热作模具钢在生产中的应用.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流热作模具钢在生产中的应用.精品文档. 热作模具材料在生产中的选用摘要 本文简要介绍热作模具材料的工艺性能要求及应用,并阐述了热作模具钢在热作模具生产中的选用。关键词：热作模具钢、性能要求、分类及应用、在生产中的选用目 录一、概述1二、 热作模具材料的使用性能要求1三、热作模具材料的工艺性能要求1四、热作模具钢的分类及应用2 1、低耐热高韧性热作模具钢性能及应用22、中耐热韧性钢的性能及应用33、高耐热性钢的性能及应用34、特殊用途热作模具钢的性能及应用4（1）、奥氏体型热作模具钢的性能及应用·5（2）、硬质合金及钢结硬质合金的性能及应用5（3）、析出沉淀硬件化型热作模具钢的性能和应用6（4）、高速钢型耐热模具钢的性能及应用6（5）、冷热兼用基体钢的性能及应用7（6）、马氏体时效型耐热钢的性能及应用 7五、热作模具材料在生产中的选用81、热锻模材料的选用8（1）、普通热锻模材料的选用9（2）、高速热锻模材料的选用 92、热挤压模具材料的选用93、压铸模具材料的选用9（1）、锌基合金压铸模具材料的选择用10（2）、铝、镁合金用压铸模具材料的选用10（3）、铜合金压铸模具材料的选用104、热冲裁模具材料的选用11六、结语11一、概述热作模具主要用于制造将加热到再结晶温度以上的金属或液态金属压制成工件的模具（即高温状态下进行压力加工使金属成形的模具）。热作（热变形）模具在反复受热和冷却条件下工作，不仅受到交变热应力的作用，面且还要承受一定的工作压力和冲击载荷等，所以要求模具有较高的热强性、热疲劳性和韧性，常选用中碳（c=0.3%0.6%）合金钢。二、 热作模具材料的使用性能要求用来评价热作模具钢的主要的使用性能要求有：1、 高温下能保持较高的力学性能。如锻模工作时除承受较大原冲击负荷外，还受到很大的压应力、拉应力、弯曲应力以及炽热金属在锻模型腔中的变形所产生的强烈摩擦力；模腔与1000°C以上的工件接触，本身温度可达300600°C。因此要求模具在较高温度下具有足够的强度、耐磨性、韧性、（冲击韧度和断裂韧度）等。2、良好的耐热疲劳性。热作模工作中反复受到炽热金属的加热和冷却剂（水、油、空气）的冷却，在交变热应力状态下容易形成热疲劳裂纹（龟裂）。故必须具有良好的耐热疲劳性（热疲劳抗力）。3、良好的导热性。导热性好，可将热量迅速传出，避免型腔表面温度过高。4、高的热稳定性和耐回火性。热稳定性是表征材料在受热过程中保持组织和性能稳定的能力；而耐回火性是指随回火温度的升高，材料强度和硬度下降的快慢程度中，即工件回火时抵抗回火软化的能力。这两者共同表明模具在高温下的变开抗力。5、 较小的回火脆性倾向，较好的抗热磨损及抗氧化性能。三、热作模具材料的工艺性能要求第1页 模具材料的工艺性好坏直接关系到模具的制造成本、使用性能、工作寿命及推广应用。工艺性有：1、锻造性能。通常热作模大多经锻造成形，希望材料在锻造温度范围内变形抗力小，成形性好。2、热处理工艺性。希望材料的热处理工艺好，包括淬透性高。对于较大尺寸的锻模，高的淬透性可使整个截面上的力学性能基本均匀一致；也便于采用较为缓和的冷却介质淬火，避免或减少开裂畸变的倾向。另外，希望材料在热处理中氧化脱碳及晶粒长大的倾向小，热处理畸变小。3、良好的成形加工性。模具的型腔或附件大多需通过切削或电火花加工成形，要求材料具有良好的车、铣、钻、磨、镗削及电火花加工性能。另外，也要求材料有一定的可焊性，以便于修补。总之成形加工性好坏直接影响到模具的制造成本及应用推广。