冷作模具钢及其热处理工艺..ppt

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1、3、冷作模具材料及热处理,3.1 冷作模具材料的分类及选用 3.2 冷作模具材料的热处理 3.3 新型冷作模具钢热处理案例,教学要求、重点与难点,教学要求： 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艺路线 3、理解各类冷作模具材料的热处理 教学的重点 冷作模具的制造工艺路线 各类典型冷作模具的热处理,3.1 冷作模具材料的分类及选用,3.3.1 冷作模具材料的分类,类型： 1、模具钢 2、硬质合金 3、低熔点合金 4、高分子材料等。 按模具钢的成分和性能可分为： 1、高碳非合金冷作模具钢 2、高碳低合金冷作模具钢 3、高耐磨冷作模具钢 4、冷作模具高速钢 5、特殊用途冷

2、作模具钢,按工艺性能和承载能力特征划分： 1、低淬透性冷作模具钢 2、低变形冷作模具钢 3、高耐磨微变形冷作模具钢 4、强度高耐磨冷作模具钢 5、高强韧冷作模具钢 6、抗冲击冷作模具钢 7、特殊用冷作模具钢,工作条件：承受较高的拉伸应力、压缩应力、冲击应力、强烈摩擦应力、疲劳应力和一定的高温作用。 失效形式：磨损、脆断、弯曲、咬合、塌陷、啃伤、软化等。 性能要求：具有高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、疲劳抗力、咬合抗力等能力。,3.1.2 冷作模具材料的工作条件与性能要求,典型的冷作模具有：1.冲裁模 2.拉深模 3.挤压模 4.冷镦模,2.工艺性能要求 （1）可锻性 （2）可切削性 （3）可磨

3、削性 （4）热处理工艺性,1.使用性能要求 （1）耐磨性 （2）变形抗力 （3）断裂抗力 （4）抗咬合性 （5）韧性,3.1.2.1 冷作模具材料的性能要求,1、使用性能的要求,（1）耐磨性 耐磨性是冷作模具钢应具备的最基本性能之一。 （2）变形抗力 1）硬度和热硬性 2）抗压屈服点 3）弯曲屈服点,（3）断裂抗力 1）一次性脆断抗力 2）疲劳断裂抗力 3）裂纹断裂抗力 （4）咬合抗力 （5）韧性,2. 工艺性能要求,（1）可锻性 （2）易切削性 （3）可磨削性 （4）铸造工艺性 （5）焊接性,（6）热处理工艺性 1）退火工艺性 球化退火温度范围宽，退火硬度适中而稳定（227-247HB），形

4、成粗片状组织倾向小。 2）淬透性和淬硬性 淬透性好，淬硬性高（58-62HRC） 3）氧化和脱碳敏感性 高温加热脱碳速度慢，抗氧化性能好，对淬火加热介质不敏感。 4）过热敏感性和淬裂敏感性 5）淬火温度和淬火变形,三、冷作模具材料的内部冶金质量要求 (一)成分偏析 (二)磷硫含量 (三)钢中夹杂物,(四)碳化物不均匀性,(五)疏松,冷作模具的制造工艺路线,通常冷作模具的制造工艺路线 （1）成型一般冷作模具： 锻造球化退火机加工成形淬火+回火钳工装配。 （2）成形磨削及电加工冷作模具： 锻造球化退火机加粗加工淬火+回火精加工钳工装配。 （3）成形复杂冷作模具： 锻造球化退火机加粗加工高温回火或调

5、质机加工成形淬火+回火（精加工）钳工装配。,3.1.3 典型冷作模具材料的性能分析,1.高碳非合金冷作模具钢（碳素工具钢）,代表钢号： T10 、T10A 特点：回火抗力低，淬透性低，硬化层浅，承载能力低，锻造性能好。 用途：中、小批量生产的冷冲模，冷镦模、冲剪工具 (一)成分、组织特点 1. 成分：wC=0.71.7wMe=2。 2 .平衡态组织： T7A：F+P T8A：P 其余钢：Fe3C+P, T12A易于析出网状碳化物。,1. T10、 T10A 特点：较T7A、T8A有更高的耐磨性，淬透性较差，淬火变形大，成本低，易于冷、热加工。 (1)化学成分； (2)力学性能； (3)工艺性能

6、； (4)使用范围。,(1)化学成分（T10）,图5-2 T10钢的淬火温度对强韧性的影响,图5-3 T10钢的淬火温度对淬透性的影响,淬火温度对高碳素工具钢的强韧性、淬透性的影响，如下图所示。所以，对于容易淬透的小型模具，可采用较低的淬火温(760780);对于大、中型模具，应适当提高淬火温(800850)或采用高温快速加热工艺。,(2)力学性能,(3)工艺性能 锻造工艺,Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系,钢材轧制或锻造的温度范围，多选择在单一奥氏体组织范围内。 其选择原则是： 始锻温度不得过高，一般始锻温度在固相线以下100200。 终止温度也不能过低，终锻温度800左右。 各种碳素钢

