模具选材及其制造工序中的特种质量控制

第1页共22页汪庆华编写模具选材及其制造工序中的特种质量控制汪庆华编写无锡宏达热处理锻造有限公司地址：江苏无锡市鸿山镇机光电园鸿月路7号2004年3月22日座谈会讲稿QQ:188382262文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页汪庆华编写目录§1模具钢选材4一、冷作模具选材4（一）冷冲模的选材4（二）冷挤压模的选材4（三）冷镦模的选材4（四）塑料成型模的选材5二、热作模具选材5（一）、热锻模选材5（二）、压铸模选材5§2模具材料的原材料控制61、宏观检验72、显微组织的检测72.1、退火组织的评定72.2、碳化物不均匀性8§3模具钢原材料的改锻9一、锻造的目的9二、Cr12型钢的锻造91锻造参数的优化91.1锻造比91.2改锻方法101.2.1轴向镦粗-拔长工艺101.2.2径向十字镦拔101.2.3三向镦拔101.3镦粗和伸长对碳化物的影响11三、高碳低合金冷作模的带状组织改善13§4模具钢钢热处理淬火前的预处理14§5模具失效分析14（一）、共晶碳化物的不均匀14（二）、网状碳化物14（三）、白点15（四）、液析及枝晶偏析16（五）、夹杂物17（六）、过热17（七）、淬火开裂17（八）、磨削裂纹18一、磨削裂纹181、热处理残余应力182、磨削应力18PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页汪庆华编写二、磨削工艺与磨削裂纹的关系19（九）、切削加工的变质层19（十）、电火花加工（线切割）201.电脉冲202.线切割21（十一）实例：穿孔针失效形式的综合归纳22一、纵向开裂(略)22二、纵向开裂横向断裂(略)22三、缩颈断裂(略)22四、鳞片缺陷(略)22五、脆断开裂(略)22六、其他(略)22致谢22附录22PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页汪庆华编写§1模具钢选材当前我国模具选材的主要问题是用老钢种多，新钢种少；用常规热处理工艺多，用真空及表面处理等新技术少；加工后再热处理的多，热处理之后再加工的少，由此造成模具平均寿命短(仅为国外的1/3)，材料消耗多，制造废品率高。为此科学合理地选材以及对材料的强韧化处理十分必要，模具材料对模具寿命的影响反映在模具材料的选择是否正确，材质是否良好和使用是否合理3个方面,选择材料时必须兼顾模具使用性能要求。一、冷作模具选材（一）冷冲模的选材对于冷冲模应主要考虑钢的强度，韧性和耐磨性。冷冲模有轻载荷冷冲模和重载冷冲模。1.轻载冲模以磨损失效为主。选材料时主要依据是耐磨性和强韧性。小批量生产可选用—T8A～T10A中批量生产可选用----CrWMn，GCr15大批量生产可选用----Cr12Cr12MoV特大批量生产可选用—Y15Y20其中CrWMn和Cr12型等钢耐磨性较好。但碳化物偏析，马氏体脆性等较大而韧性较差，疲劳抗力低，崩刃，脆断失效占比较较高现在有改用高强韧性新型钢的趋势.见表1《模具材料的选择方案》。2.重载冲模刃口更易磨损，同时易于崩刃，断裂，对材料的要求具有高耐磨性和高强韧性。以往使用较多的是9SiCr,60Si2Mn等，现在选用GD，Cr12MoV1以及LD，012Al，GM钢和ER5等钢种的较较多。012AL钢由钼高速钢淬火基体成分调整而得，有较高的断裂韧性和疲劳强度，是一种冷热兼用模具钢。LD钢的含碳量和合金度略高于012AL钢且V量较高。即能保持强韧性而又具有更高的抗压强度和耐磨性。GM钢制作的级进模，滚丝模和切边模等比用基体钢，Cr12MoV钢模具寿命有较大的提高［提高2-6倍以上］。ER5钢，此钢的含碳量和合金度比前几种钢有所提高，ER5钢适用于制造大型重冲载模，精密冲模和冷镦模，制造电机的硅钢片冲模，其寿命为目前同类模具钢之最。