金属材料学 第4章_工模具用钢

第4章工模具用钢 按其用途可分为刃具钢 模具钢和量具钢 刃具钢可分为碳素钢 低合金工具钢和高速工具钢 模具钢根据工作状态可分为热作模具钢 冷作模具钢和塑料模具钢 量具钢用来制作量规 卡尺 样板等 用来测量工件尺寸和形状 4 1概述1 工具钢成分与性能特点 主要矛盾 韧度和耐磨性间的合理平衡 基体成分和K的性质 数量 形态和分布 成分组织 一般含0 6 1 3 C M 足够数量K M硬度高 切断抗力较高 耐磨性好 什么M Cr W Mo V等 淬透性 耐磨性和热稳定性 Mn Si辅助加入 淬透性 回稳性第二相K 球状 细小 均匀分布 工艺特点 锻造 球化退火 不完全淬火淬火工艺参数要求严格 变形开裂倾向 工艺措施 热应力 组织应力 变形 开裂 分级加热 分级淬火 等温淬火 双液淬火 零件设计与其他工艺措施等 模具增加工艺孔减少变形开裂 2 工具钢基本性能及检测方法 强度塑性 静弯或扭转试验 弯曲强度 挠度和扭转强度 扭转角 韧度 硬度 热稳定性 一般采用无缺口冲击试样 一般硬度60HRC以上 K可适当 硬度2 3HRC 对高速钢 通常就是红硬性 淬透性 断口法 碳素工具钢和低合金工具钢 端淬法 合金工具钢 以端淬曲线上60HRC处距水冷端距离表示 淬透性作用强弱顺序 Si Mn Mo Cr Ni Me 淬透性 只有溶入A中 才起作用 Me作用随钢中含碳量而变化 如Si 工具钢淬透性随热处理条件而变化 如V 注意点 Si对不同含C量钢的淬透性影响 V在不同淬火温度时对淬透性的影响 4 2碳素钢及低合金工具钢 1 碳素工具钢T7 T13做低速切削的刃具和简单的冷冲模 淬透性低 断面尺寸小于15mm的工具 T7有较好塑韧性 宜做受冲击的刃具 如凿子等 T8易过热 制造形状简单的木工工具等 T10 T12耐磨性较好 强度高 但韧度低 制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具 如车刀 铣刀等 淬火冷却方式常用水 油双液淬火 分级淬火 成本低 工艺性能好 用量大 2 低合金工具钢 淬火工艺 T淬为Ac1 30 50 油冷 熔盐分级淬火 等温淬火 B等温淬火和M等温淬火 一般组织 含碳量0 5 0 6 的M 未溶粒状K 合金化 Cr Si W Mo Mn V等元素 耐磨性和回稳性 淬透性 采用缓冷方式 变形开裂 Cr 1 左右 细化K 均匀分布 Mn 主要 淬透性 Si 低温回稳性 Si强化F 切削加工性 脱碳敏感性 不单独加入 W 0 5 1 5 W含量太多 K类型转变 且使K分布不均匀 恶化性能 V 过热敏感性 细化晶粒 回稳性 合金元素具体作用 9SiCr Si Cr 淬透性 D油60HRC K细小 均匀 不容易崩刃 分级淬火或等温淬火处理 变形较小 Si使钢的脱碳倾向较大 适于制作形状较复杂 变形要求小工件 特别是薄刃工具 如丝锥 扳牙 铰刀等 CrWMn Cr W Mn复合 淬透性 D油 50 70mm AR在18 20 淬火后变形小 含Cr W碳化物较多且较稳定 晶粒细小 高硬度 高耐磨性 回稳性较好 250 回火 60HRC W使碳化物易形成网状 适于制作要求变形小 耐磨性高的工件 如拉刀等 也可做量具及形状较复杂的高精度冲模 9CrWMn 1898年就有含W钢 1910年生产了W18Cr4V 近几十年来 高速钢的产量 品种和质量都有了很大的发展 按照其成分和性能特点可分为以下几类 钨系高速钢 典型牌号18 4 1 美M1 俄P18 钨钼系高速钢 如6 5 4 2 美M2 目前应用普遍 含钴高速钢 如W18Cr4VCo5 红硬性高 超硬高速钢 典型牌号为W6Mo5Cr4V2Al 具有65 70HRC高硬度 高红硬性特点 成本比钴高速钢低 钨系和钨钼系称为通用型高速钢 而把其它类型称为特殊用途高速钢或高性能高速钢 4 3高速钢 上左 直 锥柄加长麻花钻上右 整体硬质合金钻头铣刀 铰刀 复合刀具及非标准刀具下右 各种合金车刀 对焊高速钢锥柄钻头 高速钢 45钢 高速钢直柄麻花钻 一 高速钢中合金元素的作用 