模具材料與熱處理 教學(xué)課件 吳光明 第三章

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或者直接輸入下面地址：第三章主編2.大型拉深凹模的熱處理圖2-3大型拉深凹模的外形尺寸

1—凸模2—凸模壓板座3—凸模壓料板4—凹模5—凹模座6—退料柱7—工件如圖2-3所示為大型拉深凹模的外形尺寸，它裝在200t的摩擦壓力機上，將3mm厚平鋼板一次拉深成內(nèi)徑?314mm、內(nèi)高283mm的球面罐。該模具的主要失效形式是凹模模面及R處的磨損。因此，要求模具有較高的強度和良好的耐磨性。2.大型拉深凹模的熱處理圖2-4QT500-7制拉深凹模的熱處理工藝該模具曾采用Cr12鋼制作，熱處理后硬度為60HRC，但在拉深時發(fā)現(xiàn)有粘料現(xiàn)象。后改用牌號為QT500-7的鑄態(tài)高強度球墨鑄鐵制作，經(jīng)雙介質(zhì)淬火和分級等溫處理(工藝見圖2-4)后，硬度到達54～58HRC，使用壽命可達10～16萬件.3.綜合實例表2-20冷作模具選材、強韌化處理與使用壽命關(guān)系3.綜合實例表2-20冷作模具選材、強韌化處理與使用壽命關(guān)系3.綜合實例表2-20冷作模具選材、強韌化處理與使用壽命關(guān)系第一節(jié)常用熱作模具鋼的性能要求與分類一、熱作模具鋼的性能要求

為了滿足熱作模具鋼的使用要求，熱作模具鋼應(yīng)具備以下根本特性：

1)較高的高溫強度和良好的韌性。熱作模具尤其是熱鍛模，工作時會承受很大的沖擊力，而且沖擊頻率很高，如果熱作模具鋼沒有高的強度和良好的韌性，就容易開裂。

2)良好的耐磨性。由于熱作模具工作時除受到毛坯變形時產(chǎn)生的摩擦磨損之外，還受到高溫氧化腐蝕和氧化鐵屑的研磨，所以需要熱作模具鋼有較高的硬度和抗粘附性。

3)高的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性是指鋼材在高溫下可長時間保持其常溫力學(xué)性能的能力。7)良好的成形加工工藝性能，以滿足加工成形的需要。第一節(jié)常用熱作模具鋼的性能要求與分類4)優(yōu)良的耐熱疲勞性。熱作模具的工作特點是反復(fù)受熱受冷，模具一時受熱膨脹，一時又冷卻收縮，形成很大的熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力是方向相反、交替產(chǎn)生的。5)高淬透性。熱作模具一般尺寸比較大，熱鍛模尤其是這樣。為了使整個模具截面的力學(xué)性能均勻，就要求熱作模具鋼有高的淬透性。

6)良好的導(dǎo)熱性。為了使模具不致積熱過多，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，要盡可能降低模面溫度，減小模具內(nèi)部的溫差，這就要求熱作模具鋼要有良好的導(dǎo)熱性。7)良好的成形加工工藝性能，以滿足加工成形的需要。二、熱作模具鋼的分類表3-1熱作模具鋼的分類第二節(jié)常用熱作模具鋼的選材一、熱作模具鋼的選材原那么

熱作模具是指對加熱到一定溫度以上的金屬材料進行壓力加工的模具。根據(jù)工作條件，熱作模具可分為熱鍛模、熱擠壓模、熱沖裁模和壓鑄模等。熱作模具在工作中既受力的作用又受溫度的作用，從而使模具的工作條件復(fù)雜化，對模具材料的要求也較高。為了滿足熱作模具的使用要求，有效地降低模具本錢，延長模具使用壽命，熱作模具材料應(yīng)具備以下根本特性：