（二）冷挤压模的选材冷挤压模承受很大的载荷和强烈的摩擦，要求凸模有足够的抗压，抗弯强度，抗疲劳，耐磨性等。常有和模具材料有Cr12MoV,Cr12Mo1V1,6542和基体钢等。铝合金冷挤压模可采用T7A～T10A,Cr12Cr12MoV,GCr15,9CrSi和CrWMn等钢制造。现在趋向于选用GD和012Al,LD,GM,ER5,65Nb,CG2等新钢种.冷挤压冲头承受较大的动载荷，为防止模具早期疲劳失效，应避免过大的应力集中，并应注意冲头的稳定性，冲头的长径比(L：D)不能过大，挤压钢件时，L：D=3：1，挤压铜及其合金L：D=5：1挤压铝及其合金L：D=10：1。当模具承受的应力超过材料的б0.2/2时，凹模需要加预应力环。（三）冷镦模的选材冷镦模冲头和凹模的受力与冷挤压模类似，即使加载速度大，冲击力的大小与坯料状况和冷镦机的工作特性有关。以往小批量生产选用T10A,9CrSi,60Si2Mn,PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建和高速钢，现在的趋向是选用LD,65Nb,CG2,GM和ER5.目前以LD,65Nb使用最多。（四）塑料成型模的选材塑料成型模的加工费用高，约占成本的75%材料费，仅占10%左右。因而塑料模更趋向于优先选用容易切削和抛光且在制造过程中能减少或消除热处理变形的材料。常用材料有20，20Cr,GCr15,12CrNiMo,Cr2,45,40Cr,CrWMn,5CrNiMo,Cr12Mov,T10和Cr13不锈钢.新型塑料模具钢主要分为两大类，一类属于易切削钢，另一类属于时效硬化钢，它是通过固溶处理----切削加工----时效硬化。1一般预硬型塑料模具钢。主要有：P20,7182易切预硬型塑料模具钢包括：5CrNiSCa,SM1和M2等3时效硬化型塑料模具钢3.1低Ni马氏体时效钢如06Ni6CrMoVTiAl,25CrNi3MoAl,3.2新型时效硬化钢如25CrNi3MoAl,3.3PMS等二、热作模具选材（一）、热锻模1.热锻模工作条件和性能要求：工作时承受多次很大的冲击力，要求模具具有高的强度，高的韧性，一定的耐磨性；型腔表面经常和1100-1200℃的合金接触而被加热，故要求模具在较高温度下，仍然保持较高的机械性能，高的回火稳定性；每经锻打使用一次后要水或油冷却，因此要求模具必须有良好的耐热龟裂性；高的淬透性和导热率；良好的工艺性和抗氧化性。2.热锻模选材以往使用5CrMnMo,5CrNiMo,5CrMnMo---------使用为小型锻模5CrNiMo----------使用为大型锻模由于缺少Ni资源，中小型模选H11和H13为好推荐：5Cr2NiMoVSi,45Cr2NiMoVSi,（二）、压铸模：压铸模工作条件：在高压力下工作，高热面及不断反复冷却加热，型腔磨损大，易化学变化。性能要求：高淬透性，足够好的高温机械性能，强度和硬度，耐磨性和冲击韧性，抗龟裂性，高的导热性，耐腐蚀性，及优良的加工性能，1、压铸模选材过去应用最广泛的压铸模是3Cr2W8V,现在选择H11和H13等钢制造。3Cr2W8V钢制作压铸模，抗热龟裂性差。2.性能对比：热稳定性是热作模具钢的重要性能指标，其热稳定性受钢中弥散析出的合金化合物的长大过程所制约，通过对加热保温时间与硬度降低关系的研究比较，排序如下：HD钢3C2W8VH135CrNiMo.PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建模具材料的选择方案§2模具材料的原材料控制模具钢制作的模具的性能必须通过严格的生产工艺来保证，对制作模具的原材料必须严格把关，防止模具因材料问题形成早期失效的热处理开裂等缺陷。模具的原材料的控制从下列几方面进行：模具种类常用型钢种新型钢种轻载T8AT10A,CrWMnGr15,Cr12Cr12MoVY15Y20Cr12Mo1V1(D2)GD,Cr5Mo1V(A2)Cr6WV.