C 定比碳经验规律设计 最大二次硬化效应C 0 033 W 0 063 Mo 0 20 V 0 060 Cr 合金元素之间的相对控制法 必须解决成分 性能间数学模型 控制参数的数值范围 一般高速钢含C量0 7 1 3 质量分数 作用规律 C 硬度 但 熔点 易过热 K量 不均匀性 AR 回火次数 和AK V V显著 红硬性 硬度和耐磨性 细化晶粒 过热敏感性 以VC存在 WMo 钨是钢获得红硬性的主要元素 M6C型K 回火时析出W2C W 热导率 钢导热性差钼和钨相似 1 Mo可取代1 5 2 0 W Cr Cr加热时全溶 保证钢淬透性 4 Cr 改善抗氧化能力 切削能力 Co Co可显著提高钢的红硬性 5 8和12 三个级别 但 钢韧性 钢脱碳倾向 微量元素 微量氮增加硬度和热硬性 一般 0 10 稀土可明显改善热塑性 硫在晶界的偏聚 二 高速钢中的碳化物 铸态组织 淬火态 鱼骨状莱氏体 Ld 黑色组织 共析体等 和白亮组织 M AR 加热时 K溶解顺序为 M7C3 M23C6型在1000 左右溶解完 M6C型在1200 时部分溶解 MC型比较稳定 在1200 时开始少量溶解 回火态 主要为M6C 淬火残留 MC 回火时析出和淬火残留 M2C 回火析出 等K 高速钢的退火组织 400X 高速钢的铸态组织 400X K不均匀性结果 各向异性 形变时易应力集中开裂 热处理工艺性变坏 关键是必须经过正确的锻造 控制终锻温度 用合适的锻压比 锻造时先轻锤快打 后重锤锻打 锻后要缓慢冷却 锻后进行退火 1260 1300 T800 850 500 600 580 620 550 570 1h油冷一次350 400 分级二次三次回火分级时间t W18Cr4V高速钢常用热处理工艺方法 三 高速钢的热处理 预热 高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热 速度较快 常采用一次或多次预热为什么 预热有什么作用 高速钢导热性差 加热温度又高 预热 淬火加热过程中的变形开裂倾向 缩短高温保温时间 减少氧化脱碳 准确地控制炉温稳定性 可采用一次预热和二次预热 思考题 高速钢Ac1在820 840 范围 但其淬火加热温度必须在Ac1 400 以上 为什么 过热 过烧 欠热 T淬过高 晶粒长大 K溶解过多 K发生角状化 奥氏体中合金度过高 冷却时易在晶界上析出网状K 温度再高 晶界熔化 铸态组织特征 主要为鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织 淬火温度较低 大量K未溶 且晶粒特别细小 淬火温度 精确控制 可以从金相组织上初步判断工艺因素 W18Cr4V高速钢不同淬火温度下的组织特征 正常淬火组织 400X 欠热组织 400X 过热组织 400X 过烧组织 200X W18Cr4V钢和M2钢淬火温度与未溶碳化物量的关系 两种高速钢基体合金含量与奥氏体化温度的关系 确定淬火温度时 还需要考虑下列因素 1 不同工作条件 淬火温度应有所区别如车刀 高硬度和红硬性 采用较高T淬 中心钻 强韧度好 采用较低的T淬 2 形状 尺寸不同 T淬有不同形状复杂 如锯片 细长拉刀等 和厚薄悬殊刀具 如三面刃铣刀等 较低T淬 形状简单的工具可采用较高T淬 尺寸较小和尺寸很大的刀具 较低T淬 3 原材料级别也有影响K不均匀性大的原材料 低的T淬 一般情况 过热和过烧的危害比欠热要大 确定保温时间基本原则 一定量K溶入奥氏体 而晶粒不长大 对于一定的T淬 有一个合适的保温时间 淬火冷却 冷却很重要 方式也很多 可根据工具不同情况进行选择 分级淬火 常用一次分级或多次分级方法 80 高速钢工具是采用一次分级淬火 分级温度常在600 左右 停留时间严格控制 一般 15min 多次分级适用于形状特殊 极易变形的工具 等温淬火 采用贝氏体等温淬火可 工具的强度 韧度和切削性能 中心钻及仪表刀具等在使用中发生断头 崩刃等现象 思考题 高速钢在分级淬火时 为什么不宜在950 675 温度范围停留过长的时间 