第3章 冷作模具材料及熱處理

模具材料及失效分析主講教師：施鋼班級(jí)：10材料1、22013年3月8日廈門理工學(xué)院第3章冷作模具材料及熱處理冷作模具材料的主要性能要求冷作模具材料及熱處理冷作模具材料及熱處理的選用實(shí)例教學(xué)要求、重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)要求：1、理解冷作模具材料的；主要性能要求2、掌握通常冷作模具的制造工藝路線3、理解各類冷作模具材料的熱處理

教學(xué)的重點(diǎn)冷作模具的制造工藝路線各類典型冷作模具的熱處理冷作模具材料的主要性能要求冷作模具材料主要有冷沖模、冷剪切模、冷沖裁模、冷擠壓模、冷拉深模、冷鐓模、拉絲模、滾絲模等。模具工作載荷大、尺寸精度、表面質(zhì)量要求高、加工批量大,多數(shù)為最終產(chǎn)品。為適應(yīng)這種工況要求,多采用高碳鋼或合金鋼制作,淬火+低溫回火，工作硬度為58～60HRC。冷作模具鋼要求有足夠的強(qiáng)度(包括抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度)、韌度、硬度、抗磨能力(特別是表面抗磨損能力)及抗疲勞能力(特別是多沖疲勞性能);對(duì)于大載荷的冷擠壓和冷鐓鍛體成型模具,因劇烈變形產(chǎn)生熱量(約300℃),要求材料具有更高的抗變形和斷裂能力。

使用性能耐磨性：硬度、耐磨性指數(shù)、咬合抗力強(qiáng)度：硬度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度韌性：沖擊韌性、疲勞抗力受熱軟化抗力工藝性能鍛造工藝性切削工藝性熱處理工藝性模具材料的分類--冷作模具材料1、低淬透性冷作模具鋼碳素鋼：T7A、T8A、T9A、T10A、T11A低合金鋼：Cr2、9Cr28MnSi中合金鋼：CrW5滾動(dòng)軸承鋼：GCr15硬質(zhì)合金：W、V2、低變形冷作模具鋼低合金鋼：CrWMn、9CrWMn、MnCrWV9Mn2、9Mn2VSiMnMo3、高耐磨微變形冷作模具鋼高合金鋼：Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V、Cr12Mo1V1中合金鋼：Cr4W2MoV、Cr5Mo1V、Cr2MnSiWMoV、Cr6WV、Cr6W3Mo2V24、強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼高速鋼：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W12Mo3Cr4V3N5、高強(qiáng)韌冷作模具鋼高速鋼：6W6Mo5Cr4V高合金鋼：7Cr7Mo2V2Si(LD)、7CrSiMnMoV、6CrNiMnSiMoV（GD）、8Cr2MnWMoVSi基體鋼：6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)6、抗沖擊冷作模具鋼4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si9CrSi、60Si2Mn、5CrMnMo、5CrNiMo、5SiMnMoV7、特殊用冷作模具鋼冷作模具的制造工藝通常冷作模具的制造工藝路線（1）一般成型冷作模具：鍛造球化退火機(jī)加工成形淬火+回火鉗工裝配（2）成形磨削及電加工冷作模具：鍛造球化退火機(jī)加粗加工淬火+回火精加工鉗工裝配（3）復(fù)雜冷作模具：鍛造球化退火機(jī)加粗加工高溫回火或調(diào)質(zhì)機(jī)加工成形淬火+回火（精加工）鉗工裝配低淬透性冷作模具鋼—T10、T10A低淬透性冷作模具鋼—T10、T10A冷作模具鋼及熱處理工藝的選用實(shí)例—T10、T10A冷作模具鋼及熱處理工藝的選用實(shí)例—T10、T10A低變形冷作模具鋼—CrWMn低變形冷作模具鋼—CrWMn低變形冷作模具鋼—CrWMn冷作模具鋼及熱處理工藝的選用實(shí)例—CrWMn冷作模具鋼及熱處理工藝的選用實(shí)例—CrWMn冷作模具鋼及熱處理工藝的選用實(shí)例—Cr12MoV1如圖冷擠壓凸模，用于擠壓黃銅，材料選Cr12MoV鋼，要求硬度62～64HRC。（1）試述Cr12MoV鋼的鍛造和熱處理工藝特點(diǎn)。（2）試按常規(guī)熱處理規(guī)范，確定該模具的制造工藝。（3）在各工序終了，模具材料的的微觀組織如何？（4）如在使用中，該凸模常發(fā)生脫帽方式斷裂，原因是韌性不足，試提出改進(jìn)方案。高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12Cr12是一種應(yīng)用廣泛的冷作模具鋼。Wc=2.2%，屬高碳高鉻類型的萊氏體鋼，沖擊韌度較差、易脆裂，易形成不均勻的共晶碳化物。Cr12中存在大量Cr元素，主要形成（CrFe)7C3型化合物，而滲碳體型碳化物極少。Cr增加鋼的淬透性和淬硬性。鑄態(tài)時(shí)存在魚骨狀共晶碳化物，鍛軋后過(guò)程共晶物破碎，但分布不均勻。應(yīng)通過(guò)鐓粗拉拔且反復(fù)多次的三向鍛造變形工藝退火可采用球化退火，但最好采用等溫球化退火。淬火加熱時(shí)碳化物大量溶入奧氏體中，淬火后得到高硬度馬氏體。回火時(shí)馬氏體析出大量彌散分布的碳化物。碳化物硬度很高，提高了鋼的耐磨性。Ms低，淬后模具鋼中有大量的殘余奧氏體，減少了模具淬火時(shí)的變形。高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12合理的鍛造工藝,改善碳化物分布狀態(tài),提高材料的力學(xué)性能。模具在選材時(shí),要進(jìn)行金相檢驗(yàn)。在較大規(guī)格的鋼材中殘留明顯的帶狀或網(wǎng)狀碳化物,這種組織給Cr12鋼的使用性能帶來(lái)不利影響,主要原因是:①網(wǎng)狀碳化物的存在使鋼的韌性明顯降低;②帶狀組織使鋼的力學(xué)性能和物理性能出現(xiàn)明顯各向異性;③碳化物不均勻性使鋼材淬火開裂傾向增大;④碳化物不均勻性導(dǎo)致鋼材的磨削性和耐磨性降低。高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12球化退火，獲得均勻分布的球狀珠光體和高度彌散均勻分布的細(xì)顆粒狀合金碳化物。注意：碳化物形態(tài)與分布。高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12如何識(shí)別鍛造工藝正確與否？如何改善具有網(wǎng)狀滲體組織的Cr12鋼?三種方法。冷作模具顯微組織檢驗(yàn)高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12Mo1V1(D2)高耐磨微變形冷作模具鋼—Cr12Mo1V1(D2)高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼—W18Cr4V高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼—W18Cr4V

