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热加工类模具用钢的材料分析

热加工类模具用钢的材料分析
热加工模是工业产品生产中不可缺少的工艺方法之一。它主要用于制造业和加工业。它是和冲压、锻造、铸造成型机械,同时和塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料制品成型加工用的成形机械相配套,作为成形工具来使用的。
热加工模具属于精密机械产品,因为它主要由机械零件和机构组成,如成形工作零件(凸模、凹模),导向零件(导柱、导套等),支承零件(模座等),定位零件等;送料机构,抽芯机构,推料机构,检测与安全机构等。
为提高模具的质量,性能,精度和生产效率,缩短制造周期,其零、部件(又称模具组合),多由标准零、部件组成。所以,模具应属于标准化程度较高的产品。一副中小型冲模或塑料注射模,其构成的标准零、部件可达90%,其工时节约率可达25%~45%。

一、热加工用模模具的功能和作用
 现代产品生产中,热加工模具由于其加工效率高,互换性好,节约原材料,所以得到很广泛的应用。
现代工业产品的零件,广泛采用冲击、成型锻造、压铸成形、挤压成形、塑料注射或其他成形加工方法,和成形模具相配套,经单工序或多道成形工序,使材料或胚料成形加工成符合产品要求的零件,或成分精加工前的半成品件。如汽车覆盖件,须采用多副模具,进行冲孔、拉深、翻边、弯曲、切边、修边、整形等多道工序,成形加工为合格零件;电视机外壳洗衣机内桶是采用塑料注射方法,经一次注射成型为合格零件的;发动机的曲轴连杆是采用锻造成形模具,经滚锻和模锻成形加工为精密机械加工前的半成品胚件的。
高精度、高效率、长寿命的冲模、塑料注射成形模具,可成形加工几十万,甚至几千万产品零件,如一副硬质合金模具,可冲压硅钢片零件(E型片、电机定转子片)上亿件,称这类模具为大批量生产用模具。
适用于多品种、少批量或产品试制的模具有:组合冲模、快换冲模、叠层冲模或成型冲模,低熔点合金成型模具等,在现代加工业中,具有重要的经济价值,称这类模具为通用、经济模具。
电子、计算机、现代通信器材与设备,电器、仪器与仪表等工业产品的元器件或零、部件越来越趋于微型化、精密化,其零件机构设计中的槽、缝、孔尺寸要求在0.3mm以下,批量生产用模具要求很高。如高压开关中的多触点零件,宽度仅为10mm,却需冲孔、冲槽、弯曲、三层叠压等工序,模具需设计为70工位的精密级进行冲模。又如,BP机中零件尺寸及其微小,对模具的要求更高。这类微型冲件和塑件用的模具,以成为高技术模具或专利型模具。
 大型模具,重量在10t以上的已很常见,有些模具重量已达30t。如大型汽车覆盖件冲模,大型曲轴锻模,大尺寸电视机外壳用塑料注射模等重量都在10t以上。
随着现代化工业和科学技术的发展,模具的应用越来越广泛,其适应性也越来越强。已成为工业国家制造工艺水平的标志和独立的基础工业体系。
另外,采用模具进行成形加工,是少,无切削的主要工装,在大批、大量加工中,可使材料利用率达90%或以上。
  二、热加工模具分类及用途
  热加工模具的用途广泛,模具的种类繁多,科学的进行模具分类,对有计划的发展模具工业,系统的研究、开发模具生产技术,促进模具设计,制造技术的现代化,充分发挥模具的功能和作用;对研究、制订模具技术标准,提高模具标准化水平和专业化协作生产水平,提高模具生产效率,缩短模具的制造周期,都具有十分重要的意义。
总体上说热加工模具可分为三大类:金属板材料成型模具,如冲模等;金属体积成型模具,如锻(镦、挤压)模,压铸模等;非金属材料制品用成型模具,如塑料注射模和压缩模,橡胶制品,陶瓷制品用成型模具等。
  三、热加工模具材料的作用和地位
  随着模具工业的迅速发展,对模具的使用寿命、加工精度等提出了更高的要求。模具材料性能的好坏和使用寿命的长短,将直接影响加工产品的质量和生产的经济效益。而模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素,所以世界各国都在不断的研究和开发新型模具材料,改进模具的热处理工艺,选用适当的表面处理技术,合理的设计模具结构加强对模具的维护等措施,来稳定和提高模具的使用寿命,防止模具的早期失效。
模具材料的使用性能将直接影响模具的质量和使用寿命。模具材料的工艺性能将主要影响模具加工的难易程度、加工质量和生产成本。为此,应合理选择模具材料,改进热处理工艺和表面处理工艺,大力推广模具生产中的新材料、新工艺和新技术。

