第四章 工模具钢.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,概述,碳素钢及低合金刃具钢,高速钢,冷作模具钢,热作模具钢,其他类型工具用钢,第,4,章 工模具用钢,4.1,概述,按用途分为,刃具钢、模具钢、量具钢,三大类。,刃具钢可分为碳素、低合金工具钢和高速钢三大类。,模具钢按工作温度可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。,量具钢用来制作量规、卡尺、样板等。用来测量工件尺寸和形状。,4.1,概述,主要,矛盾,韧度和耐磨性间的合理平衡,基体成分和,K,的,性质、数量、形态和分布成分,组织,一般含,0.61.3%C,M+,足够数量,K,。,M,硬度,高、切断抗力较高、耐磨性好。,Cr,、,W,、,Mo,、,V,等：淬透性、耐磨性和热,稳定性；,Mn,、,Si,辅助加入：淬透性，回火稳定性；,第二相,K,球状、细小、均匀分布。,4.2,碳素钢及低合金工具钢,一、碳素工具钢,1.,含碳量,0.65,1.35%,。,钢号从,T7,到,T13,。做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸,15mm,的工具。,T7,有较好的塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；,T8,易过热，制造形状简单的木工工具等；,T10,、,T12,耐磨性较好，强度高，但韧度低，制造不,受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等。,4.2,碳素钢及低合金刃具钢,2.,热处理工艺及性能,采用球化退火不完全淬火低温回火。,淬火：,760800,，盐水冷却（因淬透性低）。,回火：,150250,。,性能：,HRC5864,，但韧性、耐磨性不同。淬火变形开裂倾向大，工件厚淬不透。组织稳定性差，高于,200,硬度明显下降。,4.2,碳素钢及低合金刃具钢,二、低合金工具钢,合金,元素,作用,Cr,：,1%,左右，细化,K,，均匀分布；,Mn,：主要是提高淬透性；,Si,：提高低温回火稳定性，还可强化铁素体，降低,切削加工性；但会增大脱碳敏感性，不单独加入；,W,：,0.51.5%,，含量过多会形成碳化物，且使碳化,物分布不均匀，恶化性能。,V,：降低过热敏感性，细化晶粒，提高回火稳定性。,弥补碳素工具钢的不足。,4.2,碳素钢及低合金刃具钢,球化,退火,2.,热处理工艺及性能,采用球化退火不完全淬火低温回火。,等温退火，由退火温度以,3040/h,冷至,700,左右，等温,4h,，再炉冷到,600,出炉。,T,淬,为,A,cm,+3050,，油冷、熔盐分级淬火、,等温淬火（,B,等温淬火和,M,等温淬火）。,淬火,工艺,一般,组织,含碳量,0.50.6%,的,M+,未溶粒状,K,4.2,碳素钢及低合金刃具钢,Si,、,Cr,淬透性，,D,油,60HRC,；,K,细小、均匀,不容易崩刃；,分级淬火或等温淬火处理，变形较小；,Si,使钢的脱碳倾向增大。,9SiCr,：,适于制作形状较复杂、变形要求小的工件，特别,是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。,4.2,碳素钢及低合金刃具钢,CrWMn,：,Cr,、,W,、,Mn,复合加入：,淬透性，,D,油,=5070mm,；,AR,在,1820%,，淬火后变形小；,含,Cr,、,W,的碳化物较多且稳定，晶粒细小,高硬度、高,耐磨性；,回火稳定性较好，,250,回火，硬度才,60HRC,；,W,使碳化物易形成网状。,适于制作要求变形小、耐磨性高的工件，如拉刀等，,也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。,4.3,高速工具钢,1898,年就有含,W,钢，,1910,年生产了,W18Cr4V,。近几十年来，高速钢的产量、品种和质量都有了很大的发展。,按照其成分和性能特点可分为以下几类：,（,1,）,W,系高速钢：,W18Cr4V,（,18-4-1,）型，,M1,。,（,2,）,W-Mo,系高速钢：,W6Mo5Cr4V2,（,6-5-4-2,）型，,（,M2,）。