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热作模具钢的选择与应用
发布日期:2016-12-30     来源:第一压铸     浏览次数:
核心提示:根据热作模具的工作条件和性能要求,介绍了选材的原则,分析了常用热作模具材料的性能特点,并阐述了国内新钢种的开发情况,为工作人员选择和运用合适的热作模具钢提供了理论参考。

根据热作模具的工作条件和性能要求,介绍了选材的原则,分析了常用热作模具材料的性能特点,并阐述了国内新钢种的开发情况,为工作人员选择和运用合适的热作模具钢提供了理论参考。

关键词:热作模具钢;选材;新钢种

0 前言

热作模具包括热锻模、热镦模、热挤压模、精密锻模、高速锻模等。它们是属于在受热状态下对金属进行变形加工的一种模具,也称为变形模具。模具材料是模具制造业的物质和技术基础,模具的用途很广,各种模具的工作条件差别很大,则制造模具用材料范围很广。模具钢按用途一般可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料成型用模具钢三大类。

1 热作模具钢的工作条件及性能要求由于热作模具是在非常繁重的条件下工作,因而对热作模具钢提出如下性能要求:(1)在工作中承受压应力、拉应力、弯曲应力及冲击应力,还经历强烈的摩擦,因此它必须具有高的强度和韧性的良好配合,同时还应有足够的硬度和耐磨性。

(2)它与炽热金属经常接触,型腔表面温度可高达400~600℃。因此它必须具有高的回火稳定性,以便在工作时仍能维持高的强度和韧性。

(3)它在工作中反复受到炽热金属的加热和冷却剂的冷却交替作用,极易引起龟裂现象,即所谓热疲劳。因此它必须具有抗热疲劳的能力。2 典型热作模具钢及其性能热作模具工作条件比冷作模具更加苛刻,受冷热反复作用,因此对模具钢的性能要求更高。热作模具钢大体可分为高韧性和高耐热性2类。表1为常用热作模具用钢实例。

(1)高韧性热作模具钢

5CrNiMo钢该钢具有良好的塑性、韧性、尺寸效应不敏感,该钢是目前国内用量较大的锻模钢,通常用于形状复杂、冲击负荷大的大型或特大型锻模钢。但由于碳化物形成元素含量低,其热稳定性差,高温强度低。同时,因淬火出油温度低,容易开裂。实际操作时为避免开裂,常于200℃左右出油空冷,这样,在模具表面虽获得了一层马氏体组织,但心部却处于奥氏体状态,当模具于380~540℃回火时,心部的过冷奥氏体即转变为上贝氏体组织,冲击韧

度极差,模具寿命低。为了提高热锻模使用寿命,可采用等温处理方法。即淬火加热后,将模具于160~ 180℃硝盐中分级停留,使发生部分马氏体转变,然后再转入280~300℃硝盐中等温停留2~3 h。此时,模具钢的组织由马氏体+下贝氏体+少量残余碳化物组成,回火后获得回火下贝氏体组织,模具寿命明显提高。

5CrMnMo钢 该钢与5CrNiMo钢的各种性能相类似,由于考虑我国资源情况,为节约镍而以锰代镍而研制的。使用中发现,在淬透性及韧性方面,5Cr-MnMo钢均低于5CrNiMo钢,只适用于制造要求较高强度和耐磨性,而韧性要求不甚高时的各种中、小型锤锻模具及部分压力机模具,也可用于工作温度低于500℃的其他小型热作模具。4CrMrkSiMoV钢该钢具有较高的强度、耐磨性和良好的冲击韧度,其高温性能,抗回火稳定性,热疲劳抗力均比5CrNiMo钢好。淬火规范:淬火温度为(870±10℃),在20~60℃油中冷却至油温,淬火硬度为HRC46~58。该钢适用于大、中型锻模,也可用于中、小型锻模,与5CrNiMo等热模钢寿命比较,4CrMnSiMoV钢使用寿命最高。3Cr2MoWVNi钢该钢含碳量较低,淬火后最高硬度为HRC52。该钢具有二次硬化效应,经600℃回火后,仍能保持较高的硬度(HRC45~50),回火温度高于600 ℃后硬度才急剧下降,因而其热稳定性明显高于5CrNiMo、5CrMnMo和4CrMnSiMoV钢。

