模具寿命与材料PPT第三节 热作模具材料

•第三节热作模具材料•1、热处理:是指将金属材料(钢)在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺.•2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。•3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。2.热处理的主要目的:改变钢的性能。一、热作模具工作条件、失效形式及性能要求1、热作模具分类☆热作模具：用于热变形加工和压力铸造的模具。☆分类：根据工作条件，分为热锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等。热作模具在工作中既有力的作用又有温度的作用，模具的工作条件差、失效形式复杂，性能要求高.2、热锻模--包括锤锻模、压力机锻模、热镦模和高速锻模等。其中锤锻模最有代表性。1）工作条件及主要失效形式工作时受很大的压应力和冲击载荷的作用，冲击频率很高；模具型腔表面和炽热金属接触，使模具升温到300-400℃，局部温度达到500-600℃；工作时，锻完一个零件后，用水或油冷却模具，产生急冷急热作用；坯料对模具型腔有强烈的摩擦作用。☆锤锻模的主要失效形式：氧化；磨损；断裂；产生热疲劳裂纹，形成龟裂；塑性变形造成型腔面塌陷。2）主要性能要求：(1)较高强度和良好的韧性；(2)良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；(3)模具尺寸较大时，应具有高的淬透性3、热挤压模1）工作条件及主要失效形式：■受力复杂：承受压应力和弯曲应力，脱模时有拉应力；有冲击载荷作用；■模具温升较高，承受急冷急热的热疲劳作用。模具与炽热金属接触时间较长，温度比锤锻模温度更高，尤其是挤压钢件和难熔金属时，温度高达600-800℃。■主要失效形式：模腔过量塑性变形、开裂、冷热疲劳、热磨损及表面氧化腐蚀。2）主要性能要求：(1)高的热稳定性；(2)良好的冷热疲劳抗力和高耐磨性；(3)较高的高温强度和足够的韧性。4、压铸模具1）工作条件及主要失效形式：■模具温升高、有热疲劳作用：工作时与高温液态金属接触，受热时间长，受热温度高(压铸有色金属时,温度达400-800℃；压铸黑色金属时,温度可达1000℃以上)，同时模具有冷却.■高的压力(20-120MPa)及金属液流的高速冲刷作用；■主要失效形式：热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀。低温合金的压铸，以磨损失效为主。2）主要性能要求：(1)较高的耐热性和良好的高温力学性能；(2)优良的耐冷热疲劳性和高的导热性；(3)良好的抗氧化性和耐蚀性；(4)较高的淬透性。4、热冲切模由切边凹模和凸模组成，切边时凸模无刃口，只起传力作用，由凹模切除飞边、连皮。1）工作条件及主要失效形式：凹模刃口与毛坯有摩擦，同时有一定的冲击载荷；刃口受热而温度升高。■失效的主要形式是：刃口磨损、崩刃、卷边等。2）主要性能要求：(1)高耐磨性，高硬度及热硬性；(2)具有一定的强韧性（避免崩刃）；(3)具有良好的工艺性。二、热作模具用钢根据工作温度、性能和用途常用材料见表1、锤锻模用钢主要采用中碳、多元低合金热作模具钢。传统钢种有：5CrMnMo、5CrNiMo；近年来研制的新钢种有：4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVS、3Cr2MoWVNi（一）5CrNiMo钢(1)主要性能特点及应用：■良好的综合力学性能和淬透性；（硬度40-48HRC，抗拉强度1200-1400MPa，冲击韧度40-70J／cm2，第二类回火脆性不敏感）。■不足之处是工作温度稍低，锻坯中易产生白点。■适合于制造形状复杂、冲击负荷较大，要求高强度和韧性较高的中、大型锤锻模。如高度尺寸375mm的大型锤锻模。