模具材料与热处理概述

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'模具材料与热处理概述'
第1章 模具材料与热处理概述¡1.1模具及模具材料分类¡1.2模具钢的生产加工工艺¡1.3模具钢的性能与质量检验¡1.4模具钢的常规热处理概述¡1.5模具钢进厂检验¡1.6模具材料的应用及发展 1.1模具及模具材料分类¡ 模具材料是模具的制造基础。合理选择模具材料,正确实施热处理工艺是保证模具寿命,提高模具质量和使用效能的关键技术。尤其是在难成形材料不断涌现、成形工件形状日益复杂化,精度要求愈来愈高的情况下!模具对材料的使用性能和热处理工艺提出了更加严格和苛刻的要求。¡ 模具材料的选用和热处理质量与模具的使用效果、使用寿命有极大的关系。¡ 1.1.1模具分类¡ 模具的分类方法很多,根据成形材料、成形工艺和成形设备的不同可综合分为十大类, 下一页 返回 1.1模具及模具材料分类¡ 即冲压模具、塑料成型模具、压铸模、锻造成形模具、铸造用金属模具、粉末冶金模具、玻璃制品用模具、橡胶制品成型模具"、陶瓷模具和经济模具。这种分类方法虽然较为严密,但与模具材料的选用缺乏联系。为了便于模具材料的选用,按照模具的工作条件来分类较为合理。据此,将以上十大类模具又分为如下三大类。¡ (1)冷作模具:包括冷冲压模、"冷挤压模、冷镦模、拉丝模等。¡ (2)热作模具:包括热锻模。热精锻模。热挤压模。压铸模。热冲裁模等。 上一页 下一页 返回 1.1模具及模具材料分类¡ (3)成型模具:包括塑料模、橡胶模、陶瓷模、玻璃模、粉末冶金模等。¡ 由于冷冲压模与塑料模使用广泛,在生产现场的使用比例占80%以上,因此本书将主要介绍冷冲压模与塑料模的选材和热处理。¡ 1.1.2模具材料分类¡ 模具材料按模具类别的不同可分为冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料以及其他模具材料,如图1-1所示;按材料的类别,可分为钢铁材料、非铁金属材料和非金属材料。由于在模具制造中主要采用的是模具钢,因此本书仅介绍模具钢的知识。 上一页 下一页 返回 1.1模具及模具材料分类¡ 模具钢的成分、性能及用途各不相同。按其合金元素含量的不同,一般把模具钢分为碳素工具钢、低合金模具钢、中合金模具钢和高合金模具钢;按用途不同分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等;其他还有按性能分类的。但通常先按用途分为三大类,再按模具钢的合金元素与特点分成小类,如图1-2所示。 上一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ 1.2.1模具钢的冶金生产工艺¡ 模具钢的冶炼主要有平炉、电弧炉、真空感应炉、电渣重熔及炉外真空处理等几种方法。目前,我国模具钢的生产主要采用电弧炉冶炼。随着炉外处理技术的发展,炉外处理生产的模具钢数量将会越来越多。¡ 1.电炉冶炼¡ 电炉炼钢的钢水化学成分容易控制,因而钢材质量好,可冶炼高级优质特殊钢材。最常用的有电弧炉和感应炉两种,但约90%的模具钢是用电弧炉冶炼的,所以电炉炼钢一般即指电弧炉炼钢。 下一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ 电弧炉炼钢的基本原理是利用石墨电极与废钢或钢液之间产生电弧,用电弧热进行熔炼,工厂中常用的是三相交流电弧炉。¡ 2.电渣重熔¡ 电渣重熔生产的模具钢,其内部组织均匀,等向性能好,碳化物分布均匀细小,提高了模具钢材的质量。¡ 电渣重熔用自耗电极是由电炉冶炼的,电极可以是锻造的,也可以是铸态的。熔炼之前,在结晶器底盘上放同一钢种的底垫,然后放入碎钢屑和混合好的固态熔剂。熔炼开始,形成熔池后,电极以一定速度上升,熔化的钢液由下而上不断凝固。在熔渣的保护下,钢液被精炼,进行去硫及排除金属夹杂物的反应过程。 上一页 下一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ 3.炉外精炼¡ 随着工业技术的发展,对模具钢的质量要求越来越高,因而国外对模具钢,特别是大截面模具钢多采用炉外精炼工艺。此工艺的特点是将钢液从炉内移至炉外另一个装置中继续完成去氢、脱硫以及去夹杂等工序,进行合金成分的调整和均匀化,改善缺口冲击韧度和横向性能,缩短炉内精炼时间。¡ 常用的炉外精炼方法有真空炉外处理及喷射冶金等技术。 上一页 下一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ 1.2.2模具钢的热加工工艺¡ 1.钢锭锻轧¡ 经不同方法冶炼的模具钢浇注成所需钢锭,经过锻造或轧制生产出所需要的毛坯。钢锭锻轧的目的是:¡ (1)将钢锭加工成使用单位所要求的模具毛坯形状、尺寸或锻轧成各种规格的圆钢。