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熱作模具鋼材的選材原則

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熱作模具鋼材的選材原則

發布日期:2017-12-13 作者:耀盈模具 點擊:

熱成形模具主要包括凸、凹模、上下模板、導柱導套、緊固連接螺釘、銷釘和卸料零件等,其中以凸模和凹模作為主要工作部分,頻繁地與熱變形材料接觸、直接承受來自熱成形件的高溫變形抗力、摩擦阻力和由于劇烈摩擦而產生的熱量,因此是容易磨損和損壞的零件,也是需要重點研究和提高使用壽命的關鍵零件。

一般情況下,凸模的損壞形式主要有以下幾種:

(1)因結構設計不合理引起的損壞,如長徑比過大導致凸模折斷。

(2)因磨損引起的破壞,如凸模工作帶柱面產生平行于擠壓方向的條索狀皺皮現象(將導致成形件的內孔粗糙度不合格);或者凸模工作柱狀部分和工作帶下面的錐角產生嚴重的變形(將導致成形件的尺寸精度不合格)。

凹模的損壞形式主要有以下幾種:

(1)凹模設計不合理引起的損壞,如凹模結構設計不合理時有可能沿軸線方向產生裂紋,或因變形抗力太大而沿直徑方向開裂,即在凹模內孔底部或壁部產生裂紋,并使裂紋很快擴展。

(2)因磨損引起的破壞,模具磨損會使成形件的尺寸精度超差和表面質量達不到要求。

因此在高溫成形條件下,模具材料應具有以下特性:

①很高的強度和韌性,以承受高靜水壓力、變形抗力和沖擊載荷。

②一定的紅硬性、耐熱疲勞性和耐磨性,以承受交變應力和預熱后的溫升。

③良好的熱處理性能和切削加工性能。


模具材料按照化學成分可分為碳素工具鋼、低合金工具鋼、高合金工具鋼、高速鋼和鋼結硬質合金等。

碳素工具鋼

碳素工具鋼的生產成本較低,加工性良好,熱處理后可得到較高的硬度和一定的耐磨性,用于制作尺寸不大、形狀簡單、受輕負荷的模具零件。但這類鋼的淬透性差,淬火溫度范圍窄,淬火變形大,模具零件使用壽命相對低,不適于制作大中型和復雜的模具零件。

低合金工具鋼

低合金工具鋼因含有一定量的合金元素,所以比碳素工具鋼有更高的淬透性與淬硬性,并有良好的耐磨性,一般情況下淬火變形較小,因此被廣泛用來制作形狀復雜、變形要求高的各種中小型模具。常用的低合金工具鋼有9Mn2V、MnCrWV、CrWMn、9CrWMn、MnSi.9SiCr、GCr15等。

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高合金工具鋼

高合金工具鋼中常用的高鉻工具鋼有Cr12、Cr12MoV,中鉻工具鋼有Cr6WV。高鉻工具鋼具有高淬透性、高耐磨性和熱處理變形小等優點,被廣泛用于制造承載大、生產批量大、形狀復雜的模具零件。但該材料的碳化物分布不均勻,使強度大為降低,模具在工作時邊緣崩落;此外,淬火加熱溫度的波動會引起組織和性能的很大變化。Cr12MoV由于含碳量較低,碳化物分布不均勻的情況有所改善,強度與韌性都較好。中鉻工具鋼Cr6WV可以部分代替Cr12鋼。由于鋼中含碳量顯著減少,其碳化物分布不均勻性有很大改善,其沖擊韌性和其他力學性能也較Cr12鋼好。但Cr6WV鋼的淬透性和淬硬性較Cr12型鋼差,這種鋼的淬火開裂傾向也較大,一般采用分級淬火或空冷,而不宜直接冷油淬火。

含鉻低的空冷微變形工具鋼有Cr4W2MoV、Cr2Mn2S1WMoV等。Cr4W2MoV鋼的淬透性很高,回火穩定性較高,力學性能也較好,可以用來替代Cr12型鋼。這種鋼淬火后的硬度比Cr12型鋼稍低。Cr2Mn2SiWMoV鋼屬過共析鋼,與Cr12型鋼相比,其碳化物分布均勻,淬火溫度低(820~840℃)、過熱敏感性小,而且可鍛性優于Cr12鋼。這種鋼的淬透性較高,空冷淬火的變形量很小,Cr2Mn2SiWMoV鋼的回火穩定性和力學性能均較好,耐磨性還稍高于Cr12鋼。Cr2Mn2SiWMoV鋼的最大缺點是軟化退火困難,按一般退火工藝,硬度偏高。

