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冷作模具鋼與熱作模具鋼成分區別
    
一、冷作模具鋼
冷作模具鋼包括製造沖截用的模具(落料沖孔模、修邊模、沖頭、剪刀)、冷鐓模和冷擠壓模、壓彎模及拉絲模等
1. 冷作模具鋼的工作條件及性能要求
冷作模具鋼在工作時.由於被加工材料的變形抗力比較大,模具的工作部分承受很大的壓力、彎曲力、衝擊力及摩擦力。因此,冷作模具的正常報廢原因一般是磨損.也有因斷裂、崩力和變形超差而提前失效的。
冷作模具鋼與刃具鋼相比.有許多共同點。要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗彎強度和足夠的韌性,以保證衝壓過程的順利進行、其不同之處在於模具形狀及加 I 工藝複雜.而且摩擦面積大.磨損可能性大.所以修磨起來困難。因此要求具有更高的耐磨化模具工作時承受衝壓力大.又由於形狀複雜易於産生應力集中,所以要求具有較高的韌性;模具尺寸大、形狀複雜.所以要求較高的淬透性、較小的變形及開裂傾向性。總之,冷作模具鋼在淬透性、耐磨性與韌性等方面的要求要較刃具鋼高一些.而在紅硬性方面卻要求較低或基本上沒要求(因爲是冷態成形),所以也相應形成了一些適於做冷作模具用的鋼種,例如,發展了高耐磨、微變形冷作模具用鋼及高韌性冷作模具用鋼等。下面結合有關鋼種選用進一步說明。
2. 鋼種選擇
通常接冷作模具的使用條件,可以將鋼種選擇分爲以下四種情況:
( 1 )尺寸小、形狀簡單、輕負荷的冷作模具。例如.小沖頭,剪落鋼板的剪刀等可選用 T7A 、 T8A 、 T10A 、 T12A 等碳素工具鋼製造。這類鋼的優點是;可加工性好、價格便宜、來源容易。但其缺點是:淬透性低、耐磨性差、淬火變形大。因此,只適於製造一些尺寸小、形狀簡單、輕負荷的工具以及要求硬化層不深並保持高韌性的冷像模等。
( 2 )尺寸大、形狀複雜、輕負荷的冷作模具。常用的鋼種有 9SiCr 、 CrWMn 、 GCr15 及 9Mn2V 等低合金刃具鋼。這些鋼在油中的淬透直徑大體上可達 40mm 以上。其中 9Mn2V 鋼是我國近年來發展的一種不含 Cr 的冷作模具用鋼.可代替或部分代替含 Cr 的鋼。
9Mn2V 鋼的碳化物不均勻性和淬火開裂傾向性比 CrWMn 鋼小、脫碳傾向性比 9SiCr 鋼小,而淬透性比碳素工具鋼大.其價格只比後者高約 30 %因此是一個值得推廣使用的鋼種。
但 9Mn2V 鋼也存在一些缺點如衝擊韌性不高,在生産使用中發現有碎裂現象.另外回火穩定性較差,回火溫度一般不超過 180 ℃在 200 ℃回火時抗彎強度及韌性開始出現低值。
9Mn2V 鋼可在硝鹽、熱油等冷卻能力較爲緩和的淬火介質中淬火。對於一些變形要求嚴格而硬度要求又不很高的模具,可採用奧氏體等溫淬火。
( 3 )尺寸大、形狀複雜重負荷的冷作模具。須採用中合金或高合金鋼.如 Cr12Mo 、 Crl2MoV 、 Cr6WV Cr4W2MoV 等,另外也有選用高速鋼的。
近年來用高速鋼做冷作模具的傾向巴日趨增大、但應指出,此時已不再是利用高速鋼所特有的紅硬性長處.而用它的高淬透性和高耐磨性。爲此.在熱處理工藝上也應有所區別。
選用高速鋼做冷模具時.應採用低溫淬火.以提高韌性。例如 W18Cr4V 鋼做刃具時常用的淬火溫度爲 1280-1290 ℃。而做冷作模具時,則應採用 1190 ℃的低溫淬火。又如 W6Mo5Cr4V2 鋼.採用低溫淬火後可使壽命大大提高、特別是顯著減少了折損率。
〔 4) 受衝擊負荷且刀間單薄的冷作模具。如上所述.前三類冷作模具用鋼的使用性能要求均以高耐磨性爲主爲此均採用高碳過共析鋼乃至榮氏體鋼。而對有的冷作模具加切邊樓、沖裁模等.其對口單薄.使用時又受衝擊負荷作用則應以要求高的衝擊韌性爲主。爲了解決這一矛盾.可採取以下措施.①降低合碳量.採用亞共折鋼.以避免由於一次及二次碳化物而引起鋼的韌性下降;②加入 Si .、 Cr 等合金元素.以提高鋼的回火穩定性和回火溫度( 240 一 270 ℃回火)這樣有利於充分消除淬火應力使嘰提高.而又不致降低硬度;②加入 W 等形成難熔碳化物的元素以細化晶粒、提高韌性。常用的高韌性冷作模具用鋼有 6SiCr 、 4CrW2Si ;、 5CrW2Si 等。
3. 充分發揮冷作模具鋼性能潛力的途徑
在用 Cr12 型鋼或高速鋼做冷作模具時,一個很突出的問題是鋼的脆性大.使用中易開裂。爲此,必須用充分鍛打的方法細化碳化物.除此之外應發展新鋼種。發展新鋼種的著眼點,應是降低鋼的含碳量及碳化物形成元素的數量。近年來國內研製並推廣以下幾種新鋼種、如表 4.11 所示。
