常用模具材料及其熱處理工藝.doc

常用模具材料及其熱處理工藝 常用模具材料及其熱處理工藝【1】 【摘要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，在現(xiàn)代工業(yè)中裝備制造業(yè)的作用越來越重要，作為裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，模具制造業(yè)對我國裝備制造業(yè)的發(fā)展水平具有很大的影響。 裝備制造業(yè)具有其獨特性，因此其更加注重依靠于高精度技術(shù)。 目前，熱處理工藝和模具材料等在技術(shù)上支持模具制造業(yè)。 本文圍繞著常用模具材料及其熱處理工藝這一主題展開了討論。 【關(guān)鍵詞】模具材料熱處理合理選擇 目前的社會中工業(yè)得到了極大的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展過程中，模具開始出現(xiàn)。 在工業(yè)中廣泛應(yīng)用模具，能夠促進產(chǎn)量進行大幅度的提高，使人們的需求能夠得到更好地滿足。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，在人們的生活中模具越來越受到人們的關(guān)注，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛，模具也因此得到了發(fā)展，進一步促進經(jīng)濟發(fā)展。 在模具制造中模具材料是其進行的基礎(chǔ)，模具包括塑料模具鋼、熱作模具鋼和冷作模具鋼三類1。 一、常用的模具材料 (一)高速鋼 由于具有較高的韌性和熱塑性，鉬系高速鋼能夠應(yīng)用的更加廣泛，對于精度以及大批量生產(chǎn)冷作模具來說非常重要。 (二)碳素工具鋼 在我國已經(jīng)大量使用、生產(chǎn)碳素工具鋼，碳素工具鋼具有價格便宜、切削加工性好，退火易軟化、鍛造性好的優(yōu)點，其缺點在于需要用水作冷卻介質(zhì)，具有較低的淬透性，因此碳素工具鋼容易斷裂或變形。 結(jié)合碳素工具鋼的優(yōu)點和缺點，也以得出其不適合當大型模具的結(jié)論，在進行模具制作時，可以將其做為變形要求不高、形狀簡單、受力小、制作尺寸小的模具，從而促進資源利用率的提升。 (三)超硬高速鋼 為了對難切削材料的需要相適應(yīng)，超硬高速鋼逐漸發(fā)展了起來，其目的在于使熱硬度和硬度得到進一步的提高。 在其發(fā)展過程中，逐漸出現(xiàn)了一些難題，超硬高速鋼具有較差的抗彎曲能力和韌性，難以進行加工。 超硬高速鋼高含量的碳使其具有較大的硬度，但是其高含量的碳，也使其容易出現(xiàn)韌性差的特點，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象。 (四)高碳高鉻模具鋼 高碳高鉻模具鋼的優(yōu)點在于其耐磨性、淬硬性和淬透性良好，不容易變形，屬于微變形高耐磨模具鋼，與高速鋼相比較承載能力較差。 其缺點在于其嚴重的碳化物偏析，因此需要不斷進行改鍛、鐓拔，對其不均勻性進行改變，使其使用性能得到提高2。 (五)基體鋼 基體鋼就是在在高速鋼的基本成分上進行少量其他成分的添加，對含碳量進行適當增減，對鋼的性能進行改善，這種鋼就是基體鋼。 基體鋼是冷作模具鋼，具有較強的韌性，具有上述鋼的全部優(yōu)點。 除此之外與高速鋼相比，基體鋼的生產(chǎn)成本較低，具有很高的應(yīng)用價值。 (六)鋼結(jié)硬度合金和硬質(zhì)合金 與其他模具鋼相比，硬質(zhì)合金具有較高的耐磨性和硬度，因此其具有較差的韌性和抗彎強度。 鋼結(jié)硬質(zhì)合金是將碳化鎢或碳化鈦為硬質(zhì)相，少量合金元素粉末加入鐵粉中去作為粘合劑，按照冶金方法燒結(jié)粉末而出。 