一、冷作模具钢
冷模具钢包括冲裁模具(落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀)、冷轧模具和冷挤压模具、压弯模具和拉丝模具。
1.冷作模具钢的工作条件和性能要求冷模具钢在工作时。由于加工材料的变形阻力相对较大,模具的工作部分承受较大的压力、弯曲力、冲击力和摩擦力。因此,冷模具的正常报废通常是磨损。也有因断裂、坍塌和变形过差而提前失效的。 冷模具钢与刀具钢相比有许多共同点。模具需要高硬度和耐磨性、高弯曲强度和足够的韧性,以确保冲压过程的顺利进行。不同之处在于模具的形状和加工工艺复杂。而且摩擦面积大,磨损可能性大,难以磨损。因此,它需要更高的耐磨性。模具工作时冲压大,由于形状复杂,容易产生应力集中,韧性高;模具尺寸大,形状复杂。因此,它需要、更小的变形和开裂倾向。简而言之,冷模具钢在淬火、耐磨、韧性等方面的要求高于刀具钢。但在红色硬度要求较低或基本不要求(因为是冷形成),因此也形成了一些适合冷模具的钢,如高耐磨、微变形冷模具钢、高韧性冷模具钢等。
2、钢种选择根据冷模的使用条件,钢种的选择可分为以下四种情况: (1)尺寸小、形状简单、负荷轻的冷模。比如小冲头、剪钢板的剪刀等。T7A、T8A、T10A、T12A等碳工具钢制造。这种钢的优点是可加工性好,价格便宜,来源容易。但其缺点是淬火性低、耐磨性差、淬火变形大。因此,只适用于制造一些尺寸小、形状简单、负荷轻、硬化层不深、韧性高的冷模具。 (2)冷作模具尺寸大,形状复杂,负荷轻。常用的钢种有9种SiCr、CrWMn、GCr15及9Mn2V等低合金刃钢。这些钢在油中的淬透直径一般可达40mm以上。其中9Mn2V钢是近年来我国发展的一种Cr冷作模具用钢可替代或部分替代Cr的钢。 9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向比CrWMn钢小,脱碳倾向性比9SiCr钢小,淬透性大于碳工具钢。它的价格只比后者高30%左右,所以是一种值得推广的钢种。Mn2V钢材在生产和使用中也存在一些缺点,如冲击韧性低、此外,回火稳定性差,回火温度一般不超过180℃在200℃回火时,抗弯强度和韧性开始出现低值。 9Mn2V钢可以在冷却能力相对较低的淬火介质中淬火,如硝酸盐和热油。对于一些变形要求严格、硬度要求低的模具,可采用奥氏体等温淬火。 (3)冷作模具尺寸大,形状复杂,负荷重。必须使用中合金或高合金钢,如Cr12Mo、Crl2MoV、 Cr6WV、Cr4W2MoV此外,还有高速钢。 近年来,使用高速钢制冷模具的趋势越来越大,但应该指出的是,它不再利用高速钢独特的红硬优势。它具有高淬火性和高耐磨性。因此,在热处理过程中也应存在差异。 高速钢制冷模具应采用低温淬火,以提高韧性。W18Cr4V钢制刀具常用的淬火温度为1280-1290℃。制作冷模时,应使用1190℃低温淬火。又如W6Mo5Cr4V2.采用低温淬火后,寿命可大大提高,尤其是折损率明显降低。 〔4)刀间受冲击负荷和薄的冷作模具。如上所述,前三种冷作模钢的使用性能要求主要是高耐磨性,因此均采用高碳过分析钢甚至莱氏体钢。对于一些冷作模具,如切边楼、冲裁模等,对口较薄,使用时受冲击负荷影响,冲击韧性要求较高。为解决这一矛盾,可采取以下措施①减少合碳量。采用亚共析钢,避免一次和二次碳化物导致钢韧性下降;②加入Si、Cr等合金元素。提高钢的回火稳定性和回火温度(240-270℃回火)有利于在不降低硬度的情况下充分消除淬火应力,提高性能;②加入W形成难熔碳化物的元素可以细化晶粒,提高韧性。常用的高韧性冷模具钢有6种SiCr、4CrW2Si、5CrW2Si等。
3.充分发挥冷作模具钢性能潜力的途径在用Cr当12型钢或高速钢制成冷模具时,一个突出的问题是钢的脆性大,使用时容易开裂。因此,碳化物必须通过充分锻造来细化。此外,还应开发新的钢种。新钢种发展的重点应该是降低钢的碳含量和碳化物形成元素的数量。 Cr4W2MoV钢具有硬度高、耐磨性高、淬火性好等优点。并具有良好的回火稳定性和综合力学性能。用于制造硅钢板冲压模具。它可以使用寿命比Cr12MoV钢提高1~3倍以上。但钢锻温区范围狭窄,锻造易开裂。锻造温度和操作规范应严格控制。
