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热挤压模及中、小型机锻模用钢与热处理

日期: 2022-05-02
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1、热挤压模及中、小型机锻模的工作条件与性能要求

   

热挤压模工作时,受到压应力、弯曲应力和脱模的拉应力作用。所受的冲击载荷比锤锻模小,但与炽热金属接触的时间比锤锻模长,工作温度较锤锻模高,挤压不同金属时温升也不同,最高可达800一85090。因急冷急热造成的热应力也大于锤锻模,摩擦也更为剧烈。热挤压模的主要失效形式是模腔过量塑性变形,反复加热冷却而引起的疲劳破坏、热磨损及表面氧化腐蚀。

   

中、小型机锻模的工作条件与热挤压模相近,所不同的是所受到的冲击载荷比热挤压模大。因此,中、小型机锻模的失效形式也与热挤压模相近。因而,要求热挤压模及中、小型机锻模具有较锤锻模更高的耐热疲劳性、热稳定性和良好的耐磨性,以及较高的高温强度和足够的韧性。

   

2、热挤压模及中、小型机锻模用钢

   

常用的热挤压模具及中、小型机锻模用钢为钨系热作模具钢和铬系热作模具钢,还有铬钥系、钨铝系和铬铂钨系等新型的热作模具钢以及基体钢等。

   

(1)钨系热作模具钢这类钢的代表性钢种为传统的3Cr2W8V钢,由于其耐热疲劳性较差,在热挤压模方面的应用将会逐渐减少,但在压铸模方面的应用较多,故在压铸模用钢中对其作详细介绍。

 

(2)铬系热作模具钢铬系热作模具钢的代表性钢种有4Cr5MoSiV,4Cr5MoSiV1和4Cr5 W2VSi。前两种相当于美国的H11和H13钢,4Cr5W2VSi则由4Cr5MoSiV钢演变而来,由。w二2%代替二Mo=1%O。这三种钢碳的质量分数均为5%左右,属于中碳中铬钢。

   

这类钢的共同特性是:


①因含铬量较多,具有较高的淬透性,如厚度为150mm的4Cr5MoSiV1钢件可油冷淬透。而且这类钢的过冷奥氏体在400一600℃之间具有很高的稳定性,可长时间保温而不转变,因而适合于分级淬火。


②耐热疲劳性较好,这是因为铬、硅提高了钢的抗氧化性,所以铬系钢较能适应急冷急热的工作条件。


③回火稳定性较高,如4Cr5MoSiV, 4Cr5W2VSi钢的淬火硬度分别在1070℃和1200℃左右淬火时达到最大值。然后回火,其硬度随回火温度升高而几乎保持不变,并在500一550℃出现二次硬化峰值,以后则迅速下降。


④与钨系热作模具钢相比,有较高的韧性,但高温强度不足,耐热性稍差,工作温度一般不超过6501


⑤这类钢所含碳化物种类及数量大致相同.因而过热敏感性也大致相同。


⑥铬系热作模具钢热塑性较高,变形抗力小,锻造开裂倾向性较小,但锻造温度范围稍窄,必须严格控制锻打温度。

   

(3)铬钥系钢及铬钨钥系钢这类钢包括4Cr3Mo3SiV(H10)、3Cr3Mo3VNb(HM3)、3Cr3Mo3W2V(HMI)、5Cr4W5Mo2V(RM2)、4Cr3 Mo3 W4 VNb(GR)等。

   

下面简要介绍部分钢种的性能特点与应用

   

1)3Cr3 Mo3 VNb(HM3)钢:此钢特点是含碳量较低,并加人少量钥,故具有较高的耐热疲劳性和强韧性,回火稳定性好,其他工艺性能也均优异。适于制造强烈水冷的压力机成形模、辊锻模、小型锤锻模等,其工作寿命明显高于5CrNiMo,4Cr5W2VSi, 3Cr2W8V钢制造的模具。

   

2) 5Cr4W5Mo2V (RM2)钢:该钢碳的质量分数为0.5%左右,合金元素总质量分数为12%,使用状态含碳化物较多,其中以M6C为主。因此,该钢具有较高的回火抗力及热稳定性,在硬度50HRC时的热稳定性可达700cC,抗磨损性能也好。适于制作小截面热挤、高速锻模及辊锻模具。

   