  四、热加工模具材料与模具寿命
  为了提高生产效率,提出毛胚精度和材料利用率,采用和发展少、无切削新工艺、新设备,对模具提出了向精密、多型腔、高寿命方向发展的要求,模具寿命的提高,最根本的办法是采用高性能的模具材料。尽管影响模具寿命的因素是多方面的,但模具材料的选用是一个很重要的因素。
60年代以来,我国研制出不少适合我国特点的新型高效模具钢,如热作模具钢中的3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、4CrMnSiMoV、4Cr2NiMoV、5Cr4Mo3SiMnVA1等,冷作模具钢中的6Cr4W3Mo2VNb、7Cr7Mo3V2Si、7CrSiMnMoV、6CrNiMnSiMoV等新钢种的采用,均获得提高模具寿命倍数的效果。如冷作模具钢选用6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)代替T10、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2等制作多工位冷镦机用的内六角凸模、十字槽光凸模、螺栓切边模、冷镦螺栓顶模、钢板弹簧冲孔凸模、螺栓平圆头冲模、圆环冷冲模等;热作模具钢选用3Cr3Mo3W2V(HM1)代替3Cr2W8V钢等制作轴承套圈的热冲压凸模和凹模、连杆辊锻成形模、小型机锻模等都显著提高了模具寿命,因此作为模具工作者包括模具设计人员,首要任务是正确选用并合理使用模具材料,以保证模具的正常使用寿命。
五:常用金属的线膨胀系数及收缩率
  线膨胀系数表示摄氏温度升高一度时单位材料的尺寸变化。表1是一些金属的线膨胀系数。
收缩率是指由热加工温度至室温这段温度区间内单位长度金属材料的尺寸变化,它与材料的线膨胀系数和热加工温度两者有关。
模膛设计时,需要考虑工件的收缩率,精密加工时还需考虑模具的热胀冷缩问题。
热加工时刚料的收缩率一般去1.2~1.5%,而对细长的杆类件,扁薄的工件,冷却快或打击次数多热加工温度低的工件收缩率取0.8~1.2%;带大头的长杆锻件,头部和杆部的冷缩塑料件一般取(0.3~0.5)%。铝合金为(0.8~1.0)%,镁合金为0.8%,钛合金为(0.5~0.7)%,铜合金为(1.0~1.3)%。


  表1金属的膨胀系数
  金属种类 Fe Al Mg Cu Ni Ti
  膨胀系数x10⒍(1/℃) 11.7 23.9 26 16.5 13.6 8.5


  六:常用金属的变形抗力
  金属的变形力σs也称真实应力或流动应力。对于理想塑性材料,变形抗力等于材料的屈服极限;对于塑性硬化材料,变形抗力等于考虑了变形硬化后的屈服极限。在热锻温度下,变形抗力还可以用强度极限σb表示。通常金属的变形抗力与材料的化学成分、组织、变形温度,应变速率及变形程度等有关,可表达如下
σs=σ(T,ε1,ε2,x)
式中 T——变形温度;
ε1——变形程度;
ε2——应变速率;
x——材料的物理化学性质。
通常变形抗力随温度的升高而降低,应变速率增大时,变形抗力增大,温度升高,这种现象越明显。变形程度对变形抗力的影响有两种情况,某些材料随变形程度增加,变形抗力不断增大;而有些材料,在某一温度下,在某一变形程度前,变形抗力随变形程度的增加而
增大,但超过该变形程度后,由于动态恢复和动态再结晶进行迅速,随变形程度增大时,变形抗力逐渐减小。一般地讲,当变形温度高于再结晶温度时,由于形变硬化的现象不明显,应变速率的影响大,变形程度的影响小;而变形温度低于再结晶温度时,变形程度的影响较大,应变速率的影响较小。

