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冷作模具材料及其热处理

时间:2020-12-18   来源:《模具工业》   作者:李合琴,石松礼,冯旭强   浏览次数:239

李合琴1,石松礼2,冯旭强2

(1.合肥工业大学材料科学与工程学院;2.黄山旺荣汽车电子有限公司)

摘要:冷作模具材料的性能包括高的硬度和耐磨性、一定的强韧性、抗疲劳性能和抗咬合性,冷作模具材料的热处理工艺性能包括淬透性、淬硬性、抗回火软化、过热敏感性、防止氧化脱碳和淬火变形开裂等。对常用冷作模具的服役条件、性能要求、热处理工艺和选材进行了总结,并指出未来冷作模具材料的趋势是成分方面的多元合金化以及性能方面的高韧性和高耐磨性的综合。

关键词:冷作模具钢;选材;热处理;性能

0 引言

模具是重要的加工工艺装备,模具零件的选材及其热处理工艺对模具使用寿命的影响占所有因素的70%[1]。现代模具的特点是量大面广、品种繁多,如70%以上的汽车、拖拉机和机电产品零件,80%以上的塑料制品,60%~70%的日用小五金及一些消费品都是用模具加工生产[2];模具成本占产品总成本的20%左右,其使用寿命直接影响产品成本,因此合理的选用模具零件材料,实施正确的热处理工艺对于机械加工生产尤为重要。

1 模具分类

根据模具零件的成形材料、成形工艺和成形设备,可将模具分为:冲模、塑料模、压铸模、锻模、铸造模、粉末冶金模、玻璃模、橡胶模、陶瓷模、经济模(简易模具)等。这种分类方法与模具零件的选材缺乏联系,可将类模具按照模具的工作条件归纳为三大类:①冷作模具:包括冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模等;②热作模具:包括热锻模、热挤压模、压铸模、热冲模等;③成型模:包括塑料模、橡胶模、陶瓷模、玻璃模、粉末冶金模等。

2 模具材料分类

制作模具的材料品种繁多,其中使用最多的是模具钢(冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢),还有其他的模具材料(铸铁、非铁金属及其合金、硬质与钢结硬质合金、非金属材料)。以下主要讨论冷作模具材料[3]

3 冷作模具服役条件及性能要求

冷作模具是在常温下完成对金属或非金属材料的塑性变形和分离的工具,是实现少或无切削加工的重要生产工具。冷作模具根据模具的工作条件和成形工艺,可分为冲模、冷挤压模、冷镦模、拉拔模和成形模等,其服役条件和性能特点介绍如下。

3.1 冲模

冲模是一种带有刃口、在工作中使被加工材料发生分离的模具,主要用于板料的冲切成形,如图1所示。这类模具包括落料模、冲孔模和切边模等。冲模的服役条件要求模具零件的刃口部分能承受冲击力、剪切力、弯曲力、挤压力、摩擦力的作用。薄板冲模的主要失效形式是磨损;厚板冲模会出现崩刃、镦粗、咬合及断裂等现象。模具零件磨损后会导致成形零件出现毛刺。另外,用于冲压薄钢板、硅钢片的冲模,刃部和尾部硬度有所不同。通常凸模和凹模的刃部硬度超过60HRC,而凸模尾部紧固部分的硬度较低为40~44HRC,中间部分的硬度为48~52HRC。冲模的主要性能要求是高硬度、高耐磨性、较高的屈服强度、足够的韧性、抗疲劳强度和抗咬合能力。

3.2 冷挤压模

冷挤压是在常温下利用模具和压力机对金属材料施加压力,使金属塑性变形,获得所需制件形状和尺寸的方法,如图2所示。

冷挤压模的服役条件:被挤压金属在成形时受到三向压应力,其变形抗力大于其他压力。挤压低碳钢时,一般正挤压应力达2000~2500MPa,而反挤压应力高达3000~3500MPa。挤压模还受到坯料塑变流动的激烈摩擦,导致模具零件和工件的局部表面温度达400℃以上。冷挤压凸模受到的压应力和弯曲应力大于凹模,主要失效形式是磨损、塑性变形和断裂,凹模的主要失效形式是磨损和胀裂。

​性能要求:冷挤压模除了满足冷作模具的一般性能要求外,特别要求具有高的强韧性、高硬度和良好的耐磨性。凸、凹模必须经过严格的锻造和热处理,组织为回火隐晶马氏体和细小弥散分布的碳化物,通常凸模硬度为61~63HRC。此外,由于冷挤压时温度升高,模具零件还要求一定的热硬性和冷热疲劳强度。