3) 4Cr3Mo2W4VTiNb (GR)钢:该钢是在钨钥系热作模具钢中加人少量妮,而获得高回火稳定性和高的热强性。其耐热疲劳性、热稳定性、耐磨性及高温强度明显高于3Cr2W8V钢。该钢经1160一1200℃油淬,630一600℃回火2次,每次lh的处理,其硬度可达50一55HRC,抗拉强度可达188OMPa,冲击韧度为17J/cm2。该钢的淬透性、冷热加工性均好,适于制造热徽、精锻、高速锻等热锻模具。

   

4)基体钢基体钢中有多个钢种可以兼作冷作模具用钢和热作模具用钢,如6W8Cr4VTi (LM1 ), 6Cr5Mo3W2VSiTi (LM2)和6Cr4Mo3Ni2WV (CG-2)等,其中5Cr4Mo3SiMnVAI (012A1)钢较多地用于热挤压模具,如轴承热挤压冲头、传动杆热徽模等,其使用寿命比传统热作模具钢3Cr2W8V有较大幅度的提高。

   

3.热挤压模具及中、小型机锻模的材料选用

   

选择热挤压模具加工材料时,主要应根据被挤压金属的种类及其挤压温度来决定,其次也应考虑到挤压比、挤压速度和润滑条件等因素,以提高模具的使用寿命。表3一所示为热挤压模具加工材料的选用情况。中、小型机锻模具的选材主要考虑锻压材料种类和生产批量,其次也要考虑模具尺寸、变形速度和润滑条件对模具寿命的影响。

   

4.热挤压模及中、小机锻模的热处理

   

这类模具的制造工艺路线一般为:下料*锻造、预先热处理*机械加工成形,淬、回火、精加工。

   

下面分析各热加工工序的工艺特点。

   

(1)锻造工艺热挤压模及中、小机锻模用钢多为高合金钢,所以模坯需经良好的锻造,尤其是含铝的热作模具钢,要注意锻造加热温度和保温时间的控制,以避免严重脱碳导致模具早期失效。

   

(2)预备热处理

   

1)退火。热挤压模具中、小机锻模的退火工艺主要在于正确地选择退火温度,保持充分的保温时间,并以合适的冷却速度冷却。另外,为了确保良好的耐磨性,在淬火后需保留一定数量的碳化物,由于碳化物的形状对钢的韧性有很大影响,因此还应注意退火后的碳化物形状。一般希望获得圆而细小的碳化物。

   

2)高温调质。为了使锻后毛坯的力学性能(特别是断裂韧度)得到改善,常常采用锻后调质的方法进行毛坯的预处理。此种热处理方法是将锻后的模具毛坯加热到高温淬火,再经高温回火。


经此处理,可使碳化物均匀分布,且形状圆而细小,不仅改善了钢的性能,而且还缩短了预处理周期。调质处理的淬火加热温度可根据不同的钢种而定,如3Cr3Mo3 W2V钢为120090,同常规淬火温度相近。高温回火温度一般在700一750℃之间。

   

3)锻后正火。对于锻后出现明显沿晶链状碳化物的模坯,须正火予以消除后再进行球化退火。因为这种链状碳化物直接退火是难以消除的。

   

4)淬、回火对于常用热挤压模具钢及中、小机锻模用钢,选择淬火温度时,主要考虑的是奥氏体晶粒尺寸的大小和冲击韧度的高低,其次还要考虑模具的工作条件、结构形状、失效形式对性能的要求。

   

对于悴火保温时间的选择,主要考虑要能完成组织转变,使碳及合金元素充分固溶,以保证获得高的回火抗力及热硬性。淬火保温时间系数一般盐浴炉取0.5一1 min/mm,尺寸愈小系数愈大。

   

热挤压模具钢及中、小机锻模用钢属于高合金钢,淬透性较好,淬火冷却可采用油冷,也可采用空冷。对要求变形小的模具还可采用等温淬火或分级淬火。回火工艺的正确与否,对模具的失效形式有很重要的作用。选择回火温度的原则是,在不影响模具抗脆断能力的前提下,尽可能提高模具的硬度,这需要根据模具的具体失效形式来确定回火参数。淬火后的模具都应尽快进行回火,特别是形状复杂的模具,当模面温度低于80℃时,回火就得进行。为了避免残留应力的产生,在回火加热和冷却时都应缓慢进行。回火一般进行两次,回火时间可按3min/mm计算,但不应低于2h。第二次回火温度可比第一次低10一20CC。


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