模具材料第4章課件

1、模具材料湖南工程學(xué)院：高為國(guó)Mold Materials第四章 熱作模具材料及熱處理 熱作模具主要用于高溫條件下的金屬成形，使加熱的金屬或液態(tài)金屬獲得所需要的形狀，按用途可分為熱鍛模、熱鐓模、熱擠壓模、壓鑄模和高速成形模等。熱作模具的工作特點(diǎn)就是具有間歇性，每次使熱態(tài)金屬成形后，都要使用冷卻介質(zhì)對(duì)模具的型腔表面進(jìn)行冷卻，致使模具表面形成較大的熱應(yīng)力，從而容易引起型腔表面出現(xiàn)熱疲勞裂紋，因而要求其應(yīng)具有較高的熱強(qiáng)性、熱疲勞性和韌性，常選用中碳（0.3%0.6%）合金鋼制作。 第一節(jié) 熱作模具材料的主要性能要求 按照工作溫度和失效形式不同，可將熱作模具材料分為低耐熱高韌性鋼（350370）、中耐熱

2、韌性鋼（550600）、高耐熱鋼（600650）等。一、熱作模具材料的使用性能要求1.硬度：一般為4052HRC。 2.強(qiáng)度：常用指標(biāo)一般為ReL、Rm、bb 等。 3.沖擊韌度和斷裂韌度：包括ak 等。4.熱穩(wěn)定性：通?？捎没鼗鸨?h，硬度降到45HRC時(shí)的最高加熱溫度表示；對(duì)于原始硬度低些的材料，也可用保溫2h，硬度降到35HRC的最高加熱溫度表示。二、熱作模具材料的工藝性能要求1鍛造工藝性：鋼的高溫強(qiáng)度越低, 伸長(zhǎng)率越大, 材料的鍛造變形抗力越小, 成形工藝性越好。2淬火工藝性：淬火工藝性好的模具材料容易保證淬火質(zhì)量, 從而充分發(fā)揮材料的性能潛力, 達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命要求。 3切削工藝

3、性：切削加工費(fèi)用約占模具加工成本的90%, 切削加工的難易程度將直接影響鋼種的推廣采用。5回火穩(wěn)定性：常以鋼的“回火溫度硬度”曲線表示。6熱疲勞抗力：表征了材料熱疲勞裂紋萌生前的工作壽命和萌生后的擴(kuò)展速率。7高溫磨損與抗氧化性能：要求模具材料具有在工作溫度下的抗氧化性能。第二節(jié) 熱作模具材料及熱處理 一、低耐熱高韌性熱作模具鋼及熱處理 主要用于各種錘鍛模、平鍛機(jī)鍛模、大型壓力機(jī)鍛模等。 截面較大而型腔形狀復(fù)雜的熱鍛模，要求材料具有較高的高溫強(qiáng)度、良好的沖擊韌性、高的硬度與耐磨性、耐熱疲勞性好、淬透性大；并有良好的導(dǎo)熱性以利于散熱，避免型腔表面溫度過(guò)高而降低力學(xué)性能；以及良好的工藝性和抗氧化性。

4、低耐熱高韌性熱作模具鋼中的碳含量為0.3%0.5%，加入少量Cr、Mo、V、Ni、Mn、Si等元素，以提高淬透性及熱強(qiáng)性，加入少量Mo、W有助于消除高溫回火脆性。常用的低耐熱高韌性熱模鋼有5CrNiMo、5CrMnMo、5Cr2NiMoVSi、4CrMnSiMoV、5NiCrMoV等。 以5CrNiMo為例：1力學(xué)性能：具有很高的淬透性，塑性、韌性良好，尺寸效應(yīng)不敏感，熱穩(wěn)定性較差，熱強(qiáng)性不高，通常只在400以下工作。 2工藝性能：（1）鍛造：鍛坯的加熱溫度11001150，始鍛溫度10501100，終鍛溫度800850，砂冷或坑冷。 （2）退火：兩種退火工藝曲線。（3）淬火：600650預(yù)熱

5、，加熱到830860，保溫后油淬。淬火后常在200左右出油，如果出油溫度低，容易淬裂，但心部未轉(zhuǎn)變成馬氏體的過(guò)冷奧氏體，在回火時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變成上貝氏體組織，沖擊韌性極低，壽命短?？刹捎玫葴靥幚矸椒?，先將模具淬入150 油中，再轉(zhuǎn)入280300 硝鹽浴中停留23h，獲得“馬氏體+下貝氏體+少量殘留碳化物”組織，模具壽命明顯提高。 （4）回火：淬火后的模具應(yīng)立即移入回火爐中進(jìn)行回火，熱鍛模的燕尾與模體應(yīng)以不同溫度回火，保證燕尾部分的韌性，避免燕尾的開(kāi)裂失效。 應(yīng)用：主要用于制造形狀復(fù)雜的、沖擊負(fù)荷較重的大型及特大型鍛模（最小邊長(zhǎng)400mm）。 二、中耐熱韌性熱作模具鋼及熱處理 某些熱擠壓模、熱鐓鍛模、精

