模具材料與熱處理 教學(xué)課件 吳光明 第三章

在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：://教材其余課件及動(dòng)畫(huà)素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187

或者直接輸入下面地址：第三章主編2.大型拉深凹模的熱處理圖2-3大型拉深凹模的外形尺寸

1—凸模2—凸模壓板座3—凸模壓料板4—凹模5—凹模座6—退料柱7—工件如圖2-3所示為大型拉深凹模的外形尺寸，它裝在200t的摩擦壓力機(jī)上，將3mm厚平鋼板一次拉深成內(nèi)徑?314mm、內(nèi)高283mm的球面罐。該模具的主要失效形式是凹模模面及R處的磨損。因此，要求模具有較高的強(qiáng)度和良好的耐磨性。2.大型拉深凹模的熱處理圖2-4QT500-7制拉深凹模的熱處理工藝該模具曾采用Cr12鋼制作，熱處理后硬度為60HRC，但在拉深時(shí)發(fā)現(xiàn)有粘料現(xiàn)象。后改用牌號(hào)為QT500-7的鑄態(tài)高強(qiáng)度球墨鑄鐵制作，經(jīng)雙介質(zhì)淬火和分級(jí)等溫處理(工藝見(jiàn)圖2-4)后，硬度到達(dá)54～58HRC，使用壽命可達(dá)10～16萬(wàn)件.3.綜合實(shí)例表2-20冷作模具選材、強(qiáng)韌化處理與使用壽命關(guān)系3.綜合實(shí)例表2-20冷作模具選材、強(qiáng)韌化處理與使用壽命關(guān)系3.綜合實(shí)例表2-20冷作模具選材、強(qiáng)韌化處理與使用壽命關(guān)系第一節(jié)常用熱作模具鋼的性能要求與分類(lèi)一、熱作模具鋼的性能要求

為了滿足熱作模具鋼的使用要求，熱作模具鋼應(yīng)具備以下根本特性：

1)較高的高溫強(qiáng)度和良好的韌性。熱作模具尤其是熱鍛模，工作時(shí)會(huì)承受很大的沖擊力，而且沖擊頻率很高，如果熱作模具鋼沒(méi)有高的強(qiáng)度和良好的韌性，就容易開(kāi)裂。

2)良好的耐磨性。由于熱作模具工作時(shí)除受到毛坯變形時(shí)產(chǎn)生的摩擦磨損之外，還受到高溫氧化腐蝕和氧化鐵屑的研磨，所以需要熱作模具鋼有較高的硬度和抗粘附性。

3)高的熱穩(wěn)定性。熱穩(wěn)定性是指鋼材在高溫下可長(zhǎng)時(shí)間保持其常溫力學(xué)性能的能力。7)良好的成形加工工藝性能，以滿足加工成形的需要。第一節(jié)常用熱作模具鋼的性能要求與分類(lèi)4)優(yōu)良的耐熱疲勞性。熱作模具的工作特點(diǎn)是反復(fù)受熱受冷，模具一時(shí)受熱膨脹，一時(shí)又冷卻收縮，形成很大的熱應(yīng)力，而且這種熱應(yīng)力是方向相反、交替產(chǎn)生的。5)高淬透性。熱作模具一般尺寸比較大，熱鍛模尤其是這樣。為了使整個(gè)模具截面的力學(xué)性能均勻，就要求熱作模具鋼有高的淬透性。

6)良好的導(dǎo)熱性。為了使模具不致積熱過(guò)多，導(dǎo)致力學(xué)性能下降，要盡可能降低模面溫度，減小模具內(nèi)部的溫差，這就要求熱作模具鋼要有良好的導(dǎo)熱性。7)良好的成形加工工藝性能，以滿足加工成形的需要。二、熱作模具鋼的分類(lèi)表3-1熱作模具鋼的分類(lèi)第二節(jié)常用熱作模具鋼的選材一、熱作模具鋼的選材原那么

熱作模具是指對(duì)加熱到一定溫度以上的金屬材料進(jìn)行壓力加工的模具。根據(jù)工作條件，熱作模具可分為熱鍛模、熱擠壓模、熱沖裁模和壓鑄模等。熱作模具在工作中既受力的作用又受溫度的作用，從而使模具的工作條件復(fù)雜化，對(duì)模具材料的要求也較高。為了滿足熱作模具的使用要求，有效地降低模具本錢(qián)，延長(zhǎng)模具使用壽命，熱作模具材料應(yīng)具備以下根本特性：

