金属材料学第4章工模具用钢VIP

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0.61.3%CM+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23HRC,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T7T13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+3050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0.50.6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:0.51.5%，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=5070mm；AR在1820%，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，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；MnMS，AR约2022%，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200300mm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。9801030淬火150170回火，硬度为6163HRC，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,1050l100500左右多次回火，硬度回升到6062HRC。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（400500）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0.30.6%，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,700675400mm),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0.450.60%，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4044HRC，相对较高；大型模硬度在3538HRC为宜，相对较低。,?,锻模模面：大中型模3642HRC，较高；锻模模尾：大中型模3035HRC，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：5CrNiMo5CrMnMo:T淬830860;T回450580,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150200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，刃口薄冲击力和刃具比，冲击力大,耐磨性韧度高,韧度耐磨,C%，回稳性,形成稳定K,+Si、W+W、V,中高碳，0.40.6%低合金，+W、Si、V、Cr,常用钢号4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si等。Si、Cr：低温回火稳定性，并推迟低回脆性区，因此可回火温度到280，而得到较高的韧度，特别是Si元素更为有效；这些元素都淬透性、强度和耐磨性。W：进一步耐磨性和细化晶粒，W还能有效地回火脆性，所以含W钢可在430470回火，可得到更好的韧度。,2、塑料模具用钢对塑料模的要求：,加工表面应有高的光洁度，所以要求模具材料夹杂物少，组织均匀，表面硬度高；表面耐磨耐蚀，能长期保持表面光洁度；有足够的强韧性，能承受一定负荷而不变形；变形要小，以保证互换性和配合精度。,塑料模具用钢范围非常广泛，作为塑料模具专用钢并已纳入国家标准的仅有十余个.,塑料模制造成本高，材料费只占模具成本的一小部分，一般在1020%，有时甚至低于10%。因此模具材料一般是优先选用工艺性好、性能稳定和使用寿命长的材料。常用牌号有SM4Cr5MoSiV、SM2Cr13等。,小结,耐磨性与韧