  举例说明:热锻模具钢的合理选用
  1、热锻模具钢的性能要求:
(1)高的冲击韧度和断裂韧度:对锤锻模具钢,冲击韧度应大于或等于30J/㎝2,冲击韧度是锻模钢的基本性能。为阻止或延缓裂纹扩展而导致模具断裂,还需要锻模钢必须具有高的断裂韧度。
(2)高的高温硬度及高温强度:为防止热锻模发生早期磨损及变形,模具钢应具有较高的高温硬度和高温强度。
(3)高的淬火性:热锻模尺寸较大,要求模具整个截面力学性能均匀一致,如果心部未淬透,则可能形成贝氏体或其他组织,导致模具早期断裂。
4)高的热疲劳抗力:若导热性好,热胀系数小,则热疲劳抗力高,可以延缓热疲劳裂纹的产生。
(5)较高的回火稳定性:防止模具在高温服役中被继续回火,导致硬度下降而影响耐磨性。
(6)良好的工艺性能及抗氧化性能。

  2、热锻模具用钢及合理选材:
重型机械厂或钢厂生产的其它锻模钢有:5CrNiTi、4SiMnMoV及5SiMnMoV、5CrNiW、5CrNiMoV等,国外进口锻模钢有55CrNiMoV6等。
机械压力机模块用钢钢号为:4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5MoSiV、4Cr3W2Vsi、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V,应用较好的其它钢号4Cr3Mo3W4VNb、2Cr3Mo3VNb、2Cr3Mo2NiVSi;国外进口锻模钢有YHD3等,压力机热锻的特点是成行速度慢,单件滞模时间长(约3~6s),因此,模腔表面温升高,瞬时温度可达约700℃。冷却及润滑条件较好时,温度可能偏低一些,但也会达到500℃左右,这也超过了5CrNiMo、5CrMnMo模块的回火温度,从而导致模具早期磨损,压塌等失效。因此,需要选用耐热性较高的高强韧性模具钢制作压力机模具。表2列出了锤锻模用钢的选择,可供选材参考。
表2 锤锻模用钢的选择
模具类型 钢的选用
小型 5CrMnMo、5CrNiTi、5SiMnMoV、4SiMnMoV、6SiMnMoV
中型 5CrMnMo、5CrNiTi、5SiMnMoV、4SiMnMoV、6SiMnMoV
大型 5CrNiMo、5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMoSiV
特大型 5CrNiMo、5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMoSiV
堆焊锤锻模 5Cr2MnMo
压力机锻模(大尺寸) 5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi

 通常中、小型压力机锻模可选用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV及3Cr—3Mo型热作模具钢、5Cr4W5Mo2V、4Cr3Mo3W4VNb钢等。目前应用较多的是:3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1钢。
对锤锻模尚有如下分类方法:
小型:吨位小于1t,高度小于275mm;
中型:吨位1~3t,高度275~325mm;
小型:吨位4~6t,高度325~375mm;
特大型:吨位大于6t,高度在375mm以上。
现就我公司所采用的热锻模材料分析如下: H13:化学成份(%) (国标GB1299—85)
e—0.32~0.45 Si—0.80~1.20 Mn—0.20~0.50
Cr—4.75~5.50 Mo—1.10~1.75 V—0.80~1.20
S、P≤0.03

 3Cr2W8V:属莱氏体钢,在高温下有较高的硬度,但其韧性和塑性较差,淬透性中等,截面厚度≤80mm可 淬透;此钢相变温度较高,耐热疲劳性良好。用于作高温、高应力但不受冲击载荷的凸模、凹模,如平锻机上的凹凸模、镶块、铜合金挤压模、压铸用模具;还可作高温下工作的热剪切刀等