1)較高的高溫強(qiáng)度和良好的韌性。

2)良好的耐磨性。

3)優(yōu)良的耐熱疲勞性。

4)高的淬透性和熱穩(wěn)定性。

5)良好的導(dǎo)熱性。

6)良好的可加工性，以滿足模具加工成形的需要。二、熱作模具材料的選材方法1.熱鍛模材料的選用

選擇熱鍛模材料和確定其工作硬度時(shí)，主要根據(jù)熱鍛模的種類(lèi)、大小、模具形狀復(fù)雜程度、生產(chǎn)批量及受力受熱等情況來(lái)確定。

表3-2列舉了幾種典型的熱鍛模具鋼，以供選材時(shí)參考。

2.熱擠壓模材料的選用

熱擠壓模材料首先是根據(jù)被擠壓金屬的種類(lèi)及擠壓溫度來(lái)確定，其次是考慮擠壓比、擠壓速度和潤(rùn)滑條件等因素，以提高模具的使用壽命。表3-3列舉了熱擠壓模材料以供參考。由于熱擠壓模的工作條件非常惡劣，每使用一次后，模具必須立即進(jìn)行冷卻才能繼續(xù)工作，而模具的冷卻需要一定時(shí)間，所以通常兩組或三組模具交替輪換使用，以保證生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行。2.熱擠壓模材料的選用表3-2熱鍛模材料的選用2.熱擠壓模材料的選用表3-3熱擠壓模材料的選用3.熱沖裁模材料的選用

在熱作模具中，熱沖裁模的工作溫度較低，因此對(duì)材料的性能要求也相對(duì)放寬，除了模具應(yīng)具有的高耐磨性、良好的強(qiáng)韌性及可加工性外，一般熱作模具鋼均能滿足熱沖裁模的工作條件要求。所以在選材時(shí)，可著重考慮材料的經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)管理上的方便，推薦使用的鋼號(hào)有5Cr06NiMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1和8Cr3等，其中8Cr3鋼是使用較多的鋼，具體選用實(shí)例見(jiàn)表3-4。

4.壓鑄模材料的選用

目前常用的壓鑄模金屬材料主要有：鋅合金、鋁或鎂合金、銅合金和鋼鐵等四大類(lèi)，它們的熔點(diǎn)、壓鑄溫度、模具工作溫度和硬度要求都各不相同。4.壓鑄模材料的選用表3-4熱沖裁模材料的選用表3-5壓鑄模成形局部零件的材料選用第三節(jié)熱作模具鋼的熱處理一、高韌性熱作模具鋼

鍛模是鍛造時(shí)使坯料成形所用的模具，包括熱鍛模、錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱鐓鍛模、精鍛模和高速鍛模等，其中錘鍛模最有代表性。高韌性熱作模具鋼主要用于各種尺寸的錘鍛模、平鍛機(jī)鍛模、大型壓力機(jī)鍛模等鍛模。1.高韌性熱作模具鋼性能介紹

高韌性熱作模具鋼主要用于鍛模。鍛模在工作中受到高溫、高壓、高沖擊負(fù)荷的作用，高韌性熱作模具鋼的根本性能如下：

1)淬透性好，以保證這種大型模具沿整個(gè)截面具有均勻一致的力學(xué)性能。

2)沖擊韌性高，熱疲勞抗力高，以保證能承受沖擊載荷及在急冷急熱反復(fù)熱沖擊下不至于發(fā)生龜裂。

3)導(dǎo)熱性好，以保證模具型腔外表的熱量盡快傳導(dǎo)外散，降低模具的溫升，有利于減少熱磨損及熱疲勞損傷。

4)較高的耐回火性及高溫強(qiáng)度，以減少熱塑性變形。

5)較好的抗氧化性能和可加工性。2.高韌性熱作模具鋼的熱處理高韌性熱作模具鋼淬透性好，有一定的耐回火性和高溫強(qiáng)度，具有較高的沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度，好的導(dǎo)熱性、抗氧化性和可加工性。表3-6常用高韌性熱作模具鋼的化學(xué)成分高韌性熱作模具鋼的熱處理過(guò)程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火改善力學(xué)性能，消除淬火應(yīng)力。2.高韌性熱作模具鋼的熱處理表3-7常用高韌性熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)二、高熱強(qiáng)性熱作模具鋼1.高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的性能

高熱強(qiáng)性熱作模具鋼主要用于熱擠壓模。熱擠壓模的工作條件相當(dāng)復(fù)雜，既承受壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，脫模時(shí)也承受一定的拉應(yīng)力，另外還受到?jīng)_擊負(fù)荷的作用。因模具與熾熱金屬接觸時(shí)間較長(zhǎng)，使其溫度比熱鍛模更高，尤其是用于加工鋼鐵材料和難熔金屬時(shí)，其工作溫度高達(dá)600～800℃。2.高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的熱處理