鋼是鋼結(jié)硬質(zhì)合金的基體，可以對其進行熱處理、鍛造、焊接和切削。 二、熱處理工藝 (一)生冷處理 在深冷處理模具鋼后，可以使其力學性能得到提高，從而促進其使用壽命的提高。 可以在回火和淬火工序間對模具鋼進深冷處理，深冷處理可以促進鋼的抗回火穩(wěn)定性和耐磨性的提高。 深冷處理不僅能使得模具冷卻，還能在硬質(zhì)合金和熱作模具中進行使用3。 (二)模具的降溫淬火和高溫淬火 熱作模具鋼中部分使用了溫度高于常規(guī)淬火的溫度進行淬火加熱，從而對鋼中碳化物的形態(tài)進行改善，使其數(shù)量減少，在進行淬火之后，能夠使其使用壽命延長。 (三)真空熱處理 在真空熱處理后，模具鋼變形小，具有較好的表面狀態(tài)。 其原因在于真空加熱時，模具鋼表面會出現(xiàn)活性狀態(tài)，不會產(chǎn)生氧化膜阻止其冷卻，也不會脫碳。 在進行真空加熱后，脫氣效果會出現(xiàn)在鋼的表面，因此其力學性能較高，具有較高的抗彎強度和爐內(nèi)真空度。 在進行真空淬火后，會在一定程度上提高鋼的斷裂韌性，與常規(guī)工藝相比，模具壽命會有40%以上的提高，在實際生產(chǎn)中，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用了冷卻模具真空淬火技術(shù)。 (四)滲金屬和滲硼 在滲硼中固體滲硼的應(yīng)用最為廣泛，在固體滲硼后，其表層會具有較大的抗氧化性、耐腐蝕性、硬度和耐磨性。 冷作模具是滲硼工藝最常用的對象，能夠提高其耐磨性，從而促進模具壽命的提高。 對此，可以不再使用高合金鋼制作模具，而選擇應(yīng)用中碳鋼滲硼。 熱擠壓模等熱作模具也可以使用滲硼來進行處理。 (五)高能束熱處理 電子束、激光是高能束熱處理的熱源4。 可控性能好、處理環(huán)境清潔、不需要冷卻介質(zhì)、工件變形小、可以根據(jù)需要選擇加熱面積、加熱速度快就是其共同特點，自動化處理能夠更加容易實現(xiàn)，從而使得模具壽命提高，促進其應(yīng)用更加廣泛。 (六)化學熱處理 化學惹出靈促進模具表面抗氧化性、耐蝕性和耐磨性進行提升。 在化學熱處理中大多數(shù)所采用的都是工藝都是在模具鋼的表面進行處理。 使用高溫回火的合金鋼模具，可以在回火的時候?qū)ζ浔砻孢M行氮碳或液氮的共滲。 在液氮工藝中，目前使用最多的就是高頻滲氮和離子滲氮等工藝。 離子液氮能夠促使液氮時間縮短，獲取高質(zhì)量滲層。 離子液氮還能使抗熱疲勞性、耐磨性、抗蝕性進行提高。 熱擠壓模、壓鑄模在氧碳共滲后能夠促進其抗疲勞性能的提高。 對于冷沖模、冷擠壓模、冷鐓模來說，氧碳共滲的應(yīng)用效果較好。 結(jié)語： 本文就常用模具材料及其熱處理工藝進行了探討，首先介紹了常用的模具材料，隨后介紹了熱處理工藝。 我國在研究開發(fā)模具熱處理的過程中，在不同程度上推廣應(yīng)用了新的模具熱處理技術(shù)。 在科學技術(shù)進步的過程中，我國模具熱處理具有越來越精湛的工藝，這促進了我國的工業(yè)發(fā)展越來越好5。 【參考文獻】 1吳曉春，左鵬鵬.國內(nèi)外熱作模具鋼發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢J.模具工業(yè)，xx，10：1-9. 2李保健，鐘利萍.國內(nèi)模具材料發(fā)展及其應(yīng)用J.新技術(shù)新工藝，xx，04：67-70. 3方軍華，周小振，周云.鋁質(zhì)易開蓋刻線刀模材料的研究與應(yīng)用J.機械工程師，xx，01：270-273. 4苗高蕾.淺談常用模具材料及其熱處理工藝J.現(xiàn)代經(jīng)濟信息，xx，21：356. 5賈慶雪.常用鑄造齒輪材料及其熱處理工藝方法J.