7、合适的轧制或锻造温度范围如图所示。,预先热处理,等温球化退火 碳素工具钢一般采用等温球化退火来球化碳化物，消除钢坯的锻造应力，细化组织，降低硬度，便于切削加工，同时为淬火做好组织准备。,预先热处理,T10、T10A等温球化退火工艺曲线,表4.6常用工具钢等温球化退火工艺规范,淬火及回火:,下表是常用碳素工具钢的淬火、回火工艺,(4)使用范围 碳素工具钢适于制造尺寸较小、形状简单、负荷较轻、生产批量不大的冷作模具。,特点：热处理变形低，淬硬性 (6164HRC)和淬透性较好，淬裂、变形倾向低。 组织：淬火及低温回火后M回+815AR+510MexCy 代表性钢号： MnCrWV：世界各国趋于通用

8、的综合性能优良的代表性钢种，应大力推广。 CrWMn：我国沿用较广，韧性好，耐磨性好，但易于形成网状碳化物，刃部脆断。,2.高碳低合金冷作模具钢,9CrWMn：美、英最普及，我国也使用，降C、Mn，高Cr、W，效果较好。 9Mn2V：西欧、捷克等普遍使用，我国引进，广为使用，美国用于小塑料模。 SiMnMo：美国列入标准，欧洲也有将其列为基本钢号，有优良的抗咬合能力和耐磨性，有普及的趋势。我国已列为推荐用钢，使用者尚不多。,CrWMn钢,(1)化学成分 CrWMn钢的临界点:Ac1750，Accm940，Ar1710，Ms255 。 (2)力学性能 CrWMn钢具有高淬透性，由于钨形成碳化物，

9、所以这种钢在淬火及低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性，如图5-5图5-7所示。,图5-5 CrWMn钢力学性能与淬火温度的关系,图5-6 CrWMn钢硬度与淬火温度的关系,图5-7 CrWMn钢硬度与回火温度的关系,(3)工艺性能 锻造工艺 CrWMn钢具有良好的锻造性能。,退火工艺: CrWMn钢锻后需进行等温球化退火，退火温度为790830，等温温度为700720，退火后的组织比较均匀，退火后硬度为207255HBS。,高碳低合金钢球化退火工艺参数,淬火 方案,淬火和回火工艺,下表是常用油淬高碳低合金冷作模具钢推荐的淬火工艺参数,(4)使用范围 CrWM

10、n钢具有较好的淬透性，淬火变形小，耐磨性、热硬性、强韧性均优于碳素工具钢，是使用较为广泛的冷作模具钢。主要用于制造要求变形小，形状较复杂的轻载冲裁模(料厚2 mm)，轻载拉深、弯曲、翻边模等。,三、高耐磨微变形冷作模具钢 钢种：高碳高铬钢+高碳中铬钢 特点：化学成分均含有高碳+高铬或中铬，淬硬性高，耐磨性好，淬透性好，可空冷淬火，故淬火变形微小。 （一）高碳高铬冷作模具钢（Cr12型钢） 下表 Cr12型钢的化学成分,（一）高碳高铬冷作模具钢（Cr12型冷作模具钢） 1. 化学成分特点： 含碳量高，Cr12的含碳量高达2.00%以上，Cr12MoV和Cr12Mo1V1的含碳量高达1.40%以上

11、。 含铬量高，三者的含铬量都在12%左右。 2. 组织特点：莱氏体钢，大量共晶碳化物,3. 性能特点： 高耐磨性 碳含量高淬硬性高，高碳高铬大量M7C3高的耐磨性。 高淬透性 高铬高淬透性。200300mm油冷淬透， 40mm空冷淬透。 淬火微变形性 空淬变形小。 高红硬性 Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢二次硬化效应，可获高红硬性。 低韧性 大量共晶碳化物导致韧性低， 还导致力学性能各向异性。,锻造工艺: 导热性能差，塑性低，变形抗力大，锻造温度范围窄，组织缺陷严重，所以其锻造性能差。 碳化物严重偏析无法用热处理消除，因此，对Cr12型钢必须进行锻造来改善碳化物的不均匀性。 锻造工艺：反

12、复三向镦粗-拉拔，“轻-重-轻”的“两轻一重” 的锻造工艺。,表6-9 Cr12MoV钢的锻造工艺,4. 热处理工艺： （1）预备热处理：退火（普通退火、等温球化退火） 锻后硬度550HBW左右，室温下长期停留会发生开裂。必须及时进行退火。Cr12系钢退火时可采用普通退火，但最好采用等温球化退火。,（2）最终热处理：淬火+回火 Ms与淬火温度的关系图3-8,硬度、AR量与淬火温度的关系图3-9,“二次硬化”现象图3-11,图3-（24） 回火温度对Cr12MoV钢硬度的影响,Cr12MoV钢经1020淬火，520回火时出现明显的二次硬化，而且淬火温度愈高，这种效应愈显著。,产生“二次硬化”的原