,（,3,）,Co,系高速钢：,W18Cr4VCo5,，,W6Mo5Cr4V2Co8,。红,红硬性高、切削性能好。,（,4,）超硬高速钢：,W6Mo5Cr4V2Al,。具有,6570HRC,高硬,度、高红硬性特点，成本比钴高速钢高。,钨系和钨钼系称为,通用型高速钢,，而把其他类型称为,高性,能或特殊用途高速钢,。,4.3,高速钢,4.3,高速钢,4.3,高速钢,一、高速钢中合金元素的作用,C,一般高速钢含,0.71.65%C,。形成足够数量的,碳化物；保证马氏体中固溶碳量。,影响,C%,过高：,a,.A,R,增多；,b,.,碳量的提高使固相线降低，晶界,熔化温度降低淬火温度,A,中,Me%,红,硬性；,c,.,韧性低。,4.3,高速钢,W,：造成红硬性的主要元素。,退火时主要以,M,6,C,型碳化物存在。,一部分,M,6,C,型碳化物溶入奥氏体,强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，提高回火,稳定性，在,600,回火时，仍为过饱和固溶体，具有,高的红硬性。,回火时在马氏体中弥散析出,W,2,C,，造成二次硬化，,具有高的红硬性和耐磨性。,淬火加热时,一部分,M,6,C,型碳化物未溶入奥氏体,强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用,12,201310,的高温，使足够数量的碳化物溶入奥氏体，,保证高的红硬性，提高耐磨性。,W,热导率,钢导热性差。,W,和,Mo,相似，,1%Mo,可取代,1.52.0%W,。,4.3,高速钢,V,V,显著,红硬性、,硬度和耐磨性，细化晶粒，,过热敏感性。以,VC,存在。,Cr,Cr,加热时全溶，保证钢淬透性，,4%Cr,。,改善抗氧化能力、切削能力。,Co,可显著,红硬性、有,5%,、,8%,和,12%,三个级别。,但,钢的韧性，钢脱碳倾向,。,微量,元素,微量,N,可增加硬红硬性，一般,0.1%,。稀土可,明显改善热塑性，,硫在晶界的偏聚。,4.3,高速工具钢,在所有的高速钢中，除钴高速钢以外，,退火状态下,都含有,M,6,C,、,M,23,C,6,、,MC,三种碳化物，在含,W,、,Mo,较少的高速钢中还有,M,7,C,3,型碳化物。在淬火状态下，只有,M,6,C,和,MC,。回火状态（,650,左右）有,M,2,C,、,MC,析出。,二、高速钢中的碳化物,1.,碳化物的类型,淬火,态,加热时，,K,溶解顺序为：,M,7,C,3,、,M,23,C,6,型在,1000,左右溶解完,M,6,C,型在,1200,时比分溶解,MC,型比较稳定，在,1200,时,开始少量溶解。,回火,态,主要为,M,6,C,（淬火残留）、,MC,（回火时析出和,淬火残留）、,M,2,C,（回火析出）等碳化物。,4.3,高速工具钢,2.,碳化物不均匀性对高速钢性能的影响,K,不均匀性,结果,各向异性；,形变时易应力集中而开裂；,热处理工艺性变坏。,关键是,必须经,过正确,的锻造,控制终锻温度；,用合适的锻压比；,锻造时先轻锤快打，,后重锤锻打；,锻后要缓慢冷却，锻,后进行退火。,4.3,高速工具钢,钨系高速钢的始锻温度一般为,11401180,，终锻温度为,90 0,左右；钼系及钨系高速钢的始锻温度要低一些，为了减少氧化与脱碳，可以降低至,1000,左右，终锻温度为,850870,。终锻温度太低会引起锻件开裂，而终锻温度太高（大于,1000,）会造成晶粒的不正常长大，出现萘状断口。,高速钢的导热性能较差，锻造加热过程中，一般应在,850,900,以下应缓慢进行；锻造或轧制后为防止产生过多的马氏体组织，应缓慢冷却（常用灰坑缓冷），以防止产生过高的应力和开裂。,采用合适的锻压比，一般在,711,之间，反复拉拔和锻粗,23,次；锻造时先轻锤快打，后重锤锻打，锻后要缓慢冷却，进行退火。高速钢退火后的组织为索氏体,+,碳化物，硬度为,HB207255,。,4.3,高速工具钢,三、高速钢的铸态组织,1.,高速钢的平衡结晶过程,平衡组织为：,L,d,+K+P,2.,高速钢的实际铸态组织,若包晶反应不能进行完毕，仍有部分高温铁素体,相被保留下来，在继续冷却时发生共析转变,K,，称为,共析，随后,相再发生共析反应。