1)較高的高溫強度和良好的韌性。

2)良好的耐磨性。

3)優(yōu)良的耐熱疲勞性。

4)高的淬透性和熱穩(wěn)定性。

5)良好的導(dǎo)熱性。

6)良好的可加工性，以滿足模具加工成形的需要。二、熱作模具材料的選材方法1.熱鍛模材料的選用

選擇熱鍛模材料和確定其工作硬度時，主要根據(jù)熱鍛模的種類、大小、模具形狀復(fù)雜程度、生產(chǎn)批量及受力受熱等情況來確定。

表3-2列舉了幾種典型的熱鍛模具鋼，以供選材時參考。

2.熱擠壓模材料的選用

熱擠壓模材料首先是根據(jù)被擠壓金屬的種類及擠壓溫度來確定，其次是考慮擠壓比、擠壓速度和潤滑條件等因素，以提高模具的使用壽命。表3-3列舉了熱擠壓模材料以供參考。由于熱擠壓模的工作條件非常惡劣，每使用一次后，模具必須立即進行冷卻才能繼續(xù)工作，而模具的冷卻需要一定時間，所以通常兩組或三組模具交替輪換使用，以保證生產(chǎn)連續(xù)運行。2.熱擠壓模材料的選用表3-2熱鍛模材料的選用2.熱擠壓模材料的選用表3-3熱擠壓模材料的選用3.熱沖裁模材料的選用

在熱作模具中，熱沖裁模的工作溫度較低，因此對材料的性能要求也相對放寬，除了模具應(yīng)具有的高耐磨性、良好的強韌性及可加工性外，一般熱作模具鋼均能滿足熱沖裁模的工作條件要求。所以在選材時，可著重考慮材料的經(jīng)濟性和生產(chǎn)管理上的方便，推薦使用的鋼號有5Cr06NiMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1和8Cr3等，其中8Cr3鋼是使用較多的鋼，具體選用實例見表3-4。

4.壓鑄模材料的選用

目前常用的壓鑄模金屬材料主要有：鋅合金、鋁或鎂合金、銅合金和鋼鐵等四大類，它們的熔點、壓鑄溫度、模具工作溫度和硬度要求都各不相同。4.壓鑄模材料的選用表3-4熱沖裁模材料的選用表3-5壓鑄模成形局部零件的材料選用第三節(jié)熱作模具鋼的熱處理一、高韌性熱作模具鋼

鍛模是鍛造時使坯料成形所用的模具，包括熱鍛模、錘鍛模、壓力機鍛模、熱鐓鍛模、精鍛模和高速鍛模等，其中錘鍛模最有代表性。高韌性熱作模具鋼主要用于各種尺寸的錘鍛模、平鍛機鍛模、大型壓力機鍛模等鍛模。1.高韌性熱作模具鋼性能介紹

高韌性熱作模具鋼主要用于鍛模。鍛模在工作中受到高溫、高壓、高沖擊負(fù)荷的作用，高韌性熱作模具鋼的根本性能如下：

1)淬透性好，以保證這種大型模具沿整個截面具有均勻一致的力學(xué)性能。

2)沖擊韌性高，熱疲勞抗力高，以保證能承受沖擊載荷及在急冷急熱反復(fù)熱沖擊下不至于發(fā)生龜裂。

3)導(dǎo)熱性好，以保證模具型腔外表的熱量盡快傳導(dǎo)外散，降低模具的溫升，有利于減少熱磨損及熱疲勞損傷。

4)較高的耐回火性及高溫強度，以減少熱塑性變形。

5)較好的抗氧化性能和可加工性。2.高韌性熱作模具鋼的熱處理高韌性熱作模具鋼淬透性好，有一定的耐回火性和高溫強度，具有較高的沖擊韌性和疲勞強度，好的導(dǎo)熱性、抗氧化性和可加工性。表3-6常用高韌性熱作模具鋼的化學(xué)成分高韌性熱作模具鋼的熱處理過程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火改善力學(xué)性能，消除淬火應(yīng)力。2.高韌性熱作模具鋼的熱處理表3-7常用高韌性熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)二、高熱強性熱作模具鋼1.高熱強性熱作模具鋼的性能

高熱強性熱作模具鋼主要用于熱擠壓模。熱擠壓模的工作條件相當(dāng)復(fù)雜，既承受壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，脫模時也承受一定的拉應(yīng)力，另外還受到?jīng)_擊負(fù)荷的作用。因模具與熾熱金屬接觸時間較長，使其溫度比熱鍛模更高，尤其是用于加工鋼鐵材料和難熔金屬時，其工作溫度高達600～800℃。2.高熱強性熱作模具鋼的熱處理