(2)热加工工艺：锻造→退火（完全退火或等温退火）→淬火和回火■淬火预热温度：600-650℃，加热温度：830-860℃、油淬；■回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660℃）；■锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100℃左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效）。其韧性在所有的热作模具钢中最好。（二）5CrMnMo钢(1)主要性能特点及应用（和5CrNiMo钢相比）■强度、硬度相当，但冲击韧性稍差；■淬透性、耐热疲劳性稍差；■热处理过热倾向较大；■适合制作受力较轻的中小型锤锻模。(2)热加工工艺：锻造→等温退火(加热温度850-870℃，等温温度680℃)→淬火和回火■等温退火加热温度：850-870℃，等温温度680℃。■淬火加热温度840-860℃，油淬，冷却到150-180℃左右出油立即回火；为减少变形，防止开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到740-780℃入油；■回火温度根据模具尺寸和部位确定（500-660℃）。锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100℃左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效）。（三）4CrMnSiMoV钢（1）主要性能特点及应用：■具有较高强度、耐磨性和冲击韧性；■高温性能、热疲劳抗力和淬透性优于5CrNiMo。■制作小、中、大型锤锻模，模具寿命比5CrNiMo高。（2）热加工工艺：锻造→等温退火→淬火和回火■等温退火：加热温度为840-860℃，等温温度为700-720℃■大型锤锻模淬火温度870-900℃、油淬；■中小型锤锻模淬火温度900-930℃、油淬。■大型锤锻模回火温度：620-660℃，回火硬度为38-42HRC；■中型锤锻模回火温度610-630℃，回火硬度41-44HRC；■小型锤锻模回火温度为470-610℃，回火硬度44-49HRC。该钢用于压力机椴模生产汽车用连杆、前梁和齿轮等。（四）5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi-新型锤锻模具钢(1)主要性能特点及应用：（与5CrNiMo钢相比）高温强度提高了64％，热稳定性提高(温度提高了150-170℃)。500X500mm截面的锻模，其心部硬度较5CrNiMo钢高13HRC，使用寿命提高1倍。5Cr2NiMoVSi钢主要用于制造各类压力机模具和3t以上锤锻模；45Cr2NiMoVSi钢适合制作各类锤锻模，特别是10t以下的大截面锤锻模具。(2)热加工工艺：锻造→退火→淬火和回火■等温退火：800℃→720℃等温；■完全退火：850-870℃，缓冷至500℃出炉空冷。■淬火：（大截面锤锻模）5Cr2NiMoVSi钢，淬火温度：960-980℃，回火温度：620-660℃；45Cr2NiMoVSi钢，淬火温度：960-980℃，型腔回火温度：630-670℃，■燕尾回火温度：680-700℃。1、如图是一齿轮高速锤锻模具，其工作条件和技术要求为：齿轮毛坯尺寸Φ58mm×43mm，锻锤吨位，4吨，大批生产，凹模通循环水冷却；凹模硬度要求为46-50HRC，冲头硬度要求为44-48HRC。要求：1、对凹模、冲头进行选材分析，选择合适的材料，制定热处理工艺。2、为模具辅助零件：下顶料杆、M12×45螺栓进行选材分析，选择合适的材料，制定热处理工艺。2、热挤压模具用钢--包括机锻模、高速锻模用钢，主要有钨系、铬系、铬钼系热作模具钢及基体钢。(一)铬系：代表钢种4Cr5MoSiV1（H13），4Cr5MoSiV（H11）4Cr5W2VSi（H12），属于中碳中铬钢。成分特点:碳的质量分数较低约为0.3%～0.4%。合金元素含量中等，有较高的Cr、Mo、V、W等碳化物形成元素，Cr的含量为5%，俗称5%Cr型热模钢。Cr和Mo使该钢的淬透性大大提高，含V有利于提高钢的热硬性和热强性。(2)主要性能特点及应用：■淬透性好，几乎都采用空冷淬火(属空冷硬化钢，厚度150mm钢件在油中可淬透）；■冲击韧度和断裂韧度较高；■良好的耐热疲劳性能和抗氧化性，能适应急冷急热的工作条件。与5CrNiMo钢相比，有更高的硬度、热强性和耐磨性.