因为在金相组织中呈黑色，又称,黑色组织,。,若,相的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为,M,A,R,，在金相组织中呈白色，称,白亮组织,。,鱼骨状莱氏体（,Ld,）,、黑色组织（,共析体等）和白亮组织（,M+A,R,）,高 速 钢 的 铸 态 组 织,这是由于高速钢在实际铸锭凝固时的冷却速度大于平衡冷却，合金元素来不及扩散，在结晶和固态相变过程中的转变不能完全进行。,4.3,高速工具钢,四、高速钢的热处理1.,退火：,采用球化退火，也可分为一般退火和等温退火两种。,(a),普通退火工艺,(b),等温退火工艺,4.3,高速工具钢,2.,淬火、回火,思考：为什么需要采用一次或多次预热，预热有何作用？,高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热，速度较快，常采用预热。,4.3,高速工具钢,：,4.3,高速工具钢,淬火要求：,A,奥氏体中有足够的,C,和,Me,，只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。,B,有相当的未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。,过热,淬火温度过高，晶粒长大，,K,溶解过多，,K,发生角状化；,奥氏体中合金度过高，冷却时易在晶界上析出网状,K,。,过烧,淬火温度再高,晶界熔化,出现铸态组织特征（鱼骨状,共晶莱氏体及黑色组织）。,欠热,淬火温度较低，大量,K,未溶解，且晶粒特别细小。,淬火温度应精确控制,4.3,高速工具钢,高速钢特点：,淬透性好，空冷可得马氏体。（但为保证钢的红硬性和避免在高温时产生氧化腐蚀，一般不采用空冷。）,在,650350,，有过冷奥氏体稳定区。,奥氏体中合金度较高，有碳化物析出倾向，在,650,以上范围停留或缓冷至,675,时，奥氏体中会出现二次碳化物。,4.3,高速工具钢,淬火后冷却也很重要，方式很多，可根据工具不同情况进行选择。,4.3,高速工具钢,分级淬火的分级温度停留时间一般不宜太长，否则二次碳化物可能大量析出，对钢的性能不利。,分级,淬火,常用一次分级或多次分级方法。,80%,高速钢工具是采用一次分级淬火，,分级温度常在,600,左右，停留时间严格,控制，一般,15min,。多次分级适用于形,状特殊、极易变形的工具。,4.3,高速工具钢,等温淬火：有贝氏体等温淬火（,235315,，,24h,）和马氏体等温淬火（,200,左右，,560min,）。采用较多的是贝氏体等温淬火。,可提高工具的强度、韧度和切削性能。降低中心钻及仪表刀具等在使用中发生断头、崩刃等现象。,4.3,高速工具钢,回火：为消除淬火应力，稳定组织，减少残余奥氏体的数量。,560,三次回火，每次保温,1h,，回火后需冷至室温。,560,回火后，硬度反而升高，有二次硬化现象：,560,回火析出弥散的,M,2,C,和,VC,，起弥散硬化作用。,二次淬火：,A,R,在回火后的冷却过程中转变为马氏体。,4.3,高速钢,4.3,高速工具钢,正常回火后的组织为回火马氏体碳化物以及少量,A,R,。,4.3,高速工具钢,3,、表面处理,工模具表面技术是高速工具钢发展的一个重要方面，在新型工具材料的开发上具有重要的意义。,化学热处理：表面氮化、表面硫氮共渗、蒸气处理等。,T560,。,刀具表面覆层：物理气相沉积（,PVD,），在工件表面沉积,TiN,或,TiC,覆层。,4.4,合金模具钢,一、冷作模具钢,4.4,合金模具钢,1,、碳素工具钢和低合金工具钢,4.4,合金模具钢,（,1,）碳素工具钢,淬透性低，热处理时变形大，只适宜制造尺寸小、形状简单、受轻负荷的模具。,（,2,）低合金工具钢,常用低合金工具钢有,9Mn2V,、,CrWMn,、,GCr15,、,9SiCr,等。,和碳素工具钢相比，这类钢的淬透性较高，热处理变形较小，耐磨性也较好，可制造尺寸较大、形状较复杂、精度要求相对较高的模具。,4.4,合金模具钢,9Mn2V,的特点：,Mn,提高淬透性，,D,油,30mm,；,Mn,降低,Ms,点，淬火后,A,R,约,2022%,，变形小；,V,能克服,Mn,的缺点，降低过热敏感性，细化晶粒；,硬度稍低，回火稳定性较差，需在,200,以下回火；,VC,使钢的磨削性能变差。