熱作模具鋼的選用課件

1、課題三 熱作模具鋼的選用下一頁返回知識點(diǎn)熱作模具鋼的選用原則；熱作模具鋼的選用要求；技能點(diǎn)熱作模具鋼的選用要求。下一頁返回 影響熱作模具使用壽命的因素很多，如工作溫度、承受的載荷、模具的形狀與尺寸、 被加工材料的性質(zhì)、質(zhì)量、成型方式等。選擇熱作模具材料要綜合考慮這些因素，合理選用，并且模具鋼的純凈度要高、等向性要好，應(yīng)經(jīng)過爐外精煉和多向鍛造，確保熱作模具工作壽命。一、任務(wù)導(dǎo)入： 案例1： 轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛模簡圖如3-1所示，模具尺寸為700mm675mm400mm，生產(chǎn)批量：大批量，技術(shù)要求：鍛模模面硬度為3639HRC，燕尾硬度為2833HRC。要求合理選擇該模具用鋼。上一頁下一頁返回 圖3-1

2、轉(zhuǎn)制節(jié)熱鍛模簡圖一、任務(wù)導(dǎo)入： 案例2： 鋁合金圓管擠壓模（如圖3-2所示），生產(chǎn)3A21（原LF21）鋁合金15.8mm0.9mm的薄壁圓管，生產(chǎn)批量：大批量，技術(shù)要求：擠壓模硬度為4247HRC。要求合理選擇該模具用鋼。上一頁下一頁返回 圖3-2 鋁合金擠壓模凸模 二、專業(yè)知識：上一頁下一頁返回1錘鍛模具鋼的選用；2熱擠壓模具用鋼的選用 ；3壓鑄模具用鋼的選用 ；4.熱作模具的選材、強(qiáng)化處理與使用壽命的關(guān)系 ； 熱作模具鋼的碳含量一般為0.30.6，有良好的強(qiáng)度、硬度和韌性。添加鎳、鎢、鉬、鉻、釩等合金元素，可以提高鋼的淬透性和高溫性能。根據(jù)不同的合金元素含量，熱作模具鋼可以分為鍛壓模具用

3、熱作模具鋼、鎢鉬系熱作模具鋼等。5CrMnMo鋼和5CrNiMo鋼有較高的強(qiáng)度、耐磨性和韌性，良好的淬透性和抗熱疲勞性能，常用于制造錘鍛模具。對于在靜壓、高溫下使金屬變形的熱擠壓模、壓鑄模，常選用4Cr5MoSiVl鋼和3Cr2W8V鋼制造，前者韌性較好，而后者高溫性能較好。常用的熱作模具鋼見表3-65。上一頁下一頁返回1錘鍛模具鋼的選用上一頁下一頁返回1錘鍛模具鋼的選用 一般說來，鍛壓模具用鋼有兩個(gè)問題比較突出，一是工作時(shí)受沖擊負(fù)荷作用，故對鋼的力學(xué)性能要求較高，特別是韌性要求較高；二是鍛壓模的截面尺寸較大（400 mm），故對鋼的淬透性要求較高，以保證整個(gè)模具組織和性能均勻。鍛壓模具用鋼通

4、常是按模塊截面尺寸分類，大致可分為4類： 厚度250 mm的小型模塊；厚度為250350 mm的中型模塊；厚度為350500 mm的大型模塊；厚度500 mm的特大型模塊。上一頁下一頁返回1錘鍛模具鋼的選用 可以根據(jù)截面尺寸和服役條件選擇鋼種，常用的鍛壓模具用鋼見表3-66。上一頁下一頁返回1錘鍛模具鋼的選用 中、小型錘鍛模多選用合金含量較低、沖擊韌性高的材料，如5CrMnMo鋼；大型及型腔復(fù)雜的錘鍛模通常選用淬透性較高的鋼，如5CrNiMo鋼。5Cr2NiMoVsi鋼耐熱疲勞性、沖擊性好，適于制造大截面錘鍛模具。4CrMnSiMoV鋼是我國在低合金大截面熱作模具鋼領(lǐng)域發(fā)展的鋼種之一，該鋼具有