■钢的综合性能好，在最佳淬火回火热处理工艺状况下具有高的强度、高硬度和良好的韧性和塑性的配合。在所有的热作模具中这种钢具有最高的疲劳强度，在热处理时尺寸变形都比较小。■这类钢的工作温度一般不超过600℃。广泛用于铝型材挤压模具；汽车、拖拉机、五金工具等行业机锻模具、辊锻模具；轴承行业挤压模及辗压辊；压铸模等。(2)热处理工艺：锻造→等温退火：860-890℃，700-720℃等温，缓冷至500℃出炉→淬火：1000-1050℃、油冷+540-600℃回火（回火温度根据硬度要求确定）。(二)钨系：3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V、5Cr4Mo2W2VSi，代表钢种3Cr2W8V。耐热疲劳性较差，在压铸模中的应用较多。具有以下特点：1）成分上：含碳并不高，但接近共析或过共析成分；合金元素含量高或中等，普遍含合金元素的质量分数为8%～10%。2）性能上：该钢具有高的耐热性，即有较高的高温强度和高温硬度。可在600～700高温下工作。具有高的耐磨性。3Cr2W8V纲是广泛应用的热作模具钢。用于压铸模、热挤压模、精锻模等。它又叫半“高速钢”。由于含有较多的易形成碳化物的元素Cr、W，高耐热强性最好。三)铬钼钢及钨钼钢:包括4Cr3Mo3SiV(H10)、4Cr3Mo2NiVNbB(HD)、3Cr3Mo3W2V(HM1)、25Cr3Mo3VNb(HM3)、4Cr3Mo3W4VNb(GR)。1、25Cr3Mo3VNb(HM3):含碳量较低；加入少量的铌，具有较高的耐热疲劳性、热强性和回火稳定性（1）加工工艺：锻造，锻后缓冷→等温退火（温度860℃、等温温度710℃，炉冷至550℃出炉空冷→淬火（温度1080℃，油冷或水冷）+回火（温度根据模具硬度要求在560-630℃范围选择），回火二次。2）应用：热锻成形凹模、连杆辊锻模，小型机锻模、铝合金压铸模等。工作寿命比5CrNiMo、4CrSW2VSi、3Cr2W8V钢等模具提高2-10倍。2、4Cr3Mo2NiVNbB(HD)--新钢种■综合了3Cr2W8V和H13的优点。其高温强度、回火稳定性、断裂韧性、耐热疲劳性和耐磨性优于3Cr2W8V；而耐热性优于H13钢，可在700℃下工作。（1）加工工艺：锻造→退火（加热温度850℃、4h，随炉缓冷到550℃出炉空冷）→淬火（1130℃、油淬）+回火（温度根据硬度要求可在650-700℃范围选择），回火二次。（2）应用：主要替代3Cr2W8V钢制作热挤压凸模与凹模，工作寿命可提高1倍。3、3Cr3Mo3W2V(HMl)：冲击韧度及断裂韧度与3Cr2W8V钢相近，但回火抗力比3Cr2W8V钢高，在保持高强度和热稳定性的同时，耐冷热疲劳性能比3Cr2W8V钢高得多。（1）加工工艺：锻造，锻后缓冷→等温退火（温度870℃，等温温度730℃，随炉缓冷到550℃出炉空冷），硬度为207-225HBS。→淬火（1030-1120℃、油淬）+回火（温度580-620℃、2h），回火二次；硬度为48-49HRC。（2）应用：HM1钢是目前国内研制的高强韧热模钢中应用广泛，寿命长的新钢种。适于制作高温高负荷，急热急冷水冷条件下工作的压力机和轴承环热锻凹模，高强度和高热强钢零件的精锻模，热挤压模，铝和铜合金的压铸模等，使用寿命可比3Cr2W8V、5CrNiMoV钢制模具提高1-4倍。4、4Cr3Mo3W4VNb(GR)钢：属钨钼系热作模具钢，具有高的回火抗力和高的热强性；耐冷热疲劳性、热稳定性、耐磨性及高温强度明显高于3Cr2W8V钢；淬透性、冷热加工性好。（1）加工工艺：锻造，锻后缓冷→等温退火（温度850℃，等温温度720℃，炉冷至550℃出炉空冷）→淬火（温度1160℃）+回火要求高韧性及塑性，选用较低淬火温度；■要求高的高温强度及回火稳定性，则选用较高淬火温度；■回火温度：630℃、600℃，二次回火，每次2-3h，若形状复杂的大模具，可采用三次回火，回火后硬度为50-54HRC。（2）应用：用于齿轮高速锻造、精密锻造、轴承套圈热挤压、小型机锻模具等方面。与3Cr2W8V钢制模具相比，使用寿命大幅提高。(四)基体钢：基体钢中有多个钢种是冷、热兼用的模具钢。如O12Al、5Cr4W5Mo2V（RM2）6Cr4Mo3Ni