,各种类型的中小冷作模具都可采用。,2,、高铬和中铬模具钢,1,）高碳高铬模具钢,主要有,Cr12,、,Cr12MoV,钢。,Cr12MoV,钢具有高淬透性，截面,200300mm,以下可以完全淬透。,Cr12MoV,钢主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有“冷作模具王牌”之称。,4.4,合金模具钢,（,1,）主要特点,铸态组织为高碳亚共晶组织，和高速钢类似。退火态含有 体积分数,1620%,的,(Cr,，,Fe),7,C,3,碳化物。,淬火加热时有大量未溶碳化物（,Cr,7,C,3,），在,Cr,的碳化物中，,Cr,7,C,3,碳化物具有最高的硬度，极大提高耐磨性。淬透性好，空冷可淬硬。,650350,有过冷奥氏体稳定区。,经二次硬化处理有较高的红硬性和耐磨性。,碳化物不均匀性比较严重，尤其是含碳较高的,Cr12,钢更甚，通常需要通过改煅来降低碳化物的级别。,4.4,合金模具钢,（,2,）热处理,4.4,合金模具钢,一次,硬化法,低温淬火,+,低温回火晶粒细小，强韧性好。,9801030,淬火,150170,回火，硬度为,61,63HRC,，,A,R,%,少。,12%,左右的未溶,(Cr,Fe),7,C,3,碳化物。,一次硬化法使用较普遍。,二次硬化的原因主要是,A,R,M,，和高速钢不完全相同。,4.4,合金模具钢,二次,硬化法,10501100,淬火,500,左右多次回火，硬,度回升到,6062HRC,。热硬性较好，强韧性较,低。,二次硬化法适用于工作温度比较高（,400,500,），且受载荷不大或淬火后表面需要氧,化处理的模具。,2,）高碳中铬模具钢,典型钢号：,Cr4W2MoV,和,Cr5Mo1V,。,K,以,M,7,C,3,为主，分布较均匀，耐磨性好和热处理变形小，,适于制造既要求有高的耐磨性，又具有一定韧度的模具。,Cr5Mo1V,（美,A2,）是值得推广的空冷淬硬冷作模具钢，,是国际上通用的钢种。,100mm,以下可空冷淬硬，适用于,形状复杂、要求热处理变形小又需要好的耐磨性和良好韧,度的冷作模具，如下料模、成型模、冲头、剪刀片等。,3,）新型冷作模具钢,我国常用,7CrMo2V2Si,钢，淬透性较好，热处理变形小。用来制造冷墩模、冷冲模及冲头、冲剪模等。,4.4,合金模具钢,3,、基体钢,基体钢是指其化学成分与高速钢的淬火组织的基体化学成分相同的钢种。,1,）特点,既具有高速钢的高强度，高硬度，又因不含大量碳化物而使韧性、疲劳强度优于高速钢。（介于高速钢和低合金工具钢之间）。,对基体钢没有确切的定义，但一般认为凡在高速钢基体成分上添加少量合金元素，适当增减碳含量，以改善钢的性能，适应某些用途的钢种，都称为基体钢。,4.4,合金模具钢,2,）典型钢号,6Cr4W3Mo2VNb,（,65Nb,）是中国研制的高韧度高耐磨的冷作模具钢。,以高速钢,W6Mo5Cr4V2,为母体，淬火基体成份为,(wt%),：,0.5%C,，,4%Cr,，,2%W,，,3%Mo,，,1%V,。,在此基础上适当增加含碳量，添加少量,Nb,，调整,W,，,Mo,含量。其抗弯强度和冲击韧性比高速钢好。,热处理工艺,：,10801180,淬火，,520580,二次回火。,1080,淬火：未溶碳化物,511%,，奥氏体晶粒度,1112,级，韧性较好。,1180,淬火：未溶碳化物,25%,，奥氏体晶粒度,911,级，强度较高。,制作冷作模具为主，兼作热模具。,4.4,合金模具钢,4.4,合金模具钢,二、热作模具钢,1,、热锤锻模钢,4.4,合金模具钢,服役条件,性能要求,1,）反复冷、热,龟,裂、热疲劳,为了,热疲抗力，提高,A,1,温,度，降低硬度是有利的。,2,）表层温度,500,，冲击力大,为了,热强性和韧度，可进行,高温回火；但应消除回火脆性,，整体性能好。,3,）强烈摩擦磨损,模具高温耐磨性,。,4,）模具尺寸较大,淬透性好，导热性好,。,使用最广泛的是,5CrNiMo,和,5CrMnMo,钢。,2,）成分特点,4.4,合金模具钢,为降低模尾硬度，提高韧度，可采用自行回火、分段冷却方法和模尾补充回火等工艺。