下面，根据热作模具钢的分类简要介绍热作模具钢在生产中的应用四、热作模具钢的分类及应用 热作模具钢按合金元素含量及热处理后性能分为低耐热高韧性热作模具钢、中耐热高韧性热作模具钢、高耐热高韧性热作模具钢和特殊用途热作模具钢（奥氏体耐热钢、高速工具钢、马氏体时效钢、析出硬化型热作模具钢、冷热兼用基体钢等）。下面对其进行简单介绍。 1、低耐热高韧性热作模具钢性能及应用低耐热高韧热作模具钢主要制造受冲击负荷较大的热作模具。传统性的热作模具钢只有5CrMnMo和5CrNiMo等。这类钢要求淬透性高、冲击韧度好、导热性能好、有较高的热疲劳性，以便模具在400°C左右下能承受急冷、急热的恶劣工作条件，同时该类钢还需要锻造、切削加工、热处理工艺性能好，并有良好的表面强化性能。但传统的热作模具钢5CrMnMo和5CrNiMo 钢，其淬透性不能满足大截面锤锻模的要求，使用温度不能超过500第2页。为解决这些问题，材料科技工作者通过对国内外热锻模钢的分析、对比和研究，研发了合金元素含量更高的高淬透性、低耐热、高韧性热模具钢3Cr2MoWVNi、45Cr2NiMoVSi、5Cr2NiMoVS等钢，这些钢均是在5CrNiMo钢的基础上适当降低含碳量，提高了Cr和Mo的含量，并适量加入V和Si，提高了钢的淬透性。钢在回火时由于析出的2C和MC型碳化物而呈现二次硬化，其热稳定性也较5CrNiMo钢有较大的提高，用此类钢制造的热作模具有使用寿命也有较大的提高。2、中耐热韧性钢的性能及应用中耐热韧性钢的特点是碳质量分数较低（一般为WC=0.3%0.5%），合金元素含量中等，含有较多的Cr、W、Mo、V等碳化物型成元素。Cr含量较高，一般为Wsi=3%5%、Mo%3%，Cr和Mo使钢的淬透性大大提高；含有V使钢具有较好的抗过热敏感性，对提高模具的热硬性热强性非常有效，在500600°C时具有较高的硬度、热强性和耐磨性，最高可达到650°C。该类钢淬透性很好，对100mm厚工件空冷即能淬透，其综合性能好。 在GB 1299-2000标准中属此类的钢号有：4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV、4Cr3Mo3SiV、3Cr3Mo3W2V、4Cr5W2VSi等，这类钢分别用来制造热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等到，有良好的使用效果。3、高耐热性钢的性能及应用 高耐热性能热作模具钢碳含量不高，但合金元素含量高，多数钢的合金元素质量分数为8%10%，有的达11%，这类钢有高的耐热性，即高的高温强度和高温硬度，可以在 600700°C的高温下工作，同时具有高的耐热性，淬透性好，有强烈的二次硬化效果，好的回火抗力，较高的抗疲劳性断裂韧度。高耐热性钢的塑性、韧性和抗冷疲劳性低于中耐热韧性钢。高耐热性钢适用于要求高耐热性、耐磨性，韧性要求较低、形状不太复杂的模具。主第3页要用于压力机镦锻模，挤压机上加工高强钢、不锈钢、钛合金、耐热合金等尺寸小于150mm的模具、压铸模，以及较高工作温度（680690°C）、高磨损条件下工作的热作模具。传统的热作模具钢3Cr2W8V钢具有以上特性，能在60065°C 条件下长期服役，因此广泛应用于高耐热热作模具。但是该钢如果冶炼不当、铸锭较大、铸模温度过高及钢液过热时，3Cr2W8V钢锭中的元素偏析特别严重，共晶碳化物的数量会增多，因此造成模具脆裂报废的事故时有发生。而且高钨钢有脱碳倾向，这是模具磨损快、粘模严重、表面早期出现热疲劳裂隙纹的原因之一。为解决此类问题，国内研发了一些新的钢种：如HD钢和Y系列钢。