3.3 冷镦模

冷镦模是在冲击力作用下,使金属棒料在模具型腔内冷变形的模具。图3所示为制造螺钉的冷镦模。冷镦模服役条件:受到强烈的冲击力,凸模承受的冲击压应力可达到2500MPa以上,凹模的表面和凸模的工作表面均受到剧烈的冲击摩擦,表面产生的温度高达300℃以上。由于坯料的端面不平等原因,凸模还会受到弯曲应力的作用。

冷镦模的主要失效形式为:凸、凹模工作面出现过度磨损、咬合损伤、局部沟痕剥落、凸模镦粗或折断、凹模胀大或开裂、棱角堆塌等。性能要求:冷镦模承受镦击产生的冲击载荷,要求凹模工作面具有高的硬度和耐磨性,心部具有足够的强韧性。冷镦模的硬化层若过硬或过深,模具零件会碎裂;反之,模具零件工作面易磨损、出现毛坯材料粘附模具零件的现象。通常凸模的硬度60~62HRC,凹模硬度58~60HRC,硬化层深度应控制在1.5~4mm。

3.4 拉拔模与成形模

拉拔模与成形模主要包括拉深模、弯曲模、拔丝模、拔管模、翻边模、胀形模等,如图4~图6所示。利用这些模具可使板材压制成空心体或使板材、棒料延伸或压制成一定形状的产品。服役条件:此类模具所受载荷相对较小,但模具零件表面受到强烈的摩擦。凹模主要受径向拉伸力和摩擦力的作用,主要失效形式是磨损。而拉拔模除了磨损失效外,还会产生咬合现象,凹模局部表面与坯料粘结成瘤,造成成形制件表面划痕和擦伤。性能要求:拉拔模要求高硬度、高耐磨性和抗咬合性能。通常凸模的硬度为58~62HRC,凹模的硬度为60~64HRC。成形模的硬度和耐磨性略低,但要求具有较高的强度和韧性,一般凸模硬度为54~58HRC,凹模硬度为56~60HRC。

4 冷作模具钢的分类选材和热处理

冷作模具钢按化学成分、性能特点和用途可分为8类[4-6],如表1所示,表中多数钢号已列入我国合金工具钢标准(GB/T 1299—2000)。

4.1 冷作模具用碳素工具钢

此类钢包括普通碳素工具钢T7~T13,高级优质碳素工具钢T7A~T13A等。碳素工具钢价格便宜,锻造工艺性较好,便于模具零件的成形加工,经热处理后,可获得较高的硬度和一定的耐磨性。缺点是淬透性低,淬火易变形开裂,热硬性、耐磨性较差,模具的使用寿命较短。T7、T8钢韧性较好,用于韧性要求较高的冷作模具。T10钢适宜制造尺寸较小、形状简单和生产批量不大的拉拔模、拉深模和挤压模等。T12钢适宜制作硬度和耐磨性要求较高而韧性要求不高的切边模。

碳素工具钢的始锻温度为1050~1100℃,终锻温度为800~850℃,空冷或坑冷。若终锻温度过高,锻后晶粒组织粗大,冷却析出网状二次渗碳体,增加淬火开裂和脆断的倾向。

热处理工艺路线:正火→球化退火→不完全奥氏体化淬火→低温回火。当钢坯锻造后出现粗大组织或网状碳化物时,应先正火后再进行球化退火,得到粒状珠光体组织,硬度约18HRC。经过不完全淬火加热到AC1以上,得到奥氏体和粒状碳化物组织,快速盐水中淬火冷却得到高碳马氏体、细小粒状碳化物,残余奥氏体组织,淬火硬度高于60HRC,然后立即在200℃以下低温回火。

4.2 低合金冷作模具钢

低合金冷作模具钢主要包括:9Mn2V、9SiCr、9CrWMn、GCr15、CrWMn、Cr2、7CrSiMnMoV等,其成分特点是高碳低合金。高碳成分保证模具零件的高硬度和高耐磨性,主要合金元素是Cr、Mn、Si、W、Mo、V,总量<5%,少量合金元素可提高淬透性,形成合金碳化物,细化晶粒、提高回火稳定性。Mn含量较高的钢,加热时易过热;Si含量较高的钢,加热时易石墨化。

