制造，就是通过各种专业工艺，按照一定顺序，进行加工、装配来完成的。热作模具的制造工艺路线大致为毛坯制备、成形加工、热处理、钳工整修、模具装配、试模与验收等阶段。一般热作模具主要零件的制造工艺路线：毛坯锻造退火机械粗加工精加工成形淬火、高温回火钳工整修、抛光模具装配试模。,1.毛坯制备2.成型加工3.热处理4.钳工整修5.模具装配6.试模与验收,3.3热作模具的制造工艺路线,毛坯锻造,表3-5各类热作模具钢的锻造温度,3.4热作模具的热处理,热处理是热作模具制造中不可缺少的重要工序。热处理目的就是通过加热和冷却的方法，改变钢的组织，提高硬度、韧性等力学性能。热作模具使用条件不同，对其性能要求的重点也不同。比如，锤锻模对韧性要求较高，而热挤压模具以耐磨性、高的回火稳定性、抗热疲劳性为主。这就要求对不同的热作模具采取不同的热处理工艺，以达到要求的使用性能。热处理对热作模具的质量和使用寿命都有重要的影响。,3.4热作模具的热处理,3.4.1退火3.4.2淬火3.4.3回火,3.4热作模具的热处理,3.4.1退火(1)完全退火：Ac3+(3050)，保温，炉冷。(2)等温退火：Ac3+(3050)加热，快冷到Ar1以下温度等温，出炉空冷。(3)球化退火：Ac1+(2030)加热，快冷到Ar1-(2030)等温，出炉空冷。(4)扩散退火：1000以上，并长时间保温，使钢化学成分和组织均匀。(5)去应力退火：6006503.4.2淬火1.淬火加热：淬火加热温度为Ac3+(3050)2.冷却方法：油冷或空冷，冷到150200时，取出立即回火。3.4.3回火1.高温回火：500650回火。2.两次或多次回火：第二次回火温度应比第一次低20。淬火后，残余奥氏体较多，一次回火以后，残余奥氏体分解转变产物由于没有回火，所以韧性很差。因此对于淬火温度高于950的高合金热作模具，一般要进行两次或多次回火。3.回火温度应避免二次硬化峰值温度，一般在略高于二次硬化峰值的温度回火。,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理3.5.2铬系热作模具钢热处理3.5.3钨钼系热作模具钢热处理1.退火工艺2.淬火工艺3.回火工艺,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理钢的特点：成分特点：中碳（0.4%0.5%），低合金（5%）性能特点：韧性高，耐冲击性能好，但耐热性相对较低。工作温度：400500。所属类别：低合金热作模具钢低耐热性热作模具钢高韧性热作模具钢主要用途：制造锤锻模具常用钢号：5CrMnMo、5CrNiMo锤锻模具钢的选用：小型模块：选用5CrMnMo钢大、中型模块：选用5CrNiMo钢大截面锤锻模：5Cr2NiMoVSi钢4CrMnSiMoV钢：适于制造各种类型的锤锻模。,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理1.退火工艺表3-6部分锤锻模具钢的临界温度,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理1.退火工艺,表3-7四种锤锻模具钢的退火工艺,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理1.退火工艺,图3-1锤锻模具钢5CrMnMo、5CrNiMo普通退火工艺,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理1.退火工艺,图3-2锤锻模具钢4CrMnSiMoV球化等温退火工艺,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理2.淬火工艺加热：Ac3+（5080）,表3-8几种锤锻模具钢的淬火温度与硬度,冷却：空气中预冷至750780，入油冷却，冷到150180时立即回火,表3-9模具淬火冷却时间,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理2.淬火工艺,注意：1.淬火加热保护:将模具放入铁盘，用保护剂填满，用耐火泥或黄泥密封。2.避免淬火开裂：油冷不能冷到室温3.避免形成上贝氏体：增加大型模具心部冷速不在350500缓冷4.油淬组织硬度：针状马氏体+少量残余奥氏体5258HRC,图3-35CrNiMo钢奥氏体等温转变曲线,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理3.回火工艺（1）淬火后应立即进行高温回火，以消除淬火应力，获得较好的韧性。（2）回火后采用油冷，以免产生回火脆。油中不能冷却到室温，以免开裂。（3）回火保温时间系数为3min/mm，且回火保温时间不少于2h。（4）小型模具采用较低的回火温度，大型模具采用较高的回火温度。（5）回火后的组织：回火索氏体+回火托氏体。表3-10不同尺寸模具回火温度与回火后的硬度,3.5热作模具热处理实例,3.5.1锤锻模具热处理2.淬火、回火工艺,图3-4锤锻模具钢5CrMnMo、5CrNiMo淬火回火工艺注意：书上的图7-2回火后“空冷”是错误的。,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理1.