高熱強性熱作模具鋼具有較高的強度和耐磨性，高溫強度、熱疲勞抗力、熱穩(wěn)定性等高溫性能較高，特別由于含有大量的Cr、W、S、Mo、V等合金元素和具有中等碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，又同時具有較高的淬透性和韌性，多用于制造壓鑄模和機鍛模等。其常用鋼號有4Cr5MoSiV(美國牌號H11)、4Cr5MoSiV1(美國牌號H13)和4Cr5W2VSi等。表3-8為常用高熱強性熱作模具鋼的化學(xué)成分。2.高熱強性熱作模具鋼的熱處理表3-8常用高熱強性熱作模具鋼的化學(xué)成分高熱強性熱作模具鋼的熱處理過程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。2.高熱強性熱作模具鋼的熱處理表3-9常用高熱強性熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)3.高熱強性熱作模具鋼的應(yīng)用

3.高熱強性熱作模具鋼的應(yīng)用

高熱強性熱作模具鋼由于具有較好的高溫性能和綜合力學(xué)性能，在熱作模具鋼中具有較高的通用性，用以下鋼的應(yīng)用情況加以說明。

4Cr5MoSiV鋼是一種空冷硬化的熱作模具鋼。該鋼在中溫下具有較高的熱強度、硬度以及較高的耐磨性和韌性，在工作溫度下能較好地耐冷熱疲勞，熱處理變形小。因此，該鋼多用于制造鋁鑄件用壓鑄模、熱擠壓模和壓力機鍛模、塑料模等，也被用于制造工作溫度在400～500℃的結(jié)構(gòu)件。三、高耐磨性熱強型熱作模具鋼1.高耐磨性熱強型熱作模具鋼的性能介紹

高耐磨性熱強型熱作模具鋼主要用于熱沖裁模。在熱作模具中，熱沖裁模的工作溫度較低，因此對材料的性能要求也相對放寬。除了應(yīng)具有高的耐磨性、良好的強韌性以及可加工性外，幾乎所有的熱作模具鋼都能滿足熱沖裁模的工作條件要求。

2.高耐磨性熱強型熱作模具鋼的熱處理

該類鋼具有高的高溫強度、高溫硬度和一定的熱穩(wěn)定性，在高溫下工作具有高的耐磨性。其常用鋼號有8Cr3、5Cr4W5Mo2V和5Cr4Mo3SiMnVAl等，其中8Cr3鋼是使用較多的鋼種。2.高耐磨性熱強型熱作模具鋼的熱處理表3-10常用高耐磨性熱強型熱作模具鋼的化學(xué)成分高耐磨性熱強型熱作模具鋼的熱處理過程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。2.高耐磨性熱強型熱作模具鋼的熱處理表3-11常用高耐磨性熱強型熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)3.高耐磨性熱強型熱作模具鋼的應(yīng)用

8Cr3鋼是在碳素工具鋼T8的根底上添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cr(3.20％～3.80％)。由于Cr的存在，8Cr3鋼具有較好的淬透性和一定的室溫、高溫強度而且形成細小、均勻分布的碳化物。8Cr3鋼通常用于制造熱沖裁模、熱頂鍛模和熱彎曲模等模具。

5Cr4W5Mo2V(RM2)鋼具有較高的熱硬性、高溫強度和較高的耐磨性，適于制造小型精鍛模、平鍛模、熱沖模和熱擠壓模等，使用壽命較高。四、壓鑄熱作模具鋼1.壓鑄熱作模具鋼的性能介紹

壓鑄熱作模具鋼用于制造壓力鑄造和擠壓鑄造模具。根據(jù)被壓鑄材料的性質(zhì)，壓鑄模可分為鋅合金壓鑄模、鋁合金壓鑄模和銅合金壓鑄模。壓鑄模工作時與高溫的液態(tài)金屬接觸，不僅受熱時間長，而且受熱的溫度比熱鍛模要高(壓鑄有色金屬時400～800℃，壓鑄鋼鐵材料時可達1000℃以上)，同時承受很高的壓力(20～120MPa)，此外還受到反復(fù)加熱和冷卻以及金屬液流的高速沖刷而產(chǎn)生的磨損和腐蝕。2.壓鑄熱作模具鋼的熱處理

