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热作模具钢及其热处理

发布者:重庆鼎星渗氮表面处理有限公司 发布时间:2018-2-5 13:36:59 阅读:次 【字体:

  热作模具材料按用途不同,可分为热锻模用钢、热挤压模用钢、压铸模用钢、热冲裁模用钢等;按耐热性不同可将热作模具材料分为低耐热性用钢(350~370℃)、中耐热性用钢(550~600℃)、高耐热性用钢(580~650℃);按合金元素分类可以分为钨系热作模具钢、铬系热作模具钢、铬钼系及铬钨钼系热作模具钢等;特殊要求的热作模具有时采用高温合金和难熔合金制造。

  国家标准GB 1299—85《合金工具钢技术条件》列入了12个热作模具钢钢号,主要分为三类“一类是原用老钢种,如5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等;一类是国内自行研制的新钢种,如5Cr4Mo3SiMoVA1、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、4Cr5MoSiV等;另一类是引进国外通用钢种,如4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5W2VSi(W2)等。

  大部分的热作模具钢的含碳量在0.3%~0.6%之间,在组织上属于亚共析钢,但也有少部分热作模具钢因在钢种加入较多的钨、铝、钒等合金元素,成为共析或过共析钢,如3Cr2W8V、5Cr4Mo2W2VSi、5Cr4WMo2V等热作模具钢,对于高温用压铸模,热挤压模常采用奥氏体系耐热钢

  锻件热处理的影响因素

  锻造生产中,除了必须保证锻件所要求的形状和尺寸外,还必须满足零件在使用过程中所提出的性能要求,采用合理的锻造工艺和工艺参数,可以通过下列几方面来改善原材料的组织和性能:

  (1)打碎柱状晶,改善宏观偏析,把铸态组织变为锻态组织,并在合适的温度和应力条件下,焊合内部空隙,提高材料的致密度;

  (2) 铸锭经过锻造形成纤维组织,进一步通过轧制、挤压、模锻,使锻件得到合理的纤维方向分布;

  (3) 控制晶粒的大小和均匀度;

  (4) 改善第二相(例如莱氏体刚中的合金碳化物)的分布;

  (5) 使组织得到形变强化或形变-相变强化等。

  由于上述组织的改善,使锻件的塑性、冲击韧度、疲劳强度及持久性能等也随之得到了提高,然后通过零件的最后热处理就能得到零件所要求的硬度、强度和塑性等良好的综合性能。

  如果所采用的锻造工艺不合理,则可能产生锻件缺陷,包括表面缺陷、内部缺陷或性能不合格等,会影响后续工序的加工质量,有的则严重影响锻件的性能,降低做制成品件的使用寿命,甚至危及安全。

  锻件组织对最终热处理后的组织和性能的影响主要表现在以下几方面:

  (1)不可改善的组织缺陷:奥氏体和铁素体耐热不锈钢、高温合金、铝合金、镁合金等在加热和冷却过程中,没有同素异构转变的材料,以及一些铜合金和钛合金等,在锻造过程中产生的组织缺陷用热处理的办法不能改善。

  (2)可以得到改善的组织缺陷:在一般过热的结构钢锻件中的粗晶和魏氏组织,过共析钢和轴承钢由于冷却不当引起的轻微的网状碳化物等在锻后热处理时,锻件最终热处理后仍可获得满意的组织和性能。

  (3) 正常的热处理较难消除的组织缺陷:例如低倍粗晶、9Cr18不锈钢、H13的孪晶碳化物等需用高温正火、反复正火、低温分解、高温扩散退火等措施才能得到改善。

  (4)用一般热处理工艺不能消除的组织缺陷:严重的石状断口和棱面断口、过烧、不锈钢中的铁素体带、莱氏体合金工具钢中的碳化物网和带等使最终热处理后的锻件性能下降,甚至不合格。

  (5)在最终热处理时将会进一步发展的组织缺陷:例如,合金结构钢锻件中的粗晶组织,如果锻后热处理时未得到改善,在碳、氮共渗和淬火后常引起马氏体针粗大和性能不合格;高速钢中的粗大带状碳化物,淬火时常引起开裂。

  (6) 如果加热不当,例如加热温度过高和加热时间过长,将会引起脱碳、过热、过烧等缺陷。

  (7)锻后冷却过程中,如果工艺不当可能引起冷却裂纹、白点等,在热处理过程中开裂。

  切削加工对热处理工件的质量影响有哪些?

  (1)在工件调质、退火、正火状态下,硬度低于45HRC,切削加工对工件的质量包括表面光洁度、残余应力、加工余量、表面脱碳贫碳层得去除等,影响均不明显,不至于造成工件潜在性能的变化。

  (2)对工件淬硬的钢或工件加工,又称为硬态加工,工件硬度高达50~65HRC,材料主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧锟钢及高速钢等,切削加工的影响就较明显,切削加工过程中切削热的产生和传导、高速摩擦和磨损等因素都会对已加工表面造成一定程度的破坏。硬态切削已加工表面的完整性内容主要包括表层组织形态以及硬度、表面粗糙度、尺寸精度、残余应力的分布和白层的产生。

  已加工表面硬度随切削速度的提高而增加,随进给量得切削量得增大而降低。而且已加工表面硬度越高,硬化层深度越大。结果显示,硬态切削后工件表面均匀残余压应力,而磨削后工件的最大压应力主要集中在工件表面。

  刀具钝角半径越大,残余压应力值越大;工件硬度越高,残余压应力值越大。工件硬度对工件表面完整性的影响极大,工件硬度值越大,越有利于残余压应力的形成。

  影响硬态切削已加工表面质量的另一个重要因素是白层的形成。白层是伴随着硬态切削过程所形成的一种组织形态,它具有独特的磨损特性:一方面硬度高,耐蚀性好;另一方面又表现出较高脆性,易引起早起剥落失效,甚至形成工件加工之后放置一个阶段后开裂。在高刚性数控车床上采用陶瓷和PCBN刀具切削淬硬AISIE52100轴承钢时发现:工件表层和亚表层的组织状态发生变化,其微观组织由白色的未回火层和黑色的过回火层组成。

  目前将白层视为马氏体组织的观点得到一致认可,主要争议在于白层的精细结构。一种观点认为白层是相变的结果,是由材料在切削过程中被快速加热和骤然冷却而形成的晶粒细小的细晶马氏体组成。另一种观点认为白层的形成仅术语变形机制,只是由塑性变形而得到的非常规型马氏体。

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