W18Cr4V钢在1300 奥氏体化后过冷奥氏体等温转变曲线 回火 高速钢一般需要在560 左右三次回火 淬火态 M 大约30 AR K 回火 M回 M 10 AR K1 回火 回火 M回 M 少量AR K2 M回 AR 少量 K3 K1等以示区别 W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量 a 和性能 b 的关系 W18Cr4V钢回火一次金相组织 400X W18Cr4V钢回火三次的金相组织 400X 同步热处理 关键是正确选择回火温度与保温时间 以便和淬火工艺相匹配 思考 可能有什么问题 表面处理 强化方法 化学热处理或在刀具表面覆层表面氮化 表面硫氮共渗等多元共渗 蒸气处理等 560 物理气相沉积 PVD法 在表面沉积TiC等覆层 新型工具钢 日本神户钢铁公司开发粉末工具钢Fe18Cr2Mo1V2 2C KAD181 经HIP后不用锻造 具有很好的性能 在模具 辊子 刀具等方面应用很广泛 美国开发坩埚粉末冶金法 CPM 韧性和耐磨性 使用寿命 如CRMT440V Fe17Cr0 4Mo5 5V 的耐蚀性与不锈钢T 440C差不多 但耐磨性是T 440C的几倍 制成的造球机刮刀 其实际使用寿命是T 440C的20倍 经济合金化是高速钢的一个发展方向 在不降低性能的前提下尽可能降低钢中的W含量 工模具表面技术 是高速工具发展的一个重要方面 近年来已成功利用离子渗入法在工具表面涂覆TiC TiN Ti C N 等涂层 发挥了优越的性能 在新型工具材料的开发上具有重要的意义 日本开发了以硼砂熔盐为基稀土钒共渗工艺 经过该工艺处理的模具耐磨性比常规处理的要提高2 8倍 这些研究提高了工模具性能和使用寿命 这些研究都是不可忽视的开发课题 4 4冷作模具钢 金属在冷态下变形 拉延 冲压 冷鐓或冷挤成形等 共同特点 工作T不高 模具主要承受高压力或冲击力 有强烈的摩擦 主要技术要求为具有高硬度和耐磨性 有一定韧性 技术要求 部分冲裁模 典型冲压模及产品 一 低合金工具钢常用低合金工具钢有9Mn2V CrWMn GCr15 9SiCr等 和碳素工具钢相比 这类钢的淬透性比较高 热处理变形较小 耐磨性也较好 所以可制造工具尺寸较大 形状比较复杂 精度要求相对较高的模具 9Mn2V特点 Mn 淬透性 D油 30mm Mn MS AR约20 22 变形小 V能克服Mn缺点 过热敏感性 细化晶粒 硬度稍低 回稳性较差 200 以下回火 VC使钢的磨削性能变差 各种类型的中小冷作模具都可采用 二 高铬和中铬模具钢1 高碳高铬模具钢主要有Cr12 Cr12MoV钢 Cr12MoV钢具有高淬透性 截面200 300mm以下可以完全淬透 Cr12MoV钢主要制造大尺寸 形状复杂 承受载荷较大的模具 曾经有 冷作模具王牌 之称 组织变化特点一 选择T淬和回火温度来控制工具的变形 调节淬火温度 T淬 AR 体积V 一定程度可抵消M转变所引起的胀大 调节回火温度 450 AR转变为M 体积 组织变化特点二 随T淬升高 K溶解量增加 奥氏体合金度增加 淬火后残余奥氏体增加 硬度下降 淬火温度的波动可引起组织和性能的较大变化 一次硬化法 低淬和低回 晶粒细小 强韧性好 980 1030 淬火 150 170 回火 硬度为61 63HRC 残奥量少 12 左右未溶 Cr Fe 7C3碳化物 一次硬化法使用较普遍 二次硬化法 1050 l100 500 左右多次回火 硬度回升到60 62HRC 热硬性较好 强韧性较低 二次硬化法适合于工作温度比较高 400 500 且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理的模具 Cr12MoV钢的硬度 残余奥氏体量与淬火温度的关系 2 高碳中铬模具钢 Cr5Mo1V 美A2 是值得推广的空冷淬硬冷作模具钢 是国际上通用的钢种 100mm以下可空冷淬硬 适用于形状复杂 要求热处理变形小又需要好的耐磨性和良好韧度的冷作模具 如下料模 成形模 冲头 剪刀片等 典型钢号 