3Cr2W8V鋼是制造壓鑄模的典型鋼種，常用于制造鑄造鋁合金和銅合金的壓鑄模，與其性能和用途相類似的還有3Cr3Mo3W2V鋼。值得指出的是，由于4Cr5MoSiV1鋼具有良好的韌性、耐熱疲勞抗力和抗氧化性，由4Cr5MoSiV1鋼制造的壓鑄模其模具使用壽命高于3Cr2W8V鋼制壓鑄模，且這類鋼的價格較鎢系鋼廉價，因此在壓鑄模上的使用越來越多。2.壓鑄熱作模具鋼的熱處理表3-12常用壓鑄熱作模具鋼的化學(xué)成分壓鑄熱作模具鋼的熱處理過程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。2.壓鑄熱作模具鋼的熱處理表3-13常用壓鑄熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)3.壓鑄熱作模具鋼的應(yīng)用

3Cr2W8V是應(yīng)用最廣泛的典型的壓鑄熱作模具鋼，它具有良好的淬透性，耐回火性好，可用來制作高溫下承受高應(yīng)力但不受沖擊負(fù)荷的凸模、凹模.第四節(jié)熱作模具鋼的熱處理工藝與實例一、熱作模具鋼的熱處理工藝

(1)錘鍛模的制造工藝路線下料→鍛造→退火→機械粗加工→探傷→成形加工→淬火及回火→鉗修→拋光。

(2)熱擠壓模的制造工藝路線下料→鍛造→預(yù)先熱處理→機械加工成形→淬火及回火→研磨拋光。

(3)壓鑄模的制造工藝路線

1)一般壓鑄模的制造工藝路線為：鍛造→退火→機械粗加工→穩(wěn)定化處理→精加工成形→淬火及回火→鉗工修配→發(fā)藍。

2)形狀復(fù)雜、精度要求高的壓鑄模的制造工藝路線為：鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工成形→鉗工修磨→滲氮(或氮碳共滲)→研磨拋光。二、熱作模具鋼的熱處理實例1.4Cr5MoSiV1鋼制汽車凸輪軸鍛模的熱處理

某載貨汽車發(fā)動機凸輪軸鍛模尺寸為950mm×200mm×160mm，對模具型槽的尺寸公差和外表粗糙度等有較高要求，熱處理后的硬度要求為37～41HRC。該鍛模在40MN機械著改善,其熱處理工藝如圖3-1所示。模具在大型高溫箱式電阻爐中加熱，在油中淬火，冷至150～200℃時出油。4Cr5MoSiV1鋼制模具在型槽較深時，使用中應(yīng)特別注意鍛前預(yù)熱，以防止模具早期脆斷。圖3-14Cr5MoSiV1鋼制凸輪軸鍛模的熱處理工藝1.4Cr5MoSiV1鋼制汽車凸輪軸鍛模的熱處理2.汽車后橋半軸熱鐓鍛模

汽車后橋半軸是汽車上的關(guān)鍵部件，分長、短半軸兩種，質(zhì)量要求高。半軸材料為35CrMnSiA及40MnB，鋼材截面尺寸為?30mm。

鍛造設(shè)備為8000kN平鍛機，行程次數(shù)為35次／min。

坯料采用轉(zhuǎn)體式煤氣加熱爐加熱，加熱溫度1200℃，始鍛溫度1150℃。鍛造過程中對模具采用固定水管噴淋冷卻，無潤滑。3.拉桿熱鐓模

拉桿材料為45鋼，經(jīng)兩次熱鐓而成。坯料加熱溫度1100～1200℃，機床行程次數(shù)為30～40次/min。

熱鐓模采用3Cr2W8V鋼制造，原用工藝為1050℃淬火，540～560℃回火，硬度為48～51HRC，工作時模具經(jīng)受水冷，失效形式均為早期熱磨損失效，即由于硬度偏低，熱穩(wěn)定性差，而在模具圓角處磨損、塌角，影響拉桿頭部尺寸而報廢。4.CrWMn小型壓鑄模熱處理實例

壓鑄模熱處理應(yīng)注意防止變形及開裂。在熱處理實踐中應(yīng)注意，如用箱式電阻爐在木炭中進行淬火或退火加熱，有可能使模具外表滲碳，深度可達0.3～0.7mm，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC可達1％，從而使模具產(chǎn)生早期網(wǎng)狀裂紋或裂縫而報廢。此外，在淬火空冷中，外表又可能脫碳，降低了