13、因： 1.二次淬火效应 2.弥散硬化效应,回火工艺对Cr12MoV力学性能的影响,Cr12MoV钢 三种最终热处理工艺： 1.低淬低回：950l000淬火+200回火 耐磨性较高，有一定韧性，但抗拉强度较低； 2.中淬中回：1030淬火+400回火 高强韧性，较高的断裂抗力； 3.高淬高回：10801120淬火+ 500520回火3次 高耐磨，高红硬性，但韧性差。,5. 应用： 负荷大、批量大、耐磨性高、变形小、形状复杂的大中小型模具 。,高耐磨微变形冷作模具钢的热处理规范,（二）高碳中铬冷作模具钢 1. 化学成分特点： 含碳量高，1.00%左右 含铬量中等，5%左右。 含 Mo、V 2. 组

14、织特点： 过共析钢，碳化物较细小且分布较为均匀 3. 性能特点： 耐磨性：高于碳素工具钢和高碳低合金钢，低于Cr12型钢 淬透性：中铬较高淬透性。小直径可空冷淬透。 淬火变形小 空冷淬火淬火变形微小。 韧性：比Cr12型钢好。 4. 应用：冷冲模、冷镦模、拉深模、冷挤压模等 5. 热处理工艺：如表3-12和3-13 所示。,四、冷作模具高速钢及热处理 特点：具有高强度、高硬度、高耐磨性和高热稳定性，用于制造各种高负荷冷作模具，如冷挤压模、冷冲裁模等。 局限性：主要表现为合金元素消耗量大，价格贵，制造工艺性能不佳，热处理工艺复杂，淬火、回火后的变形难以控制。 代表钢号： W6Mo5Cr4V2、

15、W18Cr4V等。,W6Mo5Cr4V2钢,特点：高硬度和热硬性，碳化物细小均匀，韧性好、热塑性好，但加热容易氧化脱碳 1、化学成分,下表 为 W6Mo5Cr4V2钢的化学成分(质量分数) %,2、锻造工艺: 导热性能差，锻造温度范围窄，组织缺陷严重，加热时很容易发生过烧，所以其锻造性能差。 锻造工艺：反复三向镦粗-拉拔，“轻-重-轻”的“两轻一重” 的锻造工艺。,3、淬火和回火,下表为 W6Mo5Cr4V2钢的淬火和回火,W6Mo5Cr4V2钢,必须经过三次以上的回火 原因： 1.完成淬火马氏体转变为回火马氏体的过程； 2.完成残留奥氏体转变为二次淬火马氏体的过程； 3.完成二次淬火马氏体转

16、变为回火马氏体的过程； 4.消除前次回火时产生的组织应力。 经三次回火后残余奥氏体体积分数降到2%3%，硬度达到63HRC以上。,W6Mo5Cr4V2钢,3.3 新型冷作模具钢热处理案例 案例2 6Cr4W3Mo2VNb钢，简称65Nb钢,基体钢：指其化学成分与普通高速钢正常淬火后基体的化学成分类同的钢。 典型钢号：65Nb （ 6Cr4W3Mo2VNb ） 。,65Nb钢是一种高韧性的冷作模具钢，由华中科技大学研制。 它具有高速钢的高硬度和高强度，又因无过剩的碳化物，所以比高速钢具有更高的韧性和疲劳强度。,2.力学性能：具有高速钢的高硬度、高耐磨性，韧性、抗弯强度和疲劳强度优于高速钢，而且淬

17、火变形也有减少。 淬火温度对残余奥氏体的影响见课本表3-23 。,1.化学成分：与W6Mo5Cr4V2相比，含碳量和合金元素含量都低，加入了少量的Nb；与高速钢淬火后的基体化学成分相比，含碳量稍高，含钼量稍低。,下表 为 65Nb钢的化学成分(质量分数) %,下表为 65Nb钢与Cr12MoV、W18Cr4V室温力学性能的对比,3.锻造工艺,65Nb钢锻造性能良好，锻造工艺规范见课本表3-24,4.热处理工艺 临界相变点:Ac1810-830，Ar1720-740，Ms220。 （1）退火工艺 见课本图3-1 （2）淬火、回火工艺 见课本表3-25、3-26。,4.使用范围 可以用来制造各类冷作模具，适于制造复杂、大型或有加工难度金属的冷挤压模具以及受冲击负荷较大的冷镦模具，模具的使用寿命有明显提高。,