5、較高的抗回火性能，好的高溫強(qiáng)度、耐熱疲勞性能和韌性，適于制造各種類型的錘鍛模。 鍛造壓力機(jī)承受的沖擊載荷較低，但往往承受更高的工作溫度，工作條件苛刻，所以壓力機(jī)鍛模一般采用熱強(qiáng)性較高、合金含量較高的熱作模具鋼，如4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiVl鋼。上一頁下一頁返回1錘鍛模具鋼的選用 很多有色金屬和鋼的型材、管材和異型材是采用熱擠壓工藝成型的。熱擠壓模具是在高溫、高壓、磨損和熱疲勞等惡劣條件下服役的。熱擠壓模具主要由擠壓筒、沖頭、凹模和心棒（用于擠壓管材）等主要部件組成。熱擠壓模具的工作特點(diǎn)是加載速度較慢，因此，型腔受熱溫度較高，通?？蛇_(dá)500800。對這類鋼的使用性能要求應(yīng)以耐磨性、高

6、的回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能為主。常用的熱擠壓模具用鋼有4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl、3Cr2W8V、4Cr5W2VSi鋼等。上一頁下一頁返回2熱擠壓模具用鋼的選用 當(dāng)進(jìn)行輕合金擠壓時(shí)，尤其是對于那些容易引起開裂、帶尖角的形狀復(fù)雜的模具，宜選用韌性較好的熱作模具鋼，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl鋼。用于擠壓鋼、銅和銅合金的模具，由于工作溫度相對高些，因此除了選用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiVl鋼外，也可以選用高溫強(qiáng)度較好的熱作模具鋼，如3Cr2W8V鋼。5Cr4W5Mo2V鋼是新型的熱作模具鋼，該鋼具有較高的紅硬性，高溫強(qiáng)度和較高的耐磨性，可進(jìn)行一般的熱處理或化學(xué)

7、熱處理，可代替3Cr2W8V鋼制造某些熱擠壓模具，使用壽命較高。 擠壓模具的壽命與所擠壓的材料、擠壓比密切相關(guān)，當(dāng)加工變形拉力大的金屬材料或在高擠壓比的情況下，凹模和心棒的壽命大為縮短，模具的潤滑條件和冷卻條件對模具壽命有很大的影響。上一頁下一頁返回2熱擠壓模具用鋼的選用 熱擠壓模具用鋼選用見表3-67。上一頁下一頁返回2熱擠壓模具用鋼的選用 壓鑄模具在服役條件下不斷承受高速、高壓噴射、金屬的沖刷腐蝕和加熱作用，從總體上看，壓鑄模具用鋼的使用性能要求與熱擠壓模具用鋼相近，即以要求耐磨性、高的回火穩(wěn)定性與抗熱疲勞性為主。所以通常所選用的鋼種大體上與熱擠壓模具用鋼相同。如常采用4Cr5MoSiVl

8、和3Cr2W8V鋼等。對熔點(diǎn)較低的Zn合金壓鑄模具，可選用4Cr5MoSiVl、4Cr5W2VSi鋼等；對Al和Mg合金壓鑄模具，可選用4Cr5MoSiVl、3Cr3Mo3W2V鋼等。對Cu合金壓鑄模具，工作溫度較高，可采用3Cr3Mo3W2V、3Cr2W8V鋼。3Cr3Mo3W2V鋼具有較高的熱強(qiáng)性、抗熱疲勞性能，又具有良好的耐磨性和抗回火穩(wěn)定性等。上一頁下一頁返回3壓鑄模具用鋼的選用 3Cr3Mo3w2V鋼的韌性和抗熱疲勞性能優(yōu)于3Cr2W8V鋼，其使用壽命也高于3Cr2W8V鋼。壓鑄模具用鋼選用可以參考表3-68。上一頁下一頁返回3壓鑄模具用鋼的選用 如表3-69所示 上一頁下一頁返回4

9、.熱作模具的選材、強(qiáng)化處理與使用壽命的關(guān)系 上一頁下一頁返回4.熱作模具的選材、強(qiáng)化處理與使用壽命的關(guān)系 上一頁下一頁返回4.熱作模具的選材、強(qiáng)化處理與使用壽命的關(guān)系 三、任務(wù)實(shí)施： 案例1實(shí)施： 圖3-1所示的轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛模為熱作錘鍛，制件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，大批量生產(chǎn)。根據(jù)熱鍛模具的一般失效形式，模具選材主要考慮熱硬性、強(qiáng)韌性、淬透性、脫碳敏感性、熱疲勞陛能等。從熱處理角度，主要考慮耐磨性、硬度、熱處理變形和表面脫碳等。 根據(jù)沖裁模具鋼選用要求與表1-65的介紹，該模具為錘鍛模，模具厚度 350mm，屬于大型模塊，可以選擇5CrNiMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等冷作模具鋼。上一