铬系热作模具钢的特点：成分特点：中碳偏低（0.3%0.5%），中合金（7%9%），Cr较高（3%5%）性能特点：具有较高的硬度、热强性和耐磨性，在所有的热作模具材料中，含Cr的质量分数为5的热作模具钢具有最高的抗疲劳强度。工作温度：500600所属类别：中合金热作模具钢中耐热性热作模具钢高强韧性热作模具钢主要用途：制造热挤压模、压铸模、机锻模和锤锻模常用钢号：4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr5W2VSi2.铬系热作模具钢的用途：4Cr5MoSiV（H11）：压铸模、热挤压模、锤锻模、机锻模4Cr5MoSiV1（H13）：热挤压模具、锤锻模、机锻模、压铸模4Cr5W2VSi：热挤压模、压铸模、高速锤锻模,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理1.退火工艺2.淬火工艺3.回火工艺,表3-11三种铬系热作模具钢的临界温度,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理1.退火工艺表3-12三种铬系热作模具钢的退火工艺,注意：1.最好在可控气氛炉中进行加热，以避免模具氧化、脱碳。2.球化退火火后得到球化珠光体和少量碳化物。3.大型的形状复杂的模具粗加工后应进行去应力退火：73076024h，炉冷。,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理2.淬火工艺,表3-13三种铬系热作模具钢的淬火温度与淬火硬度,（1）预热：为减少变形，应采用550和850两段预热，时间系数为0.5min/mm。在550预热时加热速度必须缓慢，在850预热时加热速度可以快些。（2）加热：如表3-13所示，保温时间系数为0.51min/mm。为减少氧化、脱碳，最好采用可控气氛炉、盐浴炉或真空炉进行加热。（3）冷却：油冷、空冷都可以，还可以采用350500分级冷却。空冷或分级冷却时应保证不析出碳化物，模具心部不出现上贝氏体。,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理2.淬火工艺,注意：大型模具空冷或500以上分级冷却时，容易析出碳化物，并且模具心部出现贝氏体。4Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变曲线如图3-3所示。4Cr5MoSiV1钢经过高温奥氏体化后，如果冷却速度缓慢，在500以上会析出先共析碳化物。所以在冷却时，应该快速冷却至450，以避免析出先共析碳化物，影响性能。,图3-34Cr5MoSiV1钢奥氏体等温转变曲线,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理3.回火工艺（1）采用550650高温回火，回火温度根据硬度要求参考表3-14确定。铬系热作模具钢在500左右回火时，出现二次硬化现象，回火硬度最高，但是回火韧性最差，所以应避免在500附近回火。表3-14三种铬系热作模具钢的回火硬度与对应的回火温度,（2）回火保温时间系数为3min/mm，并且不能少于2h。（3）两次回火，第二次回火比第一次回火温度低20。铬系热作模具钢淬火后有一些残余奥氏体，一次回火后残余奥氏体分解，其转变产物韧性差，比较脆，容易造成模具开裂，必须两次回火。（4）4Cr5MoSiV1钢在630高温回火后得到回火索氏体+回火托氏体。,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理,图3-4铬系热作模具钢的一般热处理过程,3.5热作模具热处理实例,3.5.2铬系热作模具钢热处理,图3-4铬系热作模具钢4Cr5MoSiV淬火回火工艺,3.5热作模具热处理实例,3.5.3钨钼系热作模具钢热处理（高耐热性热作模具钢热处理）钨钼系热作模具钢的特点：成分特点：中碳（0.3%0.5%），高合金（7.9%），W、Mo较高性能特点：高的高温强度、高温硬度、回火抗力均高于前两种钢，但塑性和抗热疲劳性低于前两种钢。工作温度：600700所属类别：高合金热作模具钢高耐热性热作模具钢高热强性热作模具钢主要用途：制造热挤压模、压铸模、机锻模和锤锻模常用钢号：3Cr2W8V(H21)、3Cr3Mo3W2V(HM-1)、5Cr4W5Mo2V(RM2)（美国）（北京机电研究所）（北京机电研究所）钨钼系热作模具钢的用途：3Cr2W8V(H21)：静载荷较高但冲击载荷较低的机锻模、铜合金热挤压模、压铸模3Cr3Mo3W2V(HM-1)：热镦锻模、机锻模、热挤压模、压铸模5Cr4W5Mo2V(RM2)：热挤压模、精锻模、热冲模等，寿命比3Cr2W8V高数倍,3.5热作模具热处理实例,3.5.3钨钼系热作模具钢热处理1.退火工艺2.淬火工艺3.回火工艺表3-16三种钨钼系热作模具钢的临界温度,3.5热作模具热处理实例,3.5.3钨钼系热作模具钢热处理1.退火工艺表3-17三种钨钼系热作模具钢的退火工艺,注意：3Cr3Mo3W2V钢和5Cr4W5Mo2V钢因含钼而容易氧化、脱碳，最好采用可控气氛热处理炉或真空炉加热。退火组织一般为粒状珠光体+合金碳化物。,3.5热作模具热处理实例,3.5.3钨钼系热作模具钢热处理2.淬火工