¡ (2)破坏钢锭的铸态组织,焊合内部疏松、裂纹、气孔及其他缺陷。¡ (3)提高钢锭的致密性、 上一页 下一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ (4)破碎共晶碳化物、改善非金属夹杂物及碳化物的形态及分布均匀性。¡ (5)提高钢锭的等向性能。¡ 2.钢坯改锻¡ 目前我国模块标准化程度很低,虽已有标准JB/T5900-1991《通用锻制模块毛坯尺寸及计重方法》,但生产企业按此标准供应的很少,绝大部分仍供应圆钢。由于模具钢含碳量及合金量很高,经钢厂锻轧后,钢坯中共晶碳化物不均匀度仍较大,偏析严重。使用单位从冶金厂购进的钢材首先应检验共晶碳化物的分布,如果不均匀度大于3级,则应进行改锻。最好采取多向锻拔,以便击碎碳化物并改善锻件的方向效应。 上一页 下一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ 3.锻轧工艺¡ 表1-2为常用合金模具钢的锻造工艺。锻轧工艺的关键是锻造温度范围的选择,包括加热温度、始锻温度和终锻温度。提高始锻温度,有利于钢锭内部孔隙缺陷的焊合,成分均匀性好;但会使晶粒变粗,影响模具钢的力学性能。终锻温度低会导致锻件心部形成十字裂纹,但终锻温度高也会使晶粒继续长大而形成粗晶。¡ 4.锻轧工艺应用¡ Cr12型冷模钢的塑性很差,共晶碳化物的分布对使用性能影响极大.通常。为进一步降低共晶碳化物级别。冶金厂供给的模具坯料需经使用单位多次反复镦拔改锻后才能使用。 上一页 下一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ 如某模具配件厂用Cr12钢作冲模,毛坯尺寸90mm,不经锻造而由轧材直接加工成模具应用,共晶碳化物为1级以上,模具的使用寿命只有几件到几十件,最高仅3000件,均以崩刃、纵向开裂或碎裂等形式脆性失效。后采用60mm较小尺寸坯料,经锻粗到90mm作冲模,共晶碳化物为3~4级,且碳化物分布均匀,模具的使用寿命达8000件以上。¡ 5.锻造缺陷及预防¡ 模具钢锻造中产生的主要缺陷是裂纹和开裂。裂纹的形式多种多样,形成裂纹的原因也是多方面的。一种原因是冶金缺陷造成的,如缩孔、偏析、折叠、气泡以及夹杂等; 上一页 下一页 返回 1.2模具钢的生产加工工艺¡ (另一种原因是由于锻造工艺不当造成的。模具钢,尤其是高碳、高合金模具钢,变形抗力大、塑性差、导热性低、锻造温度范围窄以及淬透性高等都给锻造增加了难度。因此,对模具钢的锻轧工艺必须严格掌握,锻造后应缓冷并及时退火。¡ 1.3.1模具钢的常规力学性能要求¡ 模具钢的性能是由模具钢的成分和热处理后的组织所决定的。模具钢的基本组织是由马氏体基体以及在基体上分布着的碳化物和金属间化合物等构成。 上一页 返回 1.3模具钢的性能与质量检验¡ 模具钢的性能应该满足某种模具完成额定工作量所具备的性能,但因各类模具服役条件及所完成的额定工作量指标均不相同,故对模具性能要求也不同。又因为不同钢学成分和组织对各种性能的影响不同,即使同一牌号的钢也不可能同时获得各种性能的最佳值,一般某些性能的改善会损失其他的性能。因而,模具工作者常根据模具工作条件及工作定额要求选用模具钢及最佳处理工艺,使之达到主要性能最优,而其他性能损失最小的目的。¡ 1.强度¡ 强度是表征材料变形抗力和断裂抗力的性能指标。 下一页 返回 1.3模具钢的性能与质量检验¡ 评价冷作模具钢塑性变形抗力的指标主要是常温下的屈服点αs或屈服强度α0.2,评价热作模具材料塑性变形抗力的指标应为高温屈服点或高温屈服强度。为了确保模具在使用过程中不会发生过量塑性变形失效,模具材料的屈服点必须大于模具的工作应力。热作模具的加工对象是高温软化状态的坯料,故所受的工作应力要比冷作模具的工作应力小得多。但热作模具与高温坯料接触的部分会受热而软化,因此,模具的表面层须有足够的高温强度。¡ 2.硬度¡ 硬度表征了钢对变形和接触应力的抗力。测硬度的试样很容易制备,车间、试验室都有硬度计,因此, 上一页 下一页 返回 1.3模具钢的性能与质量检验¡ 硬度是很容易测定的一种性能。由于硬度与强度也有一定关系因此可通过硬度强度换算关系得到材料硬度值。按硬度范围划定的模具类别,如高硬度(52~60HRC)一般用于冷作模具,中等硬度(40~52HRC)一般用于热作模具。¡ 钢的硬度与成分和组织均有关系,通过热处理,硬度可以在很宽范围内改变。如新型模具钢012A1和CG-2采用低温回火处理后硬度为60~62HRC,采用高温回火处理后硬度为50~52HRC,可用来制作硬度要求不同的冷、热作模具。因而这类模具钢可称为冷作、热作兼用型模具钢。 上一页 下一页 返回 1.3模具钢的性能与质量检验¡ 模具钢的硬度主要取决于马氏体中溶解的含碳量(或含氮量)马氏体中的含碳量
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