金屬加工(熱加工)，xx，15：51-55. 模具材料與熱處理工藝選擇問題【2】 【摘要】影響模具壽命的因素很多，其中模具材料選擇不當或熱處理工藝不合適，是造成模具早期失效的關(guān)鍵因素。 【關(guān)鍵詞】模具材料;熱處理工藝;模具壽命 0.引言 模具是一種重要的加工工藝裝備，是國民經(jīng)濟各工業(yè)部門發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一。 隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品的品種、形狀、數(shù)量、質(zhì)量等的要求越來越高，對模具的需要量相應(yīng)增加，對模具質(zhì)量的要求也越來越高;模具性能好壞，壽命高低，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟效益。 模具壽命是直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、加工效率和成本的重要因素之一，也是衡量模具制造水平的重要指標。 模具的失效分為偶然失效和工作失效。 偶然失效是指模具因設(shè)計錯誤、使用不當引起模具過早破損;工作失效是指模具因正常破損而結(jié)束壽命。 總的失效形式主要以表面損傷、塑性變形、斷裂為主。 影響模具壽命的因素是多方面的，其中，熱處理不當約占45%，選材不當、模具結(jié)構(gòu)不合理約占25%，工藝問題約占10%;潤滑問題、設(shè)備問題等因素約占20%，由此可見模具材料與熱處理是影響模具壽命諸因素中的主要因素。 1.冷沖模具材料及其熱處理的選擇 冷沖模具的使用壽命通常和模具的硬度、強度、耐磨度及抗沖擊韌性有著直接的關(guān)系。 因此，對模具材料和熱處理工藝過程的要求就更高。 對冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性、高強度、足夠的韌性、良好的抗疲勞性能、良好的抗擦傷和咬合性能以及良好的工藝性能。 1.1低淬透性冷作模具鋼及其熱處理 滿足這些性能要求的冷作模具材料有低淬透性冷作模具鋼、低變形冷作模具鋼、高合金工具鋼等，其中碳素工具鋼是使用最多的低淬透性冷作模具鋼，其特點是含碳量高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點(以下簡稱Ms點)低，臨界冷卻速度快，在快速淬火冷卻時，產(chǎn)生熱應(yīng)力變形，使模具沿主導(dǎo)方向收縮變形，材料的含碳量越高，收縮量越大。 這種收縮會在模具內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，必須通過回火或其他的方法有效地消除內(nèi)應(yīng)力。 當然這種變形量的大小要受模具截面尺寸、淬火加熱溫度、淬火冷卻方式和回火溫度等因素的影響。 因此，淬火和回火工藝是影響低淬透性冷作模具壽命的主要因素。 因為碳素工具鋼模具多為中、小截面(1050mm)。 為減小淬火變形，T10A，T12A一般選擇較低的淬火溫度。 當采用硝鹽浴或堿浴冷卻時，淬火加熱溫度可選擇810820;如果是水-油冷卻，加熱溫度為760780。 對于T8A鋼，根據(jù)模具截面尺寸的增大適當提高淬火溫度以提高模具的淬火后硬度。 采用水淬時，對于截面厚度t小于15mm的制件，加熱溫度應(yīng)選擇800820;截面厚度t在3050mm時，加熱溫度應(yīng)選擇820830。 采用硝鹽浴分級淬火時，可在以上所述淬火溫度上做適當調(diào)整。 碳素工具鋼的硬度隨回火溫度的升高而下降，當回火溫度超過200時硬度就會明顯下降。 而且當回火溫度在200250時，會產(chǎn)生回火脆性，導(dǎo)致韌性下降。 