冷冲模重载9CrSi60Si2MnGDCr12Mo1V1LD,012AlER5冷挤压模Cr12MoV,Cr12Mo1V16542基体钢012AlLDGMER565NbCG2冷镦模T10,9CrSi60Si2MnCr12MoV4Cr5Mo1VLD65NbCG2GMER5.预硬钢3Cr2Mo(P20)4Cr2MnNiMo(718)易切钢5NiSCaSM1SM2塑料模2020CrGCr1512CrNiMoCr24540CrCrWMn5CrNiMoCr12MoVT10Cr13不锈钢时效硬化钢06Ni6CrMoVTiAl,25CrNi3MoAl,PMS,热锻模5CrMnMo5CrNiMo,5Cr2NiMoVSi45Cr2NiMoVSi5CrNiMo(大型模)H11H13HM1HD压铸模3Cr2W8VPH（析出硬化钢）(2Cr3Mo2NiVSi)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建、宏观检验化学成分对保证钢材的性能是决定性的，但成分合格，不能全面来说明钢材性能，由于钢材内部组织和成分的不均匀性，宏观检验在很大程度上补充了这方面的不足。宏观检测可以观察钢的结晶情况，钢的连续性的破坏和某些成分的不均匀性。标准《结构钢的低倍组织缺陷评级图》GB1979宏观缺陷：偏析疏松夹杂缩孔气泡白点裂缝折叠常见8种。图2-1Cr12MoV未热处理时工件上存在内裂纹，工件高度=60毫米。反面没有裂纹。2、显微组织的检测2.1、退火组织的评定退火的目的，降低钢的硬度，便于机加工，同时也为后续的热处理作组织准备碳素工具钢退火组织按GB1298第一级别评级图评定。2.2、碳化物不均匀性Cr12型莱氏体钢，组织中含有大量的共晶碳化物，碳化物不均匀性对使用性能产生非常重要的影响，所以对其碳化物的分布必须有严格的控制。按《钢的共晶碳化物不均匀性度评定法》GB/T14979(退火态)；合金冷作模具钢等按GB1299标准评定《合金工具钢技术条件》；热作模具钢的共晶碳化物的检测参照《高碳铬轴承钢》GB/T18254-2000第8级别图评定碳化物带状；按第9级别图评定碳化物液析。例如：Cr12原材料共晶碳化物图2-2材料及规格：Cr12，Ф160mm。1/2半经处,垂直于半径.共晶碳化物7级;PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建Φ110mm.共晶碳化物6级.不合格.在我们检测国产H13的圆钢材料时，其组织可见晶界链状碳化物，图2-4现场金相图按照《北美压铸协会H13退火显微组织判别图谱》的标准评定，大多不合格，希望通过锻造和热处理淬火前的预处理消除其缺陷。图2-5PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建页汪庆华编写图中黑色折线的右下方是不能接受的不合格组织；黑色折线的左上方是能接受的合格组织；点秋状组织。§3模具钢原材料的改锻一、锻造的目的：1、将锻加工成所要求的形状和大小，破坏铸态组织，焊合内部疏松，裂纹及气孔等，提高钢的致密性。晶碳化物，提高等向性二、Cr12型钢的锻造1锻造参数的优化；1.1锻造比Cr12型钢的铸态组织中有大量的M7C3和M23C6等复合碳化物，它们以树枝状，板条状，颗粒状聚集在晶界处形成网状共晶碳化物，为了使这些碳化物破碎和使细小碳化物均匀分布，在热加工过程中必须采用大的锻造比。实际生产中，锻造比按≥5控制，可使粗大的碳化物得到叫充分的破碎，钢材的共晶碳化物均匀度小于5级；图3-1所示；锻造比＜15时，共晶碳化物随锻造比的增加有较大的改善，锻造比＞时，共晶碳化物随锻造比的增加而改善不明显。经过多次镦粗和拔长之后，碳化物的分布可改善1.5-2级。图3-1锻造比对共晶碳化物的影响图3-2变形工艺对共晶碳化物的影响PDF文件使用p