6、鍛模以及鍛壓機(jī)、高速錘上的模具是在繁重的條件下工作的。這些模具工作時(shí)需較長(zhǎng)時(shí)間與被要求變形加工的金屬接觸，受熱溫度往往比錘鍛模具要高，所以有高的熱穩(wěn)定性、比較高的高溫強(qiáng)度、耐熱疲勞性以及高的耐磨性。主要有5%鉻型熱作模具鋼和鉻鉬系熱作模具鋼，含有較多的鉻、鉬、釩等碳化物形成元素，其韌性及耐熱性介于高韌性及高熱強(qiáng)性熱模鋼之間。常用的中耐熱韌性熱作模具鋼主要有4Cr5MoSiV（H11）鋼、4Cr5MoSiV1（H13）鋼、3Cr3Mo3W2V（HM1）鋼、4Cr5W2SiV（958）鋼、3Cr3Mo3VNb（HM3）鋼、2Cr3Mo2NiVSi（PH）鋼等。以4Cr5MoSiV1（H13）鋼為例

7、： H13臨界溫度：AC1 為853；AC3為 912；MS為310。鍛造：先緩慢加熱到750，再快速加熱到11201150鍛造溫度，減少氧化脫碳；始鍛溫度10801120，終鍛溫度850，要求鍛造比大于4,鍛后緩冷，及時(shí)退火。退火：等溫退火加熱800，保溫2h，降溫至750等溫24h，爐冷到500出爐空冷，硬度192229HBS，鍛后必須立即球化退火。淬火和回火：淬火前需經(jīng)二次預(yù)熱，然后加熱到10201050，油淬的硬度為5355HRC，也可以采用空淬或分級(jí)淬火，經(jīng)560630回火，可獲得硬度4050HRC。主要鋼號(hào)有3Cr2W8V、5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）、6Cr4Mo3

8、Ni2WV（CG2）、4Cr3Mo2NiVNbB（HD）、5Cr4W5Mo2V（RM2）、4Cr3MoW4VNb（GR）鋼等。這類(lèi)鋼的鎢、鉬含量較高，比前兩類(lèi)熱作模具鋼在高溫下有更高強(qiáng)度、硬度和耐磨性、組織穩(wěn)定性，但其韌性和抗熱疲勞性能不及低耐熱韌性熱作模具鋼。 三、高耐熱熱作模具鋼及熱處理高耐熱性熱作模具鋼主要應(yīng)用于較高溫度下工作的熱頂鍛模具、熱擠壓模具、銅及黑色金屬的壓鑄模具、壓力機(jī)模具等。其中壓力鑄造是在高的壓力下，使熔融的金屬擠滿(mǎn)型腔，壓鑄成型，在工作過(guò)程中模具反復(fù)與熾熱金屬接觸，因此，要求有較高的回火抗力及熱穩(wěn)定性。以3Cr2W8V鋼為例：1力學(xué)性能 3Cr2W8V鋼是鎢系高熱強(qiáng)熱作

9、模具鋼的代表鋼號(hào)，含鎢越高，鋼的熱穩(wěn)定性越高，耐磨性越好，鉻能增加鋼的淬透性；冷熱疲勞抗力差，抗回火能力較高，在5500C回火出現(xiàn)二次硬化峰，淬火溫度越高，二次硬化峰值硬度越高，熱強(qiáng)性好。2工藝性能 3Cr2W8V臨界溫度：AC1 為830；AC3 為920；MS 為350。鍛造：鋼坯加熱溫度11301160，始鍛溫度10801120，終鍛溫度900850，鍛后先在空氣中較快地冷卻到約700隨后緩冷（砂冷或爐冷）。退火：等溫退火加熱溫度840880，等溫溫度720740，退火態(tài)組織為：鐵素體基體上分布著Fe3W3C和Cr23C6 ，退火硬度不大于241HBS。淬火及回火：為了提高模具的強(qiáng)韌性，

10、可以采用高淬高回工藝：11401150淬火，650680回火，適用于承受動(dòng)載荷較小的模具。對(duì)于在動(dòng)負(fù)荷下工作的小模具或大型模具，可選用10501100常規(guī)淬火工藝，油淬硬度5054HRC，550650回火兩次，每次2h，回火后硬度4050HRC。3應(yīng)用3Cr2W8V鋼在淬火加熱中的脫碳變形傾向較小，熱處理工藝穩(wěn)定，許多中小型機(jī)械廠仍廣泛應(yīng)用，主要用在壓力機(jī)鍛模、熱擠壓模、鐓鍛模、壓鑄模、剪切刀上。四、特殊用途的熱作模具鋼及熱處理1.奧氏體熱作模具鋼：主要有高錳系奧氏體模具鋼 （5Mn15Cr8Ni5Mo3V2、7Mn10Cr8Ni10Mo3V2）、鉻鎳系奧氏體模具鋼（4Cr14Ni14W2Mo