因此，韌性要求比較高的碳素工具鋼模具應(yīng)該避免在此溫度回火。 同時，采用250回火時，淬火馬氏體會產(chǎn)生不同程度的分解，使模具產(chǎn)生收縮變形。 因此，為了減少收縮變形，在保證模具使用性能的條件下，應(yīng)盡可能降低回火溫度。 1.2低變形冷作模具鋼及其熱處理 低變形冷作模具鋼是在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加入少量合金元素發(fā)展起來的，CrWMn是其典型鋼種。 CrWMn鋼具有高淬透性，淬火時不需要強烈的冷卻，淬火變形比碳素工具鋼明顯減少。 但是，這類鋼的變形同樣受到淬火加熱溫度、冷卻方法、回火工藝和模具截面尺寸的影響。 該鋼淬火溫度的選擇，由于鎢形式碳化物，所以這種剛在淬火及低溫回火后具有比鉻鋼和9SiCr鋼更多的過剩碳化物和更高的硬度。 當采用800加熱淬火時，既能獲得較高的硬度(63HRC)還可以獲得較高的抗彎強度和韌性。 如果繼續(xù)提高淬火溫度，硬度上升但沖擊韌度、抗彎強度會降低。 當淬火溫度大于850時，硬度也開始下降。 因此，為減小變形并獲得高的耐磨性，由這些鋼制造的模具，其淬火加熱溫度不宜過高。 CrWMn鋼淬火常用的冷卻介質(zhì)是硝鹽浴和礦物油，其中硝鹽浴的使用溫度較高而冷卻能力卻比油大。 對于精度要求高的模具，根據(jù)硬度要求選擇不同的溫度進行等溫淬火，等溫時間不宜過長，等溫后隨硝鹽浴一起緩冷。 CrWMn鋼等溫淬火后比普通淬火的強韌性高，對于易產(chǎn)生斷裂的模具可采用等溫淬火。 該鋼淬火后于150160回火，可使原來淬火后膨脹的體積產(chǎn)生收縮。 回火溫度升高到220240，又開始出現(xiàn)尺寸膨脹，在260320回火時，會出現(xiàn)尺寸膨脹的最大值，而繼續(xù)提高溫度，變形又趨于收縮。 當CrWMn鋼要獲得大于60HRC的硬度時，回火溫度應(yīng)不超過200220。 因此，在選擇回火溫度時應(yīng)根據(jù)模具的結(jié)構(gòu)、尺寸和硬度要求合理選擇回火溫度。 選擇合理的回火溫度可以最大限度地消除由淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，有效提高模具的壽命。 1.3高合金工具鋼及其熱處理 高耐磨微變性冷作模具鋼、高強度高耐磨冷作模具鋼、高強韌性冷作模具鋼主要是高合金工具鋼，用來制造模具的常用牌號有Cr12，Cr12MoV，Cr6WV，Cr5MoV和Cr4W2MoV等。 這類鋼的含碳量高，同時含有大量的碳化物形成元素，具有高的淬透性、耐磨性和熱硬性。 高合金工具鋼由于淬透性高淬火時不需要快速冷卻，因此產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小。 高合金鋼模具淬火溫度的選擇應(yīng)首先考慮控制淬火變形。 試驗證明：當淬火溫度為10301040時模具的變形量最小，接近于零。 低于這個溫度淬火，制件發(fā)生脹大變形;高于這個溫度淬火，制件收縮變形。 淬火溫度為1100時，收縮量會急劇增大。 為防止模具在高溫下氧化和脫碳，一般應(yīng)在鹽浴爐中加熱。 冷卻方法的選擇則根據(jù)模具的具體情況和要求而定。 截面尺寸大的模具可用150200的油來充當淬火冷卻介質(zhì)，停留一段時間出油后空冷;大多數(shù)中、小尺寸的模具可以采用250300的硝鹽浴分級冷卻;精度要求高、形狀不對稱的模具可以采用540600的氯化鹽和250300的硝鹽浴2次分級冷卻;精度要求很高，需要嚴格控制變形的模具，可以采用2次分級冷卻，并在硝鹽浴中停留一段時間后隨硝鹽浴一起緩慢冷卻，這樣可以最大限度地減小內(nèi)應(yīng)力，避免模具開裂或產(chǎn)生細小的裂紋，從而提高模具的使用壽命。 