4Cr3Mo2NiVNb (HD)钢是为了适应700°C左右工作温度而研制的新型高耐热性钢，HD钢是在4Cr3Mo3V钢的基础上，适当降低钢中Mo、V的含量，加入量为Ni=1%、Nb=0.15%，提高了钢的室温、高温韧性及热稳定性，在700°C仍可以保持40HRC的硬度。在硬度相同的条件下，HD钢比3Cr2W8V钢的断裂韧度高50%，700°C高温时抗拉强度高70%，冷热疲劳抗力和热磨损性能分别高出1倍和50%，用其制作的热挤压模具使用寿命也高于3Cr2W8V钢。Y系列模具钢提针对压铸模特点结合我国矿产资源而研制的新钢种。Y10（4Cr5Mo2MnVSi）钢淬透性好，钼、钒分别以M6C和MC型碳化物存在，对细化晶粒、提高热强性和回火稳定性有较大作用，加入硅、锰的目的是提高基体强度。该模具钢主要用于铝合金压铸模。与Y10钢相比Y4（4Cr3Mo2MnVNbB）钢中的铬、硅含量下降了，碳化物不均匀性下降，同时以硼来提高淬透性热强性，加入微量铌可提高M6C和MC型碳化物的稳定性，因此能细化晶粒，降低过热敏感性，提高热强性和热稳定性，可用于熔液温度为880960°C的铜合金热压铸模。Y系列钢用于压铸模上，其使用寿命较3Cr2W8V钢有很大提高。4、特殊用途热作模具钢的性能及应用第4页新技术、新工艺的发展对模具提出了更高的要求，一些普通热作模具钢己不能满足其使用要求，必须采用特殊性能钢种来制作热作模具，才能使模具达到其技术要求并使其使用寿命大大地提高。（1）、奥氏体型热作模具钢的性能及应用，近年来，为了满足耐高温、耐蚀、抗氧化要求而引入的奥氏体型号耐热钢，作为热作模具材料，己经逐渐获得了广泛的应用。这类钢一般都含有较高的Cr、Ni、Mn等合金元素，同时加入了一定量的C、N、V等元素，使奥氏体变得更加稳定，钢中始终保持奥氏体组织，其中Cr14Ni25Co2V、4Cr14Ni14W2Mo钢属铬镍系奥氏体不锈耐热钢，而5Mn15Cr8Ni5Mo3V、7Mn10Cr8Ni10Mo3V、7Mn15Cr2A1V2WMo钢为高锰系奥氏体钢。奥氏体钢的优点是组织比较稳定，在加热和冷却过程中均不发生相变，具有很高的高温强度和耐热性；缺点是线膨胀系数大、导热性差，降低了钢的热疲劳性能，不适合作为强烈水冷的模具材料。铬镍奥氏体不锈耐热钢抗氧化性好，可用于钛合金蠕变成形模、强腐蚀性的玻璃成形模，以及压铸用型芯等到热作模具。高锰系奥氏体耐热钢适于制造使用温度高于700°C，但低于900°C、工作应力较高、形状简单的模具，例如铜合金挤压模、钢或高温合金挤压模、粉末烧结模等。（2）、硬质合金及钢结硬质合金的性能及应用 硬质合金是用难熔高硬度碳化物的粉末与少量的粘结剂粉末混合后加压成形，再经烧结而成的粉末冶金材料。硬质合金的工温度可达8001000°C，硬度很高，耐磨性很好，具有很高的弹性模量，较小的膨胀数及良好的化学稳定性，用来制作某些热作模具，寿命比模具钢高10倍以上。但是硬件质合金较脆，抗弯强度和韧性较差，且不能进行机械加工。该类硬质合金模具直接烧结成形，无需机械加工和热处理。钢结硬质合金是介于硬件质合金和工模具钢之间的一种新模具材料，是以TiC、WC等第5页为硬质相，以合金钢粉末为粘结剂，经混合压制烧结而成的粉末冶金材料，其性能介于钢和硬质合金之间，既具有钢的高强韧性，又具有硬质合金的高硬件度、高耐磨性。钢结硬质合金可以通过热处理来改变其性能，并可以进行各种机械加工及热加工，因此更适合制造各种热作模具。由于硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，还有良的热稳定、抗氧化性和耐腐蚀性，因而可以用于制造一些热作模具。