高熱強(qiáng)性熱作模具鋼具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，高溫強(qiáng)度、熱疲勞抗力、熱穩(wěn)定性等高溫性能較高，特別由于含有大量的Cr、W、S、Mo、V等合金元素和具有中等碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，又同時(shí)具有較高的淬透性和韌性，多用于制造壓鑄模和機(jī)鍛模等。其常用鋼號(hào)有4Cr5MoSiV(美國(guó)牌號(hào)H11)、4Cr5MoSiV1(美國(guó)牌號(hào)H13)和4Cr5W2VSi等。表3-8為常用高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的化學(xué)成分。2.高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的熱處理表3-8常用高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的化學(xué)成分高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的熱處理過(guò)程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。2.高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的熱處理表3-9常用高熱強(qiáng)性熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)3.高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的應(yīng)用

3.高熱強(qiáng)性熱作模具鋼的應(yīng)用

高熱強(qiáng)性熱作模具鋼由于具有較好的高溫性能和綜合力學(xué)性能，在熱作模具鋼中具有較高的通用性，用以下鋼的應(yīng)用情況加以說(shuō)明。

4Cr5MoSiV鋼是一種空冷硬化的熱作模具鋼。該鋼在中溫下具有較高的熱強(qiáng)度、硬度以及較高的耐磨性和韌性，在工作溫度下能較好地耐冷熱疲勞，熱處理變形小。因此，該鋼多用于制造鋁鑄件用壓鑄模、熱擠壓模和壓力機(jī)鍛模、塑料模等，也被用于制造工作溫度在400～500℃的結(jié)構(gòu)件。三、高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼1.高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼的性能介紹

高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼主要用于熱沖裁模。在熱作模具中，熱沖裁模的工作溫度較低，因此對(duì)材料的性能要求也相對(duì)放寬。除了應(yīng)具有高的耐磨性、良好的強(qiáng)韌性以及可加工性外，幾乎所有的熱作模具鋼都能滿足熱沖裁模的工作條件要求。

2.高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼的熱處理

該類(lèi)鋼具有高的高溫強(qiáng)度、高溫硬度和一定的熱穩(wěn)定性，在高溫下工作具有高的耐磨性。其常用鋼號(hào)有8Cr3、5Cr4W5Mo2V和5Cr4Mo3SiMnVAl等，其中8Cr3鋼是使用較多的鋼種。2.高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼的熱處理表3-10常用高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼的化學(xué)成分高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼的熱處理過(guò)程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。2.高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼的熱處理表3-11常用高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)3.高耐磨性熱強(qiáng)型熱作模具鋼的應(yīng)用

8Cr3鋼是在碳素工具鋼T8的根底上添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cr(3.20％～3.80％)。由于Cr的存在，8Cr3鋼具有較好的淬透性和一定的室溫、高溫強(qiáng)度而且形成細(xì)小、均勻分布的碳化物。8Cr3鋼通常用于制造熱沖裁模、熱頂鍛模和熱彎曲模等模具。

5Cr4W5Mo2V(RM2)鋼具有較高的熱硬性、高溫強(qiáng)度和較高的耐磨性，適于制造小型精鍛模、平鍛模、熱沖模和熱擠壓模等，使用壽命較高。四、壓鑄熱作模具鋼1.壓鑄熱作模具鋼的性能介紹

壓鑄熱作模具鋼用于制造壓力鑄造和擠壓鑄造模具。根據(jù)被壓鑄材料的性質(zhì)，壓鑄模可分為鋅合金壓鑄模、鋁合金壓鑄模和銅合金壓鑄模。壓鑄模工作時(shí)與高溫的液態(tài)金屬接觸，不僅受熱時(shí)間長(zhǎng)，而且受熱的溫度比熱鍛模要高(壓鑄有色金屬時(shí)400～800℃，壓鑄鋼鐵材料時(shí)可達(dá)1000℃以上)，同時(shí)承受很高的壓力(20～120MPa)，此外還受到反復(fù)加熱和冷卻以及金屬液流的高速?zèng)_刷而產(chǎn)生的磨損和腐蝕。2.壓鑄熱作模具鋼的熱處理