10、頁下一頁返回三、任務(wù)實(shí)施： 1）5CrNiMo鋼是傳統(tǒng)的熱鍛模具鋼，具有良好的強(qiáng)度、高耐磨性與十分良好的韌性，同時(shí)室溫力學(xué)性能與500 600時(shí)幾乎相同，在加熱到500時(shí)，仍能保持300HBS左右的硬度。由于5CrNiMo鋼中含有Mo，因而對回火脆性并不敏感，但由于碳化物形成元素含量低，二次硬化效應(yīng)微弱，所以熱穩(wěn)定性不高。 5CrNiMo鋼具有十分良好的淬透性，300mm400mm300mm的大塊鋼料經(jīng)820油淬和560回火后，斷面各部分的硬度幾乎一致。5CrNiMo鋼多用來制造大、中型鍛模。 5CrNiMo鋼用來制造各種大、中型鍛模。這種鋼易形成白點(diǎn)，需要嚴(yán)格控制冶煉工藝及鍛軋后的冷卻制度。

11、上一頁下一頁返回三、任務(wù)實(shí)施： 3）5Cr2NiMoVSi是國內(nèi)近年來研制的熱鍛模用新鋼種。 考慮到使用經(jīng)驗(yàn)與供應(yīng)情況，本案例中轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛模的模具用鋼選擇為5CrNiMo熱作模具鋼。上一頁下一頁返回三、任務(wù)實(shí)施： 案例2實(shí)施： 鋁合金圓管擠壓模（如圖3-2所示），生產(chǎn)3A21（原LF21）鋁合金15.8mm0.9mm的薄壁圓管，生產(chǎn)批量：大批量，技術(shù)要求：擠壓模硬度為4247HRC。要求合理選擇該模具用鋼。圖3-2所示的鋁合金圓管擠壓模為熱擠壓模具，制件結(jié)構(gòu)較簡單，大批量生產(chǎn)。熱擠壓模具是在高溫、高壓、磨損和熱疲勞等惡劣條件下服役的。熱擠壓模具的工作特點(diǎn)是加載速度較慢，因此，型腔受熱溫度較高，

12、通?？蛇_(dá)500800。對這類鋼的使用性能要求應(yīng)以耐磨性、高的回火穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能為主。上一頁下一頁返回三、任務(wù)實(shí)施： 根據(jù)熱擠壓模具鋼選用要求與表1-66的介紹，可以選擇4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiVl（H13）等熱作模具鋼。 1）4Cr5MoSiV（H11） 4Cr5MoSiV（H11）屬于鎢系熱作模具鋼，是一種空冷硬化的熱作模具鋼，在中溫條件下具有很好的韌性，有較好的熱強(qiáng)度、熱疲勞性能和一定的耐磨性，在較低的奧氏體化溫度條件下空淬，熱處理變形小，空淬時(shí)產(chǎn)生氧化皮傾向小，而且可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用。H l l鋼通常用于制造加工鋁鑄件用的壓鑄模、熱擠壓模，穿孔用的工具，

13、芯棒、壓力機(jī)鍛模以及塑料模等。此外由于H l l鋼具有好的中溫強(qiáng)度，因此亦被用于制造耐400 500工作溫度的飛機(jī)、火箭等上的結(jié)構(gòu)件。上一頁下一頁返回三、任務(wù)實(shí)施： 2）4Cr5MoSiV1（H13） 4Cr5MoSiVl（H13）鋼也屬于鎢系熱作模具鋼，為引進(jìn)鋼種，美國鋼號為（H13）AISI，是國際上廣泛應(yīng)用的一種空冷硬化熱作模具鋼。與4Cr5MoSiV（H11）鋼相比，H13鋼具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，在中溫條件下具有很好的韌性、熱疲勞性能和一定的耐磨性。在較低的奧氏體化溫度下空淬，熱處理變形小，空淬時(shí)產(chǎn)生氧化皮傾向小，可以抵抗熔融鋁的沖蝕作用。該鋼廣泛用于制造熱擠壓模具、芯棒、模鍛錘的錘