11、、Cr14Ni25Co2V）和高錳奧氏體無(wú)磁模具鋼（7Mn15Cr2Al3V2WMo）等。通常在“固溶處理后和時(shí)效處理”后進(jìn)行使用，其使用溫度一般可達(dá)700800。2.高溫合金3.硬質(zhì)合金4.難熔合金5.壓鑄模用銅合金第三節(jié) 熱作模具材料及熱處理工藝實(shí)例 一、熱鍛模具鋼選用及熱處理工藝 服役條件：高溫、高壓、高沖擊載荷，反復(fù)加熱和冷卻。性能要求：高的沖擊韌度和斷裂韌性、較高的高溫硬度和高溫強(qiáng)度。良好的淬透性、高的熱疲勞抗力和回火穩(wěn)定性、良好的工藝性能及抗氧化性。熱處理工藝：錘鍛模要求的硬度和機(jī)械加工與最終熱處理工序的安排視模子的大小、形狀及服役條件而定。 叉形軸鍛模屬于小型鍛模，選用4Cr5M

12、oSiV 鋼制造，模面硬度要求為40 45HRC，經(jīng)加工和淬火、回火后采用輝光離子滲氮，要求滲氮層深度為0. 20. 30mm。二、熱擠壓模具鋼選用及表面處理工藝服役條件：沖擊載荷比熱鍛模小，但其工作時(shí)與熾熱金屬接觸時(shí)間比熱鍛模長(zhǎng)，工作表面溫升達(dá)800850。性能要求：具有更高的室溫及高溫硬度和熱穩(wěn)定性、較高的抗氧化能力、高的高溫強(qiáng)度及回火抗力。常用的化學(xué)熱處理方法：滲碳、滲硼、離子氮化、氮碳共滲、滲金屬及復(fù)合滲等方法。鋁合金連續(xù)擠壓模凸模，選用4Cr5MoSiV1（H13）鋼制造，經(jīng)800 退火，1020 1050 分級(jí)淬火后經(jīng)600 回火，硬度為4247HRC，再進(jìn)行硼氮復(fù)合滲。三、熱切邊

13、模、熱鐓模用鋼及熱處理工藝 1熱切邊模具用鋼及熱處理切邊模在服役過(guò)程中承受一定的沖擊載荷，剪切過(guò)程中，凹模刃口與毛坯相摩擦，還會(huì)受熱而升溫。要求熱切邊模具材料具有高的硬度、耐磨性及熱硬性，一定的強(qiáng)韌性及良好的工藝性能。常用的熱切邊凹模有8Cr3、7Cr3、4CrW2Si和5CrNiMo、5CrMnMo等，熱切邊凸模常用8Cr3和7Cr3。8Cr3鋼的熱處理工藝：780800爐冷退火，硬度255HBS；820840加熱、油冷淬火至150200出油，進(jìn)行470520回火。 2熱鐓模具用鋼及熱處理工藝有些端部需要局部鐓粗成型的桿狀零件，采用熱鐓工藝，熱鐓的頻率根據(jù)被鐓鍛件的形狀和所用設(shè)備不同，為30

14、60次/min不等。對(duì)于鐓鍛模具用鋼的性能要求，既要有較高的熱強(qiáng)性和韌性，又要有較好的耐磨性，以防止過(guò)早的熱磨損和堆塌變形，高耐熱熱作模具鋼HM1、012Al、GR、HM3以及3Cr2W8V鋼等，都可用作熱鐓模具鋼。汽車(chē)后橋半軸法蘭盤(pán)的鍛造終成形凹模，原用3Cr2W8V鋼制，使用壽命2000件；對(duì)使用條件較為苛刻的平鍛機(jī)熱鐓模采用25Cr3Mo3VNb（HM3）鋼制造，并可用離子氮碳共滲處理，以提高模具表面的耐磨性和抗粘著能力，使用壽命超過(guò)40006000件。 四、壓鑄模具材料及熱處理工藝壓鑄生產(chǎn)可以將熔化的金屬液直接壓鑄成各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精確、表面光潔、組織致密以及用其它方法難以加工的零件，如薄壁、小孔、凸緣、花紋、齒輪、螺紋、字體以及鑲襯組合等零件。近年來(lái)，壓鑄成形已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)拖拉機(jī)、儀器儀表、航海航空、電機(jī)制造、日用五金等行業(yè)。壓鑄模具是在高的壓應(yīng)力（30150MPa）下將4001600的熔融金屬壓鑄成型， 在成形過(guò)程中，模具周期性地與熾熱的金屬接觸，反復(fù)經(jīng)受加熱和冷卻，且受到高速?lài)娙氲慕饘僖旱臎_刷和腐蝕。因此，壓鑄模用鋼要求有較高的熱疲勞抗力、導(dǎo)熱性及良好的耐磨性、耐蝕性、高溫力學(xué)性能。