高碳高鉻鋼的回火抗力高，回火時馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變是影響模具尺寸變形的兩個主要因素。 Cr12MV鋼采用低溫淬火和低溫回火時，可以獲得高度硬度、強度和斷裂韌度;若采用高溫淬火與高溫回火，將獲得良好的熱硬性，其耐磨性、硬度也較高，但抗壓強度和斷裂韌度較低;而采用中溫淬火與中溫回火，可以獲得最好的強韌性配合。 在生產(chǎn)中，采用何種淬回火工藝，應(yīng)根據(jù)模具的工作條件來確定。 2.結(jié)論 模具材料是模具制造業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，其品種、規(guī)格、質(zhì)量對模具的性能、使用壽命起著決定性作用。 模具熱處理是保證模具性能的重要工藝過程。 它對模具的壽命有著直接的影響。 當熱處理工藝不當時，熱處理造成的組織結(jié)構(gòu)不合理、晶粒度超標等會導(dǎo)致主要性能如模具的韌性、冷熱疲勞性能、抗磨損性能等下降，從而影響模具的工作壽命。 因此，對于不同的冷沖模具應(yīng)該選擇不同的模具材料以及相應(yīng)的熱處理工藝。 【參考文獻】 1程培源.模具壽命與材料M.北京：機械工業(yè)出版社，1999. 模具材料與熱處理工藝選擇問題【3】 【摘要】隨著科學技術(shù)的發(fā)展和不斷提高，模具材料的熱處理工藝的選擇問題得到了很好的解決。 近幾年，我國模具行業(yè)發(fā)展迅速，不過模具材料的水平和熱處理工藝跟發(fā)達國家相比，還有很大的差距。 目前模具市場的競爭非常激烈，如何提高模具的生產(chǎn)質(zhì)量和減少產(chǎn)生周期是一個很重要的問題。 延長模具的性能會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 從理論上講，模具的性能主要包括精度和表面光潔度。 【關(guān)鍵詞】模具材料熱處理工藝問題研究 在現(xiàn)階段，模具是一種很重要的加工工藝裝備，也是我國制造業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。 隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對模具材料的性能要求越來越高，對模具材料的需求也相應(yīng)的增加。 模具材料的性能好壞決定著產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟效益。 而模具的壽命對于加工效率和成本也有非常大的影響。 從理論上講，模具的失效分為工作失效和偶然失效，工作失效指的是模具在正常工作時發(fā)生破損而導(dǎo)致模具壽命的結(jié)束。 偶然失效指的是模具由于設(shè)計的錯誤從而導(dǎo)致模具過早的破損。 影響模具壽命的因素包括五點：第一熱處理不當，占百45%1。 第二，選材不當導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)的不合理，占25%。 第三，工藝問題，占大約10%。 第四，潤換問題導(dǎo)致設(shè)備損壞，占大約20%。 由此可見，模具材料與熱處理之間的關(guān)系是影響模具壽命最主要的因素。 解決熱處理工藝問題是增加模具壽命的關(guān)鍵。 1模具材料簡介 1.1冷作模具材料 在模具材料中，冷作模具的種類一般比較多，而且形狀結(jié)構(gòu)的差異也比較大。 這種模具材料的工作條件和性能不是很相同。 因此，在選擇冷作模具時候，要進行綜合的考慮，才能發(fā)揮材料的功能。 目前，我國常用的冷作模具材料主要分為四大類：高速鋼、硬質(zhì)合金、碳素工具鋼和合金工具鋼2。 1.2熱作模具材料 在模具材料中，熱作模具的選用比較苛刻，熱作模具通常要在600左右的高溫下進行工作，因此對于模具材料的選擇有更高的要求，模具材料的強度，硬度，耐磨性和抗冷熱疲勞度都要很好。 