,4.4,合金模具钢,3,）工艺特点,硬度要求：,小型模硬度要求在,4044HRC,，相对较高；,大型模硬度在,3538HRC,为宜，相对较低。,锻模模面：大中型模,3642HRC,，较高；,锻模模尾：大中型模,3035HRC,，较低。,4.4,合金模具钢,热处理工艺：,5CrNiMo5,、,CrMnMo,T,淬,：,830860,；,T,回,：,450580,。,强度和韧度与,T,回,的关系,硬度与,T,回,的关系,模具淬火内应力大，出油后应立即回火以消除内应力、防止开裂。,4.4,合金模具钢,工艺要求：,注意保护模面和模尾，以避免脱碳。,加热要注意预热，,450,左右预热，升温速度要慢，,50,/h,；,冷却要注意预冷，预冷到,780,左右，循环油冷，冷,至,150200,取出；,淬火后必须立即回火，绝对不允许冷至室温。,为什么？,2,、热挤压模具钢,4.4,合金模具钢,和热锤锻模相比，热挤压模在工作时需要较长时间与被变形加工的金属接触，其受热的温度往往更高。热挤压模还承受很大的应力和摩擦力。,这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小。热挤压模主要要求有高的热稳定性、较高的高温强度、耐热疲劳性和高的耐磨性。有铬系、钨系和钼系热模具钢三类。,4.4,合金模具钢,钨系：,3Cr2W8V,钢使用最多，具有高的热稳定性、耐磨性，但韧度和抗热疲劳性较差。国外已基本停止，以,H13,代替。,铬系：,4Cr5MoSiV,、,4Cr5MoSiV1,、,4Cr5W2SiV,等常用。淬透性较高，有较高的强度和韧度，抗氧化性较好。常用于制造尺寸不大的热锻模、钢及铜的热挤压模、铝及铜合金的压铸模等。,3,、压铸模钢,4.4,合金模具钢,压力铸造是在高的压力下，使液态金,属挤满型腔成型。在工作中模具反复与,炽热金属接触。,要求压铸模具钢有高的耐热疲劳性、较,高的导热性、良好的耐磨性及耐蚀性和一,定的高温强度等。,4.4,合金模具钢,压铸模具钢的选择首先要根据浇注金属的温度和浇注金属的种类来决定。,锌合金、铝合金、镁合金是低熔点的金属合金，可以,选择,30CrMnSi,、,40Cr,、,5CrMnMo,等低合金钢来制造压,铸模具。如压铸锌合金的模具可采用,5CrMnMo,钢，也,可使用,40Cr,调质钢。,压铸铝、镁合金的模具目前常选用,3Cr2W8V,、,H13,和,4Cr5MoSiV,钢。,铜合金和黑色金属的熔点较高，采用难溶金属为基的,合金，如钼基合金、钨基合金等。,4.5,其它类型工具用钢,一、耐冲击用钢,4.5,其它类型工具用钢,常用钢号,4CrW2Si,、,5CrW2Si,、,6CrW2Si,等。,Si,、,Cr,：,低温回火稳定性，并推迟低温回火脆性区，因此可,回火温度到,280,，而得到较高的韧度，特别是,Si,元素更为有效；这些元素都,淬透性、强度和耐磨性。,W,：进一步,耐磨性和细化晶粒，,W,还能有效地,回火脆性，所以含,W,钢可在,430470,回火，可得到更好的韧度。,4.5,其它类型工具用钢,二、冷轧辊用钢,4.5,其它类型工具用钢,锻后立即等温退火。,700800,，保温,815h,，冷至,350400,，保温,410h,，再升温到,650670,，保温,32h60h,，然后以,20/h,的冷速冷至,350400,，再以,10/h,的冷速冷至,100,。,调质处理,：消除网状碳化物，得到粒状珠光体。,880900,。形状简单的轧辊采用水淬油冷，直径比较大的选用油冷或间歇油冷方式。辊身表面应冷却至,180250,，立即进行高温回火，高温回火多采用,690710,。,4.5,其它类型工具用钢,三、塑料模具用钢,加工表面应有高的光洁度，所以要求模具材,料夹杂物少，组织均匀，表面硬度高；,表面耐磨、耐蚀，能长期保持表面光洁度；,有足够的强韧性，能承受一定负荷而不变形；,变形要小，以保证互换性和配合精度。,要,求,塑料模具钢范围非常广泛，但作为塑料模具专用钢，并已纳入国家标准的仅有十余个。,4.5,其它类型工具用钢,塑料模制造成本高，材料费只占模具成本的一小部分，一般在,1020%,，有时甚至低于,10%,。因此模具材料一般是优先选用工艺性好、性能稳定和使用寿命长的材料。,常用牌号有,SM4Cr5MoSiV,、,SM2Cr13,等。,