W18Cr4V中主要含有碳、鎢、鉻、釩等元素,各元素在高速鋼中的作用各有不同。

C=0.7～0.8%，若含碳量太低,則降低了高速鋼的硬度、紅硬性和耐磨性;若含碳量偏高,則硬度和紅硬性有所提高,同時(shí)使碳化物的不均勻性增加,使鋼的塑性降低,工藝性能變差;若再提高含碳量,則使熔點(diǎn)過(guò)度降低,迫使淬火溫度下降過(guò)甚,使鋼的紅硬性和機(jī)械性能都下降。鎢是影響高速鋼紅硬性的主要元素,鎢的作用與釩的含量有一定的關(guān)系,當(dāng)含釩量較低時(shí)(如1%～1.2%),紅硬性和切削性能隨鎢量的增加而增加,含鎢量達(dá)到18%,其性能最好;鎢可強(qiáng)烈降低鋼的導(dǎo)熱系數(shù),因此高速鋼加熱和冷卻必須緩慢進(jìn)行;鎢還可以增加鋼的淬透性,但比鉻小,鎢使碳化物的不均勻性增加。加入鉻主要作用是提高淬透性,高速鋼在淬火加熱時(shí),鉻幾乎全部熔入奧氏體中,奧氏體的穩(wěn)定性得以提高,增強(qiáng)了鋼的淬透性,4%的鉻能充分滿足高速鋼對(duì)淬透性的要求;鉻還能提高鋼的抗氧化脫碳和抗腐蝕能力。釩與鎢一樣,也是影響高速鋼紅硬性的元素之一,但二者不能互相替代,釩的彌散硬化作用比鎢強(qiáng)烈,而熔入固溶體的鎢,則可提高馬氏體的回火穩(wěn)定性,釩也能提高馬氏體的分解溫度,但作用不如鎢突出;隨著釩含量的增加,則紅硬性和耐磨性提高。高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼—W18Cr4V高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼—W18Cr4V高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼—W18Cr4V高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼—W18Cr4V高強(qiáng)度高耐磨冷作模具鋼—W18Cr4V冷作模具鋼及熱處理工藝的選用實(shí)例—W18Cr4V某廠用H13鋼做模具沖頭擠壓2A11或2A12鋁合金零件,模具沖頭的壽命很短,最多擠壓100多個(gè)零件。模具沖頭的主要失效形式為斷裂。H13鋼模具沖頭雖經(jīng)過(guò)多次工藝試驗(yàn),始終不能解決模具強(qiáng)度和韌性的匹配,不能有效地提高模具沖頭的使用壽命。通過(guò)分析模具沖頭的失效原因,認(rèn)為要提高模具沖頭的使用壽命,必須提高模具沖頭的強(qiáng)度和韌性。對(duì)經(jīng)熱處理后能保證足夠強(qiáng)度和較高韌性的材料加以分析,最后選取W18Cr4V高速鋼作為模具沖頭材料,并在工藝上加以改進(jìn),采用低溫加熱淬火,使其強(qiáng)度和韌性能夠有效匹配,滿足生產(chǎn)要求。出料孔設(shè)計(jì)在凹模上,且將出料孔增大,模具沖頭所能承受的力顯著提高,其使用壽命也將顯著提高。模具改進(jìn)后,其使用壽命可提高到上萬(wàn)次,滿足生產(chǎn)需要。冷作模具鋼及熱處理工藝的選用實(shí)例—W18Cr4V某廠使用的