低合金冷作模具钢的始锻温度为1050~1150℃,终锻温度≥850℃,缓冷。热处理工艺路线:正火-等温球化退火→淬火→低温回火。若模具零件要求较深淬硬层,可采用820~840℃较高淬火温度,油冷后200℃以下低温回火,最终得到高碳合金马氏体、细小粒状合金碳化物,残余奥氏体组织,硬度约62HRC。

4.3 中合金冷作模具钢

中合金冷作模具钢也称高碳中铬工具钢,主要有Cr6WV、Cr5Mo1V、Cr4W2MoV,其含碳量>1%,主要合金元素Cr、W、Mo、V,总量为5%~10%,合金元素可提高淬透性、回火稳定性和细化晶粒。高碳中铬合金工具钢的始锻温度为1050~1100℃,终锻温度为850~900℃,锻后坑冷或砂冷。热处理工艺路线:正火→等温球化退火→淬火→低温回火。球化退火后组织为粒状珠光体和合金碳化物。中合金模具钢可在850℃加热淬火,也可在1000℃以下较高温度加热淬火,否则残余奥氏体过多会降低硬度,粗化晶粒,增加脆性。淬火冷却时可采用热油或分级淬火,冷却后200℃以下低温回火,最终得到高碳合金马氏体、细小粒状合金碳化物,残余奥氏体组织,硬度约61HRC。

4.4 高合金冷作模具钢

高合金冷作模具钢也叫高碳高铬型冷作模具钢,包括Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1钢,其成分特点是:碳含量>1.5%,主加元素铬的平均质量分数为12%,还有少量Mo、V等。合金元素可提高淬透性、提高回火稳定性和细化晶粒。Cr12型钢含碳量和含铬量较高,使相图E点左移,为莱氏体钢。钢中特殊的碳化物Cr7C3,可提高钢的硬度和耐磨性。此外,高硬度碳化物的热膨胀系数小,淬火钢中又含有大量残余奥氏体,所以淬火变形很小,是微变形钢。Cr12型钢主要缺点是存在大量碳化物,降低了钢的强度,造成模具零件崩刃。Cr12钢淬透性、淬硬性和耐磨性高,淬火变形较小,但冲击韧性较差,主要用于制造要求较高、耐磨性和受冲击负荷较小的冷冲模、冷挤压模、冷镦模、凸模、拉深模、拉丝模及粉末冶金用冷压模等[7,8]

Cr12型模具钢导热性差、塑性低。锻造工艺需缓慢加热,始锻温度为1100~1120℃,终锻温度为900~920℃,锻后缓慢砂冷。热处理工艺路线:等温球化退火→淬火→低温回火。球化退火后组织为粒状珠光体和合金碳化物。对于精密模具,应在粗加工后进行调质处理,得到颗粒大小和分布均匀的细粒状索氏体组织,硬度为25~30HRC。Cr12型模具钢若要求高硬度高耐磨性及淬火变形小,可采用一次硬化热处理工艺,即较低的淬火温度(950~980℃)油冷,200℃以下低温回火,最终得到高碳合金马氏体、细小粒状合金碳化物,残余奥氏体组织,硬度约63HRC。若要求高的热硬性和高耐磨性,可采用二次硬化热处理工艺,即高的淬火温度(1115~1130℃),高的回火温度(520℃回火二次,中间加一次-78℃冰冷处理)。高的加热温度使合金元素大量溶入奥氏体,淬火得到高碳合金马氏体,细小粒状合金碳化物,大量残余奥氏体,硬度较低为56~58HRC。经过520℃高温回火,残余奥氏体中析出合金碳化物,Ms点提高,残余奥氏体在冷却时转变成马氏体。经过3次高温回火后,可使残余奥氏体总量<3%,钢的硬度增加到62HRC,这种二次硬化法处理的冷作模具钢有高的热硬性和耐磨性,抗压强度也明显高于一次硬化法处理的钢。

4.5 冷作模具用高速工具钢

冷作模具用高速工具钢也称为高强度、高耐磨冷作模具钢,即传统的高速工具钢,其中应用最广的有W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2钢。其性能特点是具有高的强度、耐磨性、抗压性、回火稳定性和热硬性,承载能力位于传统冷作模具钢之首,主要缺点是存在大量粗大合金碳化物,导热性差、韧性差、加热时氧化脱碳倾向大。W6Mo5Cr4V2钢的始锻温度为1080~1100℃,终锻温度为950℃以上,锻后缓冷。热处理工艺路线:等温球化退火-淬火-高温回火。球化退火后得到大小和分布均匀的细粒状珠光体组织,硬度为20~25HRC。W6Mo5Cr4V2采用二次硬化热处理,即高的淬火温度(1150~1200℃),油冷后硬度60HRC,再经过高温回火(560℃三次回火),回火后硬度大于62HRC。