Cr4W2MoV 鋼具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等優點.並具有較好的回火穩定性及綜合力學性能.用幹製造矽鋼片沖模等.可使壽命比 Cr12MoV 鋼提高 1~3 倍以上但此鋼鍛造溫區範圍較窄,鍛造河縣開裂.應嚴格控制鍛造溫度和操作規認 Cr2Mn2SiWMoV 鋼淬火溫度低、淬火變形小、淬透性高.有空淬微變形模具鋼之稱 7W7Cr4MoV 鋼可代 W18Cr4V 和 Cr12MoV 鋼.其特點是鋼的碳化物不均勻性和韌性得到很大的改善。
二、熱作模具鋼
1. 熱作模具的工作條件
熱作模具包括錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模三類。如前所述.熱作模具工作條件的主要特點是與熱態金屬相接觸、這是與冷作模具工作條件的主要區別。因此會帶來以下兩方面的問題:
(l) 模腔表層金屬受熱。通常錘鍛模工作時.其模腔表面溫度可達 300~400 ℃以上熱擠壓模可達 500 一 800 ℃以上;壓鑄模模腔溫度與壓鑄材料種類及澆注溫度有關。如壓鑄黑色金屬時模腔溫度可達 1000 ℃以上。這樣高的使用溫度會使模腔表面硬度和強度顯著降低,在使用中易發生打垛。爲此.對熱模具鋼的基本使用性能要求是熱塑變抗力高,包括高溫硬度和高溫強度、高的熱塑變抗力,實際上反映了鋼的高回火穩定性。由此便可以找到熱模具鋼合金化的第一種途徑,即加入 Cr 、 W 、 Si .等合金元素可以提高鋼的回火穩定性。
(2) 模腔表層金屬産生熱疲勞(龜裂)。熱模的工作特點是具有間歇性.每次使熱態金屬成形後都要用水、油、空氣等介質冷卻模腔的表面。因此.熱模的工作狀態是反復受熱和冷卻,從而使模腔表層金屬産生反復的熱脹冷縮,即反復承受拉壓應力作用.其結果引起模腔表面出現龜裂,稱爲熱疲勞現象,由此,對熱模具鋼提出了第二個基本使用性能要求.即具有高的熱疲勞抗力。一般說來,影響鋼的熱疲勞抗力的因素主要有:
① 鋼的導熱性。鋼的導熱性高,可使模具表層金屬受熱程度降低,從而減小鋼的熱疲勞傾向性。一般認爲鋼的導熱性與合碳量有關,含碳量高時導熱性低,所以熱作模具鋼不宜採用高碳鋼。在生産中通常採用中碳鋼( C0.3%5~0.6% )合碳量過低.會導致鋼的硬度和強度下降.也是不利的。
② 鋼的臨界點影響。通常鋼的臨界點( Acl )越高.鋼的熱疲勞傾向性越低。因此.一般通過加入合金元素 Cr 、 W 、 Si 、引來提高鋼的臨界點。從而提高鋼的熱疲勞抗力。
2. 常用熱作模具用鋼
(1) 錘鍛模用鋼。一般說來,錘鍛模用鋼有兩個問題比較突出一是工作時受衝擊負荷作用.故對鋼的力學性能要求較高,特別是對塑變抗力及韌性要求較高;二是錘鍛模的截面尺寸較大(< 400mm )故對鋼的淬透性要求較高,以保證整個模具組織和性能均勻。
常用錘鍛樓用鋼有 5CrNiMo 、 5CrMnMo 、 5CrNiW 、 5CrNiTi 及 5CrMnMoSiV 等。不同類型的錘眼模應選用不同的材料。對特大型或大型的錘鍛模以 5CrNiMo 爲好.也可採用 5CrNiTi 、 5CrNiW 或 5CrMnMoSi 等。對中小型的錘鍛模通常選用 5CrMnMO 鋼。
(2) 熱擠壓模用鋼,熱擠壓模的工作特點是載入速度較慢,因此,模腔受熱溫度較高,通常可達 500 一 800 ℃。對這類鋼的使用性能要求應以高的高溫強度 ( 即高的回火穩定性)和高的耐熱疲勞性能爲主。對 ak 及淬透性的要求可適當放低。一般的熱擠壓模尺寸較小,常小於 70~90 mm 。
常用的熱擠壓模有 4CrW2Si 、 3Cr2W8V 及 5 % Cr 型等熱作模具鋼.其化學成分如表 4.16 所示。
其中 4CrW2Si .既可做冷作模具鋼,又可做熱作模具鋼.由於用途不同,可採用不同熱處理方法。作冷模時採用較低的淬火溫度( 870 — 900 ℃)及低溫或中溫回火處理;作熱模時則採用較高的淬火溫度(一般爲 950 一 1000 ℃)及高溫回火處理。
(3) 壓鑄模用鋼。從總體上看,壓鑄模用鋼的使用性能要求與熱擠壓模用鋼相近,即以要求高的回火穩定性與高的熱疲勞抗力爲主。所以通常所選用的鋼種大體上與熱擠模用鋼相同.如常採用 4CrW2Si .和 3Cr2W8V 等鋼。但又有所不同如對熔點較低 Zn 合金壓鑄模.可選用 40Cr 、 30CrMnSi 及 40CrMo 等;對 Al 和 Mg 合金壓鑄模,可選用 4CrW2Si 、 4Cr5MoSiV 等對 Cu 合金壓鑄模.多採用 3Cr2W8V 鋼。
近年來.隨著黑色金屬壓鑄工藝的應用,多採用高熔點的鋁合金和鎳合金.或者對 3Cr2W8V 鋼進行 Cr-Al-SI 三元共滲,用以製造黑色金屬壓鑄模。最近國內外還正在試驗採用高強度的銅合金作黑色金屬的壓鑄模材料。

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