3Cr2W8V鋼是制造壓鑄模的典型鋼種，常用于制造鑄造鋁合金和銅合金的壓鑄模，與其性能和用途相類(lèi)似的還有3Cr3Mo3W2V鋼。值得指出的是，由于4Cr5MoSiV1鋼具有良好的韌性、耐熱疲勞抗力和抗氧化性，由4Cr5MoSiV1鋼制造的壓鑄模其模具使用壽命高于3Cr2W8V鋼制壓鑄模，且這類(lèi)鋼的價(jià)格較鎢系鋼廉價(jià)，因此在壓鑄模上的使用越來(lái)越多。2.壓鑄熱作模具鋼的熱處理表3-12常用壓鑄熱作模具鋼的化學(xué)成分壓鑄熱作模具鋼的熱處理過(guò)程如下：

(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。

(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。

(3)回火消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。2.壓鑄熱作模具鋼的熱處理表3-13常用壓鑄熱作模具鋼熱處理工藝標(biāo)準(zhǔn)3.壓鑄熱作模具鋼的應(yīng)用

3Cr2W8V是應(yīng)用最廣泛的典型的壓鑄熱作模具鋼，它具有良好的淬透性，耐回火性好，可用來(lái)制作高溫下承受高應(yīng)力但不受沖擊負(fù)荷的凸模、凹模.第四節(jié)熱作模具鋼的熱處理工藝與實(shí)例一、熱作模具鋼的熱處理工藝

(1)錘鍛模的制造工藝路線下料→鍛造→退火→機(jī)械粗加工→探傷→成形加工→淬火及回火→鉗修→拋光。

(2)熱擠壓模的制造工藝路線下料→鍛造→預(yù)先熱處理→機(jī)械加工成形→淬火及回火→研磨拋光。

(3)壓鑄模的制造工藝路線

1)一般壓鑄模的制造工藝路線為：鍛造→退火→機(jī)械粗加工→穩(wěn)定化處理→精加工成形→淬火及回火→鉗工修配→發(fā)藍(lán)。

2)形狀復(fù)雜、精度要求高的壓鑄模的制造工藝路線為：鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工成形→鉗工修磨→滲氮(或氮碳共滲)→研磨拋光。二、熱作模具鋼的熱處理實(shí)例1.4Cr5MoSiV1鋼制汽車(chē)凸輪軸鍛模的熱處理

某載貨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸鍛模尺寸為950mm×200mm×160mm，對(duì)模具型槽的尺寸公差和外表粗糙度等有較高要求，熱處理后的硬度要求為37～41HRC。該鍛模在40MN機(jī)械著改善,其熱處理工藝如圖3-1所示。模具在大型高溫箱式電阻爐中加熱，在油中淬火，冷至150～200℃時(shí)出油。4Cr5MoSiV1鋼制模具在型槽較深時(shí)，使用中應(yīng)特別注意鍛前預(yù)熱，以防止模具早期脆斷。圖3-14Cr5MoSiV1鋼制凸輪軸鍛模的熱處理工藝1.4Cr5MoSiV1鋼制汽車(chē)凸輪軸鍛模的熱處理2.汽車(chē)后橋半軸熱鐓鍛模

汽車(chē)后橋半軸是汽車(chē)上的關(guān)鍵部件，分長(zhǎng)、短半軸兩種，質(zhì)量要求高。半軸材料為35CrMnSiA及40MnB，鋼材截面尺寸為?30mm。

鍛造設(shè)備為8000kN平鍛機(jī)，行程次數(shù)為35次／min。

坯料采用轉(zhuǎn)體式煤氣加熱爐加熱，加熱溫度1200℃，始鍛溫度1150℃。鍛造過(guò)程中對(duì)模具采用固定水管?chē)娏芾鋮s，無(wú)潤(rùn)滑。3.拉桿熱鐓模

拉桿材料為45鋼，經(jīng)兩次熱鐓而成。坯料加熱溫度1100～1200℃，機(jī)床行程次數(shù)為30～40次/min。

熱鐓模采用3Cr2W8V鋼制造，原用工藝為1050℃淬火，540～560℃回火，硬度為48～51HRC，工作時(shí)模具經(jīng)受水冷，失效形式均為早期熱磨損失效，即由于硬度偏低，熱穩(wěn)定性差，而在模具圓角處磨損、塌角，影響拉桿頭部尺寸而報(bào)廢。4.CrWMn小型壓鑄模熱處理實(shí)例

壓鑄模熱處理應(yīng)注意防止變形及開(kāi)裂。在熱處理實(shí)踐中應(yīng)注意，如用箱式電阻爐在木炭中進(jìn)行淬火或退火加熱，有可能使模具外表滲碳，深度可達(dá)0.3～0.7mm，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wC可達(dá)1％，從而使模具產(chǎn)生早期網(wǎng)狀裂紋或裂縫而報(bào)廢。此外，在淬火空冷中，外表又可能脫碳，降低了