4.6 基体钢型冷作模具钢

基体钢型冷作模具钢也称高强韧性冷作模具钢,目前常用的钢号有6W6Mo5Cr4V、7Cr7Mo3V2Si、7Cr7Mo2V2Si。传统Cr12型高碳高铬钢、高速钢的韧性较低,制作的冷挤压模、冷镦模、中厚钢板冲模在工作中易发生脆断,因此研制高强韧性的基体钢。这类钢的成分接近高速钢淬火后的基体成分,故称为基体钢,属于中碳高速钢类型的冷作模具钢,由于碳化物总量减少,改善了碳化物不均匀性,在保持高速钢的高硬度、高红硬性的同时,提高了钢的抗弯强度、塑性和韧性。基体钢的中碳和钒含量的减少,降低了耐磨性,在淬火和回火后,可采用软氮化等表面强化技术提高其耐磨性。6W6Mo5Cr4V钢主要用于取代高速钢或Cr12钢制造易脆断和开裂的冷挤压凸模、冷镦模等。锻造工艺:6W6Mo5Cr4V属于莱氏体钢,锻造可打碎共晶合金碳化物,锻造工艺温度类似高速钢W6Mo5Cr4V2。

热处理工艺路线:等温球化退火→淬火→高温回火。球化退火得到细粒状珠光体组织,硬度为20~23HRC。淬火回火工艺采用二次硬化法,参数类似W6Mo5Cr4V2高速钢,即高的淬火温度(1180~1200℃),油冷后硬度为60HRC,再经过高温回火(560℃三次回火),回火后硬度>62HRC。

4.7 无磁模具钢

无磁模具钢主要有7Mn15Cr2Al3V2WMo、5Cr21Mn9Ni4W、Cr18Ni9Ti等,由于含有大量扩大奥氏体区元素Mn、Ni,在服役状态仍保持奥氏体组织,在磁场中不被磁化。其中7Mn15Cr2Al3V2WMo钢不仅无磁性且具有高的强度、硬度和耐磨性。由于高锰钢有加工硬化现象,需要进行高温退火改善钢的切削加工性能。无磁模具钢用于无磁性的粉末压铸模、成形模、轴承挤压模。该钢还具有较高的高温强度和硬度,可制造工作温度在700~800℃的热作模具。锻造工艺:始锻温度1100~1120℃,终锻温度950℃以上,锻后缓冷。

热处理工艺路线:高温退火→固溶处理→时效处理。退火可得到奥氏体和均匀分布的粒状合金碳化物组织,硬度为28~30HRC。固溶处理是将工件加热到高温单相奥氏体区后水中快冷(1150~1180℃),得到单一奥氏体组织(20~22HRC)。经人工时效处理后,奥氏体中过饱和碳和合金元素以共格亚稳碳化物的形式析出,钢的硬度和耐磨性显著提高(48HRC)。时效处理后还可进行表面处理,提高无磁模具的表面硬度和耐磨性。

4.8 冷作模具用硬质合金

制造冷作模具的硬质合金通常有金属陶瓷硬质合金和钢结硬质合金2种,如YG8、YG15、GT35、DT合金。金属陶瓷硬质合金是将高硬度、高熔点的金属碳化物粉末(如WC、TiC、NbC、VC等)和粘结剂(如Co或Ni)混合后,在型腔中加压成形后烧结成粉末冶金材料,主要包括钨钴类(YG)、钨钛钴类(YT)、钨钛钽钴类(YW)硬质合金三类。其中YG类硬质合金韧性好,YT类硬质合金的硬度和热硬性高,YW硬质合金兼有YG和YT两类硬质合金的优点,为万能硬质合金。金属陶瓷硬质合金具有高的硬度、抗压强度和耐磨性,但脆性大,加工困难,不能进行锻造和热处理,主要用于制造多工位冲模、拉丝模、冷挤压模、成形模和大直径拉深凹模的镶件等。目前冷冲模用硬质合金主要是钨钴类。

钢结硬质合金是以TiC、WC等难溶金属碳化物为硬质相,以合金钢为粘结相,用