14、模、鍛造壓力機(jī)模具、精鍛機(jī)用模具以及鋁、銅及其合金的壓鑄模。 考慮到模具使用壽命，本案例中鋁合金圓管擠壓模的模具用鋼選擇為4Cr5MoSiV1（H13）熱作模具鋼。上一頁下一頁返回 采用高強(qiáng)韌模具材料和強(qiáng)韌化處理及表面強(qiáng)化工藝，是提高模具使用性能和延長模具使用壽命的十分重要的措施。但由于模具的尺寸、形狀的復(fù)雜程度和工作條件及失效類型的差異極為懸殊，因此，在選材及確定熱處理工藝和使用硬度時(shí)，要十分注意模具的具體使用條件。上一頁下一頁返回四、知識拓展：提高模具性能和壽命的途徑四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 1高強(qiáng)韌模具材料的熱處理工藝及應(yīng)用效果 高強(qiáng)韌模具材料的熱處理工藝及應(yīng)用效果實(shí)例如

15、表3-70所示。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)）上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)）上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 2模具的強(qiáng)韌化處理工藝及應(yīng)用實(shí)例 模具的強(qiáng)韌化處理工藝及應(yīng)用實(shí)例如表3-71所示 上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)）上一頁下一頁返回 對于高精密，要求尺寸和性能穩(wěn)定的模具，常常采用真空熱處理工藝。常用模具鋼真空淬火工藝參數(shù)如表3-72所示。四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)）上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)）上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)）

16、 真空熱處理的模具往往比常規(guī)熱處理的模具使用壽命有顯著提高。圖3-7所示為幾種冷作模具應(yīng)用實(shí)例結(jié)果比較。在圖3-7（a）中，1 0101 030加熱油淬，真空度為13.336.65Pa；160180，硬度為6163HRC。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)）上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 3模典表面強(qiáng)化技術(shù)及應(yīng)用實(shí)例 隨著模具在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，對模具的質(zhì)量及使用壽命提出了更高的要求，由于模具的種類繁多，使用狀態(tài)十分復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)不同模具的服役條件，科學(xué)地尋求提高模具使用壽命的途徑。模具表面強(qiáng)化處理是提高其使用性能和壽命的重要措施。目前

17、，改善模具表面性能的主要方法分為3類。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 1）不改變表面化學(xué)成分的方法主要有高頻加熱淬火、火焰加熱淬火、電子束相變硬化、激光相變硬化、加工硬化等。 2）改變表面化學(xué)成分的方法有滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲金屬、復(fù)合滲（多元共滲）、TD法、離子注入等。 3）表面形成覆蓋層的方法有鍍金屬、堆焊、電火花強(qiáng)化、化學(xué)氣相沉積（VCD）、物理氣相沉積（PVD）等。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 各種表面強(qiáng)化方法的主要特性比較如表3-73所示。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 14表面強(qiáng)化方法的選擇原則 1

18、）提高模具表面的耐磨性。無論是冷作模具、熱作模具還是塑料模具，均有由于磨損而失效的。模具的表面硬度不足是造成模具早期失效的重要原因之一。模具鋼的耐磨性與鋼中碳化物的類型與數(shù)量有關(guān)，即便是高碳高鉻類模具鋼其耐磨性仍不能滿足要求。采用表面強(qiáng)化的方法來提高模具表面的耐磨性是行之有效的。有關(guān)資料表明，氣體氮碳共滲可使高速鋼表面的耐磨性提高25倍。滲硼層、滲釩層、碳化鈦層的耐磨性就更高。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 2）耐磨性與強(qiáng)韌性的良好配合。對大多數(shù)模具材料來說，提高強(qiáng)韌性往往要損失耐磨性。解決這個(gè)矛盾的方案是選擇合適的模具材料，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蛊浍@得最佳的強(qiáng)韌性，然

19、后通過表面強(qiáng)化的方法提高表面耐磨性。例如，縫紉機(jī)梭子的冷擠壓凸模，采用高速成鋼W18Cr4V制造，模具經(jīng)常碎裂，使用壽命極不穩(wěn)定；改用基體鋼6Cr5W3Mo21VNi后韌性大大改觀，但耐磨性不足，壽命僅1.6萬件；用6Cr5W3Mo21VNi淬火后加氣體氮碳共滲處理，其壽命達(dá)到2.68萬件，基體的強(qiáng)韌性與表面耐磨性達(dá)到了良好的配合。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 3）提高抗咬合能力。在拉伸、擠壓等類模具中，常發(fā)生“冷焊”現(xiàn)象，解決這類問題的方法是通過表面處理降低模具表面的摩擦系數(shù)。有的表面處理方法使其表面疏松，內(nèi)有微孔，塑性好，不但有利于降低表面摩擦系數(shù)，而且微孔中的

