金属材料学 第4章 工模具用钢.ppt

1、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%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

2、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

3、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

4、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

5、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，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。,9 CrWMn ?,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：,

6、 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 6570HRC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

7、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0.71.3%(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.,W Mo,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， 1Mo可取代1.52.0W,Cr,Cr 加热时全溶，保证钢淬透性 ，4Cr 。 改善抗氧化能力、切削能力,Co,Co 可显著

8、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： M7C3M23C6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；

9、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。 ?,12601300 T 800850 500600 580620 550570 1h 油冷 一次 350400 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

10、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820840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

11、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

12、。,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950675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 +

13、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

14、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CRM T440V(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

15、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

16、，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

17、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（400

18、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

19、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

20、、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

21、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3538HRC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：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；

22、 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

23、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