高速鋼

常用于模具的高速鋼有W18Cr4V、W6M05Cr4V2和6W6M05Cr4V。W18Cr4V鋼和W6M05Cr4V2鋼含合金元素很高,熱處理后有高硬度、高紅硬性和高抗壓強度,但其碳化物不均勻性級別高低以及熱處理工藝是否合理對模具壽命影響很大。

W18Cr4V鋼和W6M05Cr4V2鋼都具有優良的淬透性,尺寸不大的模具零件,一般空冷即可淬硬。由于鋼中含有大量的合金碳化物,故在很高溫度下淬火仍能保持細晶粒,具有較高的力學性能。但當奧氏體化溫度過高時,由于晶粒尺寸較大等原因,導致其強度和韌性變差。

 鋼結硬質合金

 鋼結硬質合金以碳化物為硬質相,因此與一般硬質合金一樣,具有比工具鋼更高的硬度、耐磨性和較好的剛性,同時又由于存在鋼基體,比一般硬質合金有更高的強度和韌性。材料經退火軟化后,可承受各種切削加工,以制作形狀較復雜的模具零件。同時,鋼結硬質合金可熱處理,經一定工藝的淬火、回火處理后,材料可獲得較好的力學性能,并且淬火變形極小。目前,常用于模具的鋼結硬質合金有GT35(以碳化鈦為硬質相、鉻鉬鋼為黏結相)和TLMW50(以碳化鎢為硬質相、鉻鉬鋼為黏結相)等。

熱擠壓模具最初常用熱模鋼3Cr2W8V來制造。為適應熱擠壓的需要,除3Cr2W8V外,像4Cr5W2VSi、4Cr5MoVSi、4Cr5MoVISi和4Cr4Mo2WVSi等國外通用或綜合性能較好的熱模鋼也引入我國并得到應用。中國還自行研制了5Cr4W5Mo2V基體型熱模鋼。此外,在國標中還保留了低合金鋼4SiCrV和8Cr3,主要用于輕負荷的熱擠壓模具。

3Cr2W8V過去常用于熱擠壓模和熱剪切刀,由于含鎢量高,該鋼種具有高的熱穩定性和耐磨性,但繼續提高含鎢量將會降低鋼的韌性和耐熱疲勞性能。減少3Cr2W8V中的含碳量則增加了鋼的韌性和塑性。鋼中加入鉻能獲得足夠的淬透性,并使模具有較好的抗氧化和抗蝕性能,加入少量釩還可進一步改善鋼的耐磨性。3Cr2W8V具有一定的綜合力學性能,過去應用較廣,但其耐熱疲勞性和導熱性較差,在使用中,模具易變形,產生磨損以至因熱疲勞而失效。

4Cr5W2VSi、4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si的含鉻量均為5%,并加入了其他元素(W、Mo、V、Si)。由于含鉻量高,因而有較高的淬透性,尺寸較大的模具淬火時也可以空冷,均屬冷硬化熱作模具鋼。這類鋼經淬火和高溫回火后,既具有很高的強度,又具有高韌性。此外,鉻和硅還可以提高鋼的抗氧化性和耐熱疲勞性,鎢和釩可以提高鋼的耐磨性和熱穩定性,以鉬代鎢不但可以增加淬透性,而且還可以增加韌性,提高耐熱疲勞強度。4Cr5MoVSi和4Cr5MoVISi類鋼性能良好,在國外已廣泛用于制造銅及鋼的熱擠壓模、高速錘鍛模及沖頭,也用于熱鍛模。國內試用來制造高速鍛造齒輪模具、葉片鍛造模具和中小型熱鍛模,效果較好。

SCr4W5Mo2V(代號RM2)是我國自行研制的基體型熱模鋼,該鋼材晶粒細化,偏析小、純凈度高和各向異性小,此外,有較高的高溫硬度和熱穩定性,有利于提高模具壽命,適用于工作條件較為惡劣的熱擠壓模具和精密鍛造齒輪模具。

對于輕負荷下的熱擠壓模具可選用標準中的低合金鋼4SiCrV,該鋼種的熱穩定性低于以上鋼種,但仍有較高的強度和一定的耐熱疲勞性能,在受熱不大時,可用于擠壓碳素鋼及低合金鋼。

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