Cr4W2MoV和Cr5Mo1V K以M7C3型为主 分布较均匀 具有耐磨性好和热处理变形小的特点 适于制造既要求有高的耐磨性 又具有一定韧度的模具 3 新型冷作模具钢我国常用7Cr7Mo2V2Si钢 淬透性较好 热处理变形小 用来制造冷鐓模 冷冲模及冲头 冲剪模等 4 5热作模具钢 使热或液态金属获得所需形状 模具是在反复受热和冷却条件下工作 模具受热时间越长 受热程度就越严重 许多模具还受到较大冲击力 工作条件苛刻 模具钢应具有高抗热塑性变形能力 高韧性 高抗热疲劳 良好的抗热烧蚀性 服役条件 技术要求 钢碳含量质量分数一般在0 3 0 6 还加入Cr Mo W Si Mn V等合金元素 以提高钢的各种性能 根据工作条件热作模具钢可分为三大类 热锤锻模具钢 热挤压 热鐓锻及精锻模具钢和压铸模用钢 汽车转向节热锻模 大型 700 675 400mm 一 热锤锻模钢 服役条件 性能要求 1 反复冷 热 龟裂 热疲劳 热疲劳抗力 A1 硬度是有利的 2 表层温度 500 冲击力大 热强性 韧度 高温回火 消除回脆 整体性能好 3 强烈摩擦磨损 模具高温耐磨性 4 模具尺寸比较大 淬透性好 导热性好 2 成分特点 C 一般在0 45 0 60 以保证一定硬度和冲击韧度 Cr 一般1 左右 淬透性 回稳性 改善AK Ni 能 AK 和Cr共同作用 钢淬透性 Mn 主要代Ni 但Mn 过热敏感性和回火脆性 Si 能 强度 回稳性和耐热疲劳性 Si量 1 Mo V 有效地细化晶粒 过热倾向 回稳性 Mo W 最重要的作用是 钢的回火脆性 所以 不但热锤锻模钢都含有Mo元素 其他热作模具钢也都用Mo W 合金化 使用最广泛的是5CrNiMo和5CrMnMo钢 3 工艺特点硬度要求 小型模硬度要求在40 44HRC 相对较高 大型模硬度在35 38HRC为宜 相对较低 锻模模面 大中型模36 42HRC 较高 锻模模尾 大中型模30 35HRC 较低 思考 锻模模面和模尾硬度不同 在工艺上有什么措施 热处理工艺 5CrNiMo5 CrMnMo T淬830 860 T回450 580 左图强度和韧度与T回的关系右图硬度与T回的关系 工艺要求 注意保护模面和模尾 以避免脱碳 加热要注意预热 450左右预热 升温速度要慢 50 h 冷却要注意预冷 预冷到780 左右 循环油冷 冷至150 200 取出 淬火后必须立即回火 绝对不允许冷至室温 思考 为什么 上图锻模加热时的保护右图盐浴中燕尾部分的回火 二 热挤压模钢和热锤锻模相比 热挤压模在工作时需要较长时间与被变形加工的金属接触 其受热的温度往往更高 热挤压模还承受很大的应力和摩擦力 这类模具的尺寸一般都不大 比锤锻模要小 热挤压模主要要求有高的热稳定性 较高的高温强度 耐热疲劳性和高的耐磨性 有铬系 钨系和钼系热模具钢三类 铬系 4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV1 4Cr5W2SiV等常用 淬透性较高 较高的强度和韧度 抗氧化性较好 常用于制造尺寸不大的热锻模 钢及铜的热挤压模 铝及铜合金的压铸模等 3Cr2W8V钢使用最多 具有高的热稳定性 耐磨性 但韧度和抗热疲劳性较差 国外已基本停止 以H13代之 钨系 三 压铸模钢 压力铸造是在高的压力下 使液态金属挤满型腔成型 在工作中模具反复与炽热金属接触 要求压铸模具钢有高的耐热疲劳性 较高的导热性 良好的耐磨性及耐蚀性和一定的高温强度等 铝合金压铸模 压铸模具钢的选择首先要根据浇注金属的温度和浇注金属的种类来决定 锌合金 铝合金 镁合金是低熔点的金属合金 可以选择30CrMnSi 40Cr 5CrMnMo等低合金钢来制造压铸模具 如压铸锌合金的模具可采用5CrMnMo钢 也可使用40Cr调质钢 压铸铝 镁合金的模具目前常选用3Cr2W8V H13和4Cr5MoSiV1钢 铜合金和黑色金属的熔点比较高采用难熔金属为基的合金 如钼基合金 钨基合金等 4 6其它类型工具用钢1 耐冲击用钢 切边 冲孔 剪切等 剪切力和一般模具比 刃口薄冲击