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收藏词条   编辑词条 热变形模具钢

创建时间:2010-04-06

热变形模具钢是一种冶金的专业术语。

一、热变形模具的服役条件、失效方式和性能要求:

根据工作条件,热变形模具(又称热作模具)可以分为锤锻模、热挤压模、热镦模、精锻模和压铸模。

1、锤锻模

工作条件:在高温下通过冲击加压,强制金属成形。模具在工作过程中经受巨大的冲击负荷,同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力,被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈的摩擦力,型腔表面经常与高温金属(黑色金属为1100~1150℃,有色金属温度稍低)接触,被加热至300~400℃,局部高达500~600℃。此外用于经常受到反复加热和冷却,极易产生热疲劳损伤。

失效方式:型腔尺寸被磨损和产生纵向、横向裂纹,以及网状裂纹(龟裂),即所谓热疲劳裂纹。

性能要求:在工作温度下保持高的强度、良好的冲击韧性、高的热疲劳抗力、良好的抗氧化性、抗热冲刷能力、良好的导热性。

2、热挤压模

工作条件:热挤压模的受力情况与冷挤压模有相似的一面,热挤压冲头在整个工作过程中的受力状况是承受带弯曲应力的拉压(大压、小压)交变应力(拉压疲劳),也承受一定的多次冲击压缩负荷。另一方面在冷、热应力作用下,冲头又经受热疲劳和冲刷(又称热磨损)。

失效方式:热疲劳(龟裂)裂纹和表面磨损

性能要求:要求模具材料在工作温度下有高的强度(拉压疲劳强度和弯曲疲劳强度)、高的硬度和高的耐磨性,高的热疲劳抗力、抗氧化性、抗热冲刷能力和良好的导热性。

3、压铸模

工作条件:在高压下使熔融金属压铸成形,故模具在工作时经受高的压力,反复与炽热金属(有色合金600℃左右;黑色金属压铸温度更高)接触,被反复加热与冷却、工作型腔易产生热疲劳和磨损,且型腔与炽热的金属相接触,易发生化学作用。

失效发生:在机械、热和化学介质作用下,模具型腔变得粗糙,产生裂纹、损伤、磨损与腐蚀等。

性能要求:高的淬透性,优良的抗热烧蚀性(包括高的热疲劳抗力。抗氧化性和热强性)。

二、锻模用钢

我国使用最广泛的锤锻模用钢为5CrMnMo,5CrNiMo。

1.化学成分

这类钢要求有一定的硬度,又要求有高的冲击韧性。

碳:碳含量不宜过高,一般在0.45-0.6%之间。

铬:铬可以提高钢的强度,含量在1%左右,能较明显地提高钢的冲击韧性,同时增加钢的淬透性和回火稳定性。

镍:镍显著地提高钢的强度和韧性,对于同时含铬、钼的钢来说,镍能大大提高钢的淬透性。

锰:锰主要用来代替镍,能显著地提高钢的淬透性,锰增加钢的过热敏感性并引起回火脆性。

硅:硅能增加钢的淬透性,提高钢的强度。回火稳定性和耐热疲劳性,但硅含量较高(>1%)使,会增加钢的回火脆性,降低冲击韧性。

钼、钒:钼和钒的都能细化晶粒,减少过热倾向,提高钢的回火稳定性,钼还能削弱回火脆性。

2、锻造和退火

锤锻模用钢由于在工作过程中承受很高的应力和冲击载荷,所以必须具有均匀的组织和性能,这对于大型的或形状复杂的模具尤为重要。因此,对于制造承受高负荷或大型模具的坯料,要经过各向锻造的过程,并进行镦粗和拔长,其交替进行的次数应不少于2~3次。5CrNiMo、5CrMnMo等钢的锻造加热温度为1150~1180℃,终锻温度为850~880℃。为减轻脱碳现象,加热温度不宜过高,加热时间不宜过长。锻造后应进行缓冷。锻坯可进行不完全退火或高温回火。5CrNiMo钢的退火工艺如下:

钢号加热温度
(℃)保温时间
(h)冷却方法
5CrNiMo780-8004-6
炉冷(50℃/h)至~500℃后空冷

3、淬火和回火

小型锻模:由于小型模锻件冷却比较快,强度较高,故锻模需具有较高的耐磨性,硬度应在HRC40~44范围内。

中型锻模:中型锻模加工较大的锻件,允许有较低的硬度HRC36~41。

大型锻模:大型锻模由于锻模尺寸很大,淬火时的应力和变形比较大,需要有较高的韧性,硬度以在HRC35~38范围内为宜。

锤锻模用钢的淬火温度和回火如下:

钢号淬火温度(℃)冷却介质硬度(HRC)
5CrNiMo830-860油53~58
5CrMnMo820-850油53~58


钢号
锻模类型回火温度(℃)硬度(HRC)
5CrNiMo小型490~52044~47
 中型520~54038~42
大型
560~59034~37

5CrMnMo小型490~52041~47
-中型520~54038~41

三、热挤压、压铸模用钢

许多热挤压模、压铸模需较长时间与高温的金属接触,受热的温度比较高,还要承受较高的应力。

此类钢常见的有铬系和钨系,成分如下:

钢号化学成分(%)
CSiMnCrNiMoWV
5CrNiMo0.5
0.6≤0.40.5
0.80.5
0.81.4
1.80.15
0.3----
5CrMnMo0.5
0.60.25
0.61.2
1.60.6
0.9--0.15
0.3----
4Cr5MoSiV0.32
0.420.8
1.2≤0.44.5
5.5--1.2
1.5--0.3
0.5
4Cr5MoSiV10.32
0.420.8
1.2≤0.44.5
5.5--1.2
1.5
--0.8
1.1
3Cr2W8V0.3
0.4≤0.4≤0.42.2
2.7----7.5
9.00.2
0.5

1、铬系热变形模具钢

铬系热变形模具钢含有大约5%Cr,并加入W、Mo、V、Si。由于含Cr较高,因而有较高的淬透性。加入1%Mo时,淬透性更高,故尺寸很大的模具淬火时也可以空冷。图8-4-1为淬火温度对4Cr5MoSiV钢硬度的影响。

图8-4-1淬火温度对4Cr5MoSiV钢硬度的影响

这类钢具有高的强度和韧性,抗氧化性较好(由于含Cr和Si),Si、Cr还提高钢的临界点,有利于提高其抗热疲劳性能,加入V可加强钢的二次硬化现象,增加热稳定性。图8-4-2为回火温度对几种钢硬度的影响。

图8-4-2回火温度对几种钢硬度的影响

2、钨系热变形模具钢

钨系热变形模具钢主要用于制作尺寸不大的热锻模、铝及铜合金的压铸模、钢及铜合金的热挤压模等。

钨系热变形模具钢的主要特点是具有高的热稳定性,W提高热稳定性和耐磨性,含W量越高,热稳定性越高。Cr增加钢的淬透性,使模具有较好的抗氧化性。3Cr2W8V钢由于大量合金元素的加入,使共析点大大左移,因此含碳量不高,但已属于过共析钢。碳化物形成元素W和Cr提高钢的临界点,因而提高抗热疲劳性能,同时在高温下比低合金热变形模具钢具有更高的强度和硬度。

3、锻造和热处理:

以3Cr2W8V钢为例:

锻造:
始锻温度为1080~1120℃,终锻温度为900~850℃。

退火:
退火工艺为830~850℃,保温3~4h后,以£40℃/h的速度炉冷至£400℃,出炉空冷。退火状态组织为铁素体基体上分布着M2C和M23C6。

淬火:
成品热处理工艺一般采用1080℃~1150℃淬火加热。如要求高温机械性能时(如作压铸模),则采用上限加热温度,使合金碳化物充分溶解,以保证高硬度和高的热硬性。对于承受一定载荷,要求有较好韧性的模具(如热锻模),则采用下限淬火温度。淬火后的组织为马氏体和过剩碳化物(6%左右)以及残余奥氏体。硬度为HRC50-55。

回火:
回火温度一般采用560~600℃,回火组织为回火马氏体+过剩碳化物,硬度HRC40~48。

这类钢主要用于制造高温下承受高应力,但不承受冲击负荷的压铸模、热挤压模和顶锻模等。

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杨小姐 陶十一

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