此外，模具材料還要具備抗氧化性和抗腐蝕性。 為了更好地適應(yīng)先進的加工技術(shù)，很多新設(shè)備對于模具材料的韌性也做出了比較高的要求，隨著一些新型熱加工技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，新型模具材料也應(yīng)運而生。 例如，鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和難熔合金用來做高溫的熱作模具材料3。 1.3塑料模具材料 隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，塑料模具已經(jīng)成為了非常重要的工業(yè)原料。 近年來，塑料制品越來越多，因此用于制品的塑料模具消耗量也很多。 與傳統(tǒng)的冷作和熱作模具相比，塑料模具的性能更為特殊。 塑料模具具有較高的硬度，一般的耐磨性和足夠的深化深度。 此外，塑料模具還有較低的耐熱性，在200-250的溫度下工作，塑料模具不變形，不養(yǎng)化，穩(wěn)定性很好。 最后，塑料模具的耐腐蝕性比熱作和冷作模具要好很多。 1.4玻璃模具材料 玻璃模具材料是一種新型的模具，目前，隨著科學的不斷發(fā)展，很多大型公司都在研制性能更好的玻璃模具材料來代替其他模具4。 2冷作模具材料及其熱處理的選擇 對于冷作模具來講，其使用壽命與模具的硬度，強度和耐磨性有很大的關(guān)系。 因此，對于冷作模具的熱處理工藝要求很高。 對于冷作模具材料的主要性能要求是：首先要有很好的耐磨性，高強度和足夠的韌性;其次要具有很好的抗疲勞性，抗擦傷性以及咬合性。 2.1低淬透性冷作模具鋼及其熱處理 滿足以上性能要求的冷作模具材料包括低淬透性冷作模具鋼，低變形冷作模具鋼和高合金工具鋼等。 在低淬透性冷作模具鋼中使用最多的是碳素工具鋼，其主要特點是含碳量比較高，耐熱性比較好，可以在臨界迅速地冷卻并產(chǎn)生熱應(yīng)力的變形，這種變形可以主導(dǎo)模具的收縮方向。 碳素工具鋼的含碳量越高，其收縮量也就越大5。 除此之外，碳素工具鋼的收縮會導(dǎo)致模具內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力必須通過回火或者其他的方法進行消除。 當然對于這種變形量的大小也要受到模具截面尺寸和淬火加熱溫度的影響。 因此，影響低淬透性冷作模具鋼冷作模具壽命的主要因素就是淬火的工藝。 2.2低變形冷作模具鋼及其熱處理 對于低變形冷作模具鋼來講，其主要是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上添加少量的合金元素發(fā)展起來的。 其中CrWMn是典型的鋼種，這種鋼結(jié)構(gòu)具有很好的高淬透性。 并且在淬火的時候不需要進行強烈的冷卻，淬火的變形量也比碳素工具鋼要明顯減少。 但是，這類鋼的變形也同樣受到淬火加熱溫度和模具截面尺寸的影響。 低變形冷作模具鋼淬火溫度在選擇的時候，由于鎢形式碳化物，這種鋼在淬火低溫回火時都具有很多的碳化物，并且具有很高的硬度。 當采用800進行加熱淬火時，可以得到較高的硬度(63HRC)，還可以獲得較高的抗彎強度和韌性。 如果繼續(xù)提高淬火溫度時，低變形冷作模具鋼的硬度就會慢慢地降低，而且抗彎強度也會降低。 當淬火溫度大于850時，硬度不斷開始下降。 所以，為了減少低變形冷作模具鋼的變形量和提高耐磨性，淬火的溫度不宜過高6。 2.3高合金工具鋼及其熱處理 對于高合金工具鋼來講，其主要性能與碳素工具鋼有一定的區(qū)別，高合金工具鋼的高強度和耐磨性都比碳素工具鋼要好很多。 高合金工具鋼的含碳量很高，同時還具有大量的碳化物元素，因此高合金工具鋼具有