钨钴类硬质合金可以用于热切边凹模、压铸模，以及工作温度较高的热挤压凸模或凹模等（一般制成镶块）。钢结硬件质合金可制作热挤压模、热冲孔模、热平锻模等，模具使用寿命大大提高。（3）、析出沉淀硬件化型热作模具钢的性能和应用 析出沉淀硬化型热作模具钢含碳量较低，一般的c=0.2%左右，并且含有一些沉淀硬化的合金元素，如V、Ni、Mo等，淬火后宜采用较低温度回火（约400°C），硬度为40HRC左右。由于钢中碳含量低，中温回火后钢的组织为板条状低碳马氏体，具有良好的韧性和切削性，可以进行型腔精细加工。模具在使用过程中，与高温工件接触的型腔表面被工件加热到钢的沉淀硬件化温度（500600°C），型腔表面由于合金碳化物和金属间化合物的析出，硬度可以上升到4548HRC，从而提高了型腔表面的耐磨性，模具心部仍保持原有的组织和高韧性，从而提高了模具的使用寿命。我国研制的2Cr3Mo2NiVSi(PH)钢，是典型的析出硬化型热作模具钢。国外代表性的钢号有日本日立公司的YHD3、YHD26、YHD28，日本大同殊钢公司的DH76（2Cr3Ni3V）等。PH钢适用于制造在500600°C以使用的锻模具，由PH钢制作的常啮合齿轮模和连杆模等模具，使用寿命较美国H11钢提高1倍。（4）、高速钢型耐热模具钢的性能及应用 高速钢自问世以来，一直用于制造切削刀第6页具，自20世纪60年代以后，其应用范围不断扩大，除用来制造冷加工模具和高温下工作的热冲压冲头、挤压模具、热锻模、热成形用轧辊等。要求高热强性的工具和热作模具，可以选用W18Cr4V类高速钢；要求承受一定冲击载荷的热加工模具，可以选用W8Mo5Cr4V2类高速钢。高速钢作为热作模具使用时，工作温度达600700°C，具有高强度、好的热硬性，但韧性较差，其使用寿命与3Cr2W8V钢、H11钢制模具的使用寿命相比，有很大的提高，特别是用于高温冲头，高速钢更具优越性。（5）、冷热兼用基体钢的性能及应用 高速钢具有较高的强度、硬度、热硬性和耐磨性，但韧性不足。低合金高碳模具钢虽有较高的韧性和塑性，但强度、热硬性和耐磨性都不及高速钢。理想的模具材料是既具有高速钢的强度、热硬性、耐磨性，又具有低合金模具钢的韧性和塑性。近年来研制的基体钢基本上具有这样的特性。基体钢是指成分与高速钢淬火后的基体组织成分大致相同，而性能有所改善的一类钢，这类钢减少了共晶碳化物，并使其均匀分布，工艺性能好，强韧性明显提高。一般来说，在高速钢的基体成分上添加少量其他元素，适当改变含碳量，以改善性能适应某些要求的钢，也叫基体钢。基体网中允许含有体积分数5%左右的剩余碳化物，这样一方面可以增加耐磨性，另一方面有助于防止高温加热时晶粒长大。为了增加基体钢的强度，在高速钢基体中适当增加了含碳量并增添少量合金元素。基体钢性能较好，可以广泛用于制造要求高负荷、高速耐冲击的冷、热变形模具。可兼作冷热模具的基体钢有LM1（6W8Cr4VTi）、LM2(6Cr5Mo3W2VSiTi)、CG2(6Cr4Mo3Ni2WV)、RM2(5Cr4W5Mo2V)等，另外012A1（5Cr4Mo3SiMnVA1）、5Cr4W2Mo2SiV钢较多地应用于热挤压模具。采用基体钢制造热挤压模具和热锻模，其使用寿命高于3Cr2W8V钢制造的模具。（6）、马氏体时效型耐热钢的性能及应用 马氏体时效钢是含有大量稀缺而贵重的Ni、第7页Co等元素的一类钢，为超低碳（c0.03%)高含镍量(Ni10%),还含有一定量的Co、Mo、Ti、A1，因为含镍量高，使Ms、Mf点均高于室温。