Cr2Mn2SiWMoV钢淬火温度低,淬火变形小,淬火性高。
7W7Cr4MoV钢可代W18Cr4V和Cr12MoV钢的特点是碳化物的不均匀性和韧性大大提高。
二、热作模具钢
1.热作模具的工作条件
热模具包括锤锻模具、热挤压模具和压铸模具。如前所述,热模工作条件的主要特点是与热金属接触,这是与冷模工作条件的主要区别。因此,它将带来以下两个问题: (1)模腔表面的金属被加热。通常锤锻工作时,模腔表面温度可达300~400℃以上热挤压模可达500一800℃以上;压铸模腔温度与压铸材料的类型和浇筑温度有关。如果压铸黑色金属,模腔温度可达1万℃以上。如此高的使用温度会显著降低模具腔的表面硬度和强度,在使用过程中容易折叠。因此,热模钢的基本使用性能要求是热塑性抗力高,包括高温硬度、高温强度和高热塑性变抗力,实际上反映了钢的高回火稳定性。这是热模钢合金化的第一种方法,即添加Cr、W、Si等合金元素能提高钢的回火稳定性。 (2)模腔表层金属产生热疲劳(龟裂)。热模的工作特点是具有间歇性.每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。因此.热模的工作状态是反复受热和冷却,从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩,即反复承受拉压应力作用.其结果引起模腔表面出现龟裂,称为热疲劳现象,由此,对热模具钢提出了第二个基本使用性能要求.即具有高的热疲劳抗力。
一般来说,影响钢热疲劳抗力的主要因素有: ①钢的导热性。钢的高导热性可以降低模具表面金属的加热程度,从而降低钢的热疲劳倾向。一般认为钢的导热性与碳含量有关,碳含量高时导热性低,因此高碳钢不应用于热模钢。碳钢通常用于生产(C0.3%5~0.6%)合碳量过低,会降低钢的硬度和强度。也不利。 ②钢的临界点影响。通常,钢的临界点(Acl)钢的热疲劳倾向越低。因此,通常添加合金元素Cr、W、Si、提高钢的临界点。从而提高钢的热疲劳抗力。
2.常用热作模具钢
(1)锤锻模钢。一般来说,锤锻模钢有两个突出的问题。一是工作时受冲击负荷影响。因此,钢的力学性能要求较高,特别是塑变抗力和韧性要求较高;二是锤锻模截面尺寸大(400mm)因此,钢的淬透性要求较高,以确保整个模具的组织和性能均匀。 锤锻模常用钢有5种CrNiMo、 5CrMnMo、 5CrNiW、 5CrNiTi及5CrMnMoSiV等等。不同类型的锤眼模具应选择不同的材料。特大型或大型锤锻模5CrNiMo为好.也可以用5CrNiTi、5CrNiW或5CrMnMoSi等等。中小型锤锻模型通常选择5CrMnMo钢。 (2)热挤压模具用钢,其工作特点是加载速度慢。因此,模腔的加热温度较高,通常可达500-800℃。这种钢的使用性能要求主要是高温强度(即高回火稳定性)和高耐热疲劳性。ak淬透性要求可适当降低。一般热挤压模尺寸较小,通常小于 70~90 mm。 常用的热挤压模有4CrW2Si、3Cr2W8V及5%Cr类型等热模具钢。CrW2Si可制作冷模具钢和热模具钢。由于用途不同,可采用不同的热处理方法。冷模时淬火温度低(870-900℃)低温或中温回火处理;热模时淬火温度较高(一般为950-1000℃)高温回火处理。 (3)压铸模具钢。一般来说,压铸模具钢的性能要求与热挤压模具钢相似,即回火稳定性高,热疲劳抗力高。因此,通常选择的钢类型一般与热挤压模具钢相同。如果通常使用4CrW2Si和3Cr2W8V等钢。但与低熔点不同。Zn合金压铸模可选40Cr、30CrMnSi及40CrMo等;对Al和Mg合金压铸模可选择4CrW2Si、4Cr5MoSiV 等对Cu合金压铸模多采用3Cr2W8V钢。 近年来,随着黑色金属压铸工艺的应用,高熔点铝合金和镍合金被广泛使用。Cr2W8V钢进行Cr-Al-SI用于制造黑色金属压铸模具的三元共渗。最近国内外都在试验用高强度铜合金作为黑色金属的压铸模材料。
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