(2)高热强性热作模具钢

热强性热作模具钢具有较高的回火抗力及稳定性,主要应用于较高温度下工作的热顶锻模具、热挤压模具、铜及黑色金属压铸模具、压力机模具等。GB1299—85《合金工具钢技术条件》中3Cr2W8V、5CMW5Mo2V、5cI4M03SiMnVAl 3个钢号属此类热作模具钢。试用较好的高温热作模具钢4C3Mo2NiVNb、奥氏体耐热钢、4Cr3MoW4VNb(GR)、6Cr4Mo3NiWV(G2)等钢。

3Cr2W8V钢 该钢是钨系高热强化模具钢的代表钢号,合金元素以钨为主,钨质量分数高达8%以上。淬火温度1 050~1 200℃,硬度HRC49~56.550℃左右回火时出现二次硬化,经350 ℃及45℃等温淬火后可得到较高的冲击韧度和硬度。因冷热疲劳抗力差,在急热、急冷条件下工作容易出现冷热疲劳裂纹而失效,则不适宜在急冷、急热条件下工作,但因其抗回火能力较高,仍作为高热强性热作模具钢而在许多热加工领域应用。

3Cr3Mo3W2V钢 该钢冷加工、热加工性能良好,淬、回火温度范围较宽。推荐淬火规范:淬火温度为1060~1130℃,在20~60℃油中冷却至油温,淬火硬度为HRC52~56。具有较高的热强性、热疲劳性能,又具有良好的耐磨性和抗回火稳定性。该钢适宜制造镦锻、压力机锻造等热作模具,模具使用寿命较高。

5Cr4Mo2W2VSi钢 该钢是基体钢内型的热作模具钢,经适当的热处理后具有高的硬度、强度,好的耐磨性,高的高温强度以及好的回火稳定性等综合性能,此外也具有一定的韧性和抗热疲劳性能。推荐淬火规范:淬火温度为1080~1120℃,在20~60℃油中冷却至油温,淬火硬度为HRC61~63。该钢的热加工性能也较好,加工温度范围较宽,适于制造热挤压模、热锻压模、温锻模以及要求韧性较好的冷镦用模具。

3 国内新钢种的开发

目前国内使用的一些热作模具钢如5CrMnMo、5CrNiMo,3Cr2W8V等,存在淬透性、热稳定性、热疲劳性及耐磨性不够的问题,国内在热作模具方面先后开发了几十种钢。

(1)大截面热锻模具钢

为弥补5CrMnMo和5CrNiMo在较大截面和较高温度时热稳定性、热疲劳性及淬透性不够的缺陷,国内开发了45Cr2NiM0vSi(简称45Cr2)、5Cr2NiMoVSi(简称5Cr2),3Cr2MoWVNi、3Cr2MoVNi(代号B2)等大截面热锻模具钢。与5CrNiMo相比,45Cr2和5Cr2中既含有较高的Cr和Mo,又加入了少量的V,使CCT曲线上的高温转变区上移,低温转变区显著右移,提高了钢的淬透性。截面尺寸在500 mm×500mm以下的模具经970~990℃淬火,650~680℃回火后,硬度可达HRC36~44。45Cr2和5Cr2还具有二次硬化能力,它们的高温强度较5CrNiMo钢高