马氏体时效钢经时效后，具有超高强度和良好的塑性、韧性配合，硬度高，耐磨性好、屈服强度比也高（0.950.99），并有高的断裂韧度和高的耐热性能，在500°C以下工作强度不降低，高温疲劳强度高，抗氧化性能高，并且具有良好的低温性能和耐蚀性。马氏体时效钢一般空冷可全部淬成马氏体，其热处理工艺通简单、变形小、加热不脱碳、尺寸稳定。其热处理工艺通常为：在800900°C加热进行固常溶处理，硬度2830HRC，适合切削或其他加工，然后在480510°C进行时效处理36h，析出沉淀相，硬度可达5060HRC。常用的马氏体时效钢有18Ni(250)、18Ni(300)、18Ni(350)，如18Ni(250)钢（00 Ni 18-Co8Mo5TiA1）,用于制造铝合金压铸模，取得了很好的效果，模具的使用寿命比4Cr5MoSiV1(H13)钢制造的铝合金压铸模提高几倍。但是由于钢中贵重合金元素含量高，价格昂贵，因此只用于制造小型精密复杂的长奉命压铸模具、精密锻模和压铸模具的芯棒等工件。三、热作模具材料在生产中的选用影响热作模具使用寿命的因素很多，如模具在工作时的受力，受热和冷却情况，模具的形状和尺寸、压制件的材质、形变方式、变形速度、变形量，以及使用环境及润滑条件等，因此热作模具材料的选用，必须充分考虑以上因素，合理选用，以确保热作模具的使用寿命。1、热锻模材料的选用锻模具在使用过程中，各个部位将处于复杂的应力状态，如拉应力、压应力、弯曲应力等，还将受到反复的冲击载荷，特别是锤用模具，受到很强的冲击载荷，随着模锻锤吨位的增加，冲击载荷进一步加大，同时还承受剧烈的急冷急热循环。因此热锻模具必须有良好的抗冷热疲劳性能，有一定的高温强度和硬度，有较好的抗回火软化能力，有高的淬透性，以及较好的冲击韧度和断裂韧度。第8页因此，在选用热锻模材料和确定其工作硬度时，应根据热锻模种类、锻模大小、模具的形状复杂程度、生产批量，以及受力和受热情况来确定。（1）、普通热锻模材料的选用 普通热锻模通常选低耐热高韧性作模具钢，其中小型（3t）热锻模可选用5CrMnMo钢；大型（3t）及复杂热锻模可选用5CrNiMo、4CrMnMoSiV钢；大型重载热锻模可选用5Cr2NiMoSiV钢。（2）、高速热锻模材料的选用 高速热锻模广泛选用中耐热韧性钢。但小型、简单模具可选用低耐热高韧性钢，如5CrMnMo、5CrNiMo钢。一般高速热锻模广泛选用中耐热韧性钢，如应用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1钢，该类钢有较高冲击韧度，回火稳定性好，耐热疲劳抗力好。也可选用4Cr3W2SiV、4Cr4MoWSiV钢。对于要求抗热性能高的高速热锻模也可选用3Cr2W8V类高耐热性钢，也可选择用4Cr3Mo2W4VTiNb钢。2、热挤压模具材料的选用热挤压模与高温坯料长时间接触，热挤压凹模、芯棒、热挤压缸内套等受高温、大应力和强烈摩擦，要求模具材料必须具有高温下强度高、耐磨性好、抗回火稳定性好，并具有良好的抗冷热疲劳性能，对于芯棒材料还必须具有良好的韧性。热挤压模具材料的选用，首先是根据被挤压金属的种类及其挤压温度来确定，其次是考虑挤压比、挤压速度和润滑条件等因素，以提高模具的使用寿命。热挤压模具以选择高耐热钢为主。对于挤压轻金属合金（A1、Zn）的热挤压模具可选择用中耐热韧性钢，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1钢；而挤压铜、钢的热挤压模最好选用高耐热钢，如3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V钢；对于高温条件下磨损极为严重的热挤压模具，特别是挤压难变形的、形状复杂的、挤压比很大的高温坯料，有时采用奥氏体型高温热作模具钢、硬质合金、钢结硬质合金等高热强性、高耐磨材料制成的模具镶块。