20、油還可以改變潤滑狀況，提高抗拉毛、燒傷和抗咬合能力，表面滲硫、滲氧就具有這類特性。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 4）改變表面應(yīng)力狀態(tài)。模具鋼經(jīng)過淬火、回火后，表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)，這將促使裂紋的早期形成。很多表面處理方法可以改變模具表面的這種應(yīng)力狀態(tài)，變拉應(yīng)力為壓應(yīng)力。由于表面形成了較大的殘余壓應(yīng)力，從而延遲了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，有利于提高模具的沖擊疲勞失效抗力，延長了模具使用壽命。這是僅采用模具新鋼種和改變熱處理工藝方案所不能做到的。例如，電子束相變強(qiáng)化表面和表面真空滲氮處理后均可使模具表面形成600800Nmm2的殘余應(yīng)力。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢

21、驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 5）提高抗氧化性的抗腐蝕性。有些熱作模具和塑料模具均有氧化和腐蝕問題，僅僅靠模具材料本身固有的性能來滿足使用要求，往往感到不足。因此，常常需要用表面強(qiáng)化處理的方法來彌補(bǔ)，如表面鍍鉻就具有較好的抗腐蝕性。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 5表面強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用 1）滲碳。滲碳是將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中，加熱到900950的單相奧氏體區(qū)，保溫足夠時(shí)間后，使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分。相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使?jié)B過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。上一頁

22、下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 2）滲氮。滲氮是在一定溫度下一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝。常見有液體滲氮、氣體滲氮和離子滲氮。傳統(tǒng)的氣體滲氮是把工件放入密封容器中，通以流動的氨氣并加熱，保溫較長時(shí)間后，氨氣熱分解產(chǎn)生活性氦原子，不斷吸附到工件表面，并擴(kuò)散滲入工件表層內(nèi)，從而改變表層的化學(xué)成分和組織，獲得優(yōu)良的表面性能。如果在滲氮過程中同時(shí)滲入碳以促進(jìn)氮的擴(kuò)散，則稱為氮碳共滲。常用的是氣體滲氮和離子滲氮。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 3）滲硫。在含硫介質(zhì)中加熱，使工件表面形成以FeS為主的轉(zhuǎn)化膜的化學(xué)熱處理工藝。硫不固溶于鐵，且迄

23、今尚未證實(shí)滲硫工件的FeS膜內(nèi)側(cè)有硫的擴(kuò)散層存在。 滲硫只能用來提高已淬硬或表面已經(jīng)由滲碳、滲氮而硬化的成品工件的減摩和抗咬死性能。形成FeS型轉(zhuǎn)化膜后，摩擦系數(shù)降低至處理前的l425；抗咬死載荷可提高25倍。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 4）滲硼。滲硼是模具制造中比較有效的化學(xué)熱處理工藝。滲硼層硬度高（1 5002 000HV）、耐磨性好，耐熱性能顯著提高。 5）TD法。利用硼砂作為鹽浴向金屬表面擴(kuò)散V、Nb、Ti、Cr等金屬元素，由于硼砂熔點(diǎn)為740，其分解溫度高達(dá)1 573，在滲金屬的溫度范圍內(nèi)（8501 000）極為穩(wěn)定，而且熔融態(tài)的硼砂又能使金屬表面潔凈，有利于金屬元素的吸附。上一頁下一頁返回四、知識拓展 熱處理檢驗(yàn)規(guī)范（硬度檢驗(yàn)） 6）LT新工藝。武漢材料保護(hù)研究所研制的再生鹽用于LT處理新工藝，可以實(shí)現(xiàn)金屬表面的氮、硫、碳、氧四元共滲。提高了金屬表面的抗咬合性、耐磨性、抗疲勞性和耐腐蝕性，在模具上應(yīng)用取得了良好的效果。 LT新工藝處理溫度低（500580）、工藝時(shí)間