50%,热稳定性高出100~150℃,冲击韧性则相当。

另外,钢的热磨损性、热疲劳性及抗热裂纹扩展的能力也强于5CrNiMo,模具的使用寿命是5CrNiMo钢制造的同种模具寿命的数倍。

(2)中小热锻模具钢

中小热锻模具的表面温度可达600℃以上,5CrMnM0和5CrNiMo的高温性能显然不能满足要求。3Cr2W8V钢的高温强度较高,但韧性及热疲劳性能较差。为此,国内开发了3Cr3Mo3VNb,在钢中加了3%左右的Mo,既能提高钢的淬透性和防止出现回火脆性,又能提高钢的热稳定性。加入v和Nb则可起到细化晶粒,降低钢的过热敏感性作用。因此,钢的淬透性高,淬火加热温度范围宽,过热敏感性低,具有高温强度高、热稳定性好、塑性韧性好、冷热疲劳性能好、热磨损性能好等优点,用于制造不锈钢(2Cr13)等热锻模、轴承凹模和辊锻模,都取得了

良好的使用效果。

4Cr3M03w4VNb, 代号GR,除Cr、Mo、V和Nb外,又加入了4%W,所以钢的高温强度和热稳定性得到了进一步提高,是中碳铬系热作模具钢中高温强度较高,热稳定性较好的钢种。该钢还具有良好的冷热疲劳性能,该钢适用于制造工作温度6OO~700℃的浅型腔中小锻模,也可用于铜合金热挤压模具。国内先后开发的5%Cr系中碳中合金热作模具钢已较大量用于热锻模具,如4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si等,其中4C5MoV1Si具有优异的韧性和良好的冷热疲劳性能,适用于制造工作温度在600℃以下,对韧性和塑性要求较高的模具。

(3)压铸模具钢

在有色金属压铸中,3Cr2W8V曾是应用广泛的模具钢,5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2Mo等中碳低合金钢也作为铝锌合金压铸模具钢使用。3Cr2W8V的冷热疲劳性能较差,模具的使用寿命不高。国内为此先后开发了几个新型模具钢,如4cr3M02MnVNbB(代号Y4)和4Cr5Mo2MnVSi(代号Y10)等。4Cr3M02MnvNbB最初就是针对铜合金压铸模具而研制的。该钢通过合理的成分配比,使其在达到高的热强性及热稳定性的同时,又保持了良好的韧性和塑性,抗冷热疲劳性能明显优于3Cr2W8V,模具的使用寿命较3Cr2W8V制造的模具的使用寿命有明显提高。4Cr5Mo2MnVSi是针对铝合金压铸模具而研制的,与3Cr2W8V钢相比,该钢具有抗冷热疲劳性能好、热处理变形小、抗铝溶损性能好等优点,模具的使用寿命普遍比3Cr2W8V钢制造的模具使用寿命提高1倍以上。

(4)铜、铝型材热挤压模具钢

铜合金热挤压模的穿孔针、底模等长时间与高温铜坯接触,模具的使用工况较苛刻。用3Cr2W8V或4C5MoV1Si钢制作此类模具,模具的使用寿命一直较低。国内曾试图采用奥氏体热作模具钢来解决此类模具寿命低的问题,但因钢的冷热疲劳性能较差而仍未得到圆满解决。在此背景下,国内有关大学、研究院所和钢厂先后推出了可以提高此类模具使用寿命的钢种,如4cr3M02NiVNbB(代号HD)、4Cr3M02MnVNbB(代号Y4)等。HD钢较一般中碳3%Cr 2%Mo或3%cr 3%Mo型热作模具钢又增加了1%左右的Ni,进一步提高了钢的韧性和塑性。在相同硬度(HRCA3)下,其断裂韧性比3Cr2W8V钢高30%。用HD钢制造的铜合金管材挤压底模和穿

孔针的使用寿命较3Cr2W8V钢提高1倍左右,并在轴承环热挤冲头和凹模、汽门挤压底模上也有成功应用的例子。用Y4钢制造铜合金挤压模底模和穿孔针顶头,模具的使用寿命也比3Cr2W8V钢制造的模具提高1倍以上。

4 结语

随着科学技术的发展和科学工作者的不断研究,新型更高性能的材料将不断涌现,可供选择的范围进一步扩宽,因此,选用合适的模具材料对企业的生产和经营至关重要。

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