3、压铸模具材料的选用第9页由于压铸工艺具有生产率高，节约原材料，降低生产成本，生产的铸件性能好，以及尺寸精度较高等特点，近几十年来的得到了广泛应用。压铸模具的工作表面直接与液态接触，承受高温、高压和高速流动的液态金属冲蚀，在铸件脱模以后，又急速冷却。因此压铸模具必须具有耐冷热疲劳性能、耐液态金属冲蚀性能，以及一定的强度、韧性和耐磨性。因此，在选择压铸造模具材料时应考虑以下因素：压铸金属的化学成分、压铸温度、压铸工件的形状复杂程度，以及生产工件的多少。（1）、锌基合金压铸模具材料的选择用 锌基合金的熔点很低，其压铸模具工作表面的温度通常不超过400°C，一般可选用合金结构钢制造，也可选用预硬型钢，如3Cr2Mo等作为合金压铸模具用钢。如果生产批量很小，也可选用45钢。如果压铸的锌合金件批量很大，形状比较复杂，或者尺寸精度较高时，可选用一些热作模具钢，如5CrMnMo、5CrNiMo 、4Cr5MoSiV等钢种。（2）、铝、镁合金用压铸模具材料的选用 铝、镁合金压铸模工作温度在500600°C，因此要求模具材料在600°C左右具有较高的抗回火稳定性和抗冷热疲劳的性能，具有良好的抗高温高压高速的液态铝、镁合金的冲蚀性能和较高的强度和韧性。因此国内外普遍选用4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1钢作为铝、镁合金压铸模具用钢，性能良好。也可选用高耐热钢3Cr2W8V钢。（3）、铜合金压铸模具材料的选用 液态铜合金的温度一般高达9001100°C，模具型腔表面温度也高达750850°C。因此铜合金压铸模具材料必须具备很高的抗冷热疲劳性能、高的热强性、高的导热性、高的耐铜合金液体冲蚀性能和抗氧化性能、一定的韧性、良好的工艺性能。因此，铜合金模具材料一般选用高耐热钢，如3Cr2W8V、4Cr3Mo3SiV钢等。为了进第10页一步提高模具使用寿命，采用热强性更好的热模钢如4Cr4W4Co4V2Mo(H19)、3Cr3Mo3Co3V等钢种。4Cr3Mo2MnVNbB(Y4)钢是针对铜合金压铸模研制的新型热压铸模具钢，在铜合金压铸模的应用方面取得明显成效，值得推广应用。4、热冲裁模具材料的选用在热作模具中，热冲裁模具的工作温度较低，对材的性能要求较宽。热冲裁模具用钢主要应具备高的耐磨性，一定的坚硬性，良好的强韧性及加工工艺性能。国内对热冲裁模材料一般选择8Cr3、5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSiV、3Cr2W8V、5Cr4W5Mo2V、6Cr2W2Si等钢种。在热冲裁模中采用硬质合金镶块，充分发挥硬质合金的高温耐磨性能，也是提高热冲裁模具使用的寿命的有效措施。六、结语热作模具品种繁多，归纳起来主要有热锻模、热挤压模、热冲裁模和压铸模四大类。热作模具是在热态下使金属成形的工具，此种模具应具有一定的高温强度和高温硬度、良好的淬透性与冲击韧度、足够的耐热疲劳性能和抗氧化能力。各类热作模具的服役条件差异较大，因此热模具钢的选择和应用根据模具的生产条件的需要，结合模具的基本性能要求和相关因素来选用符合热作模具的需要、经济上合理，以及技术上选择先进的热模具材料，从而提高产品的质量和模具的使水平。随着广大科技工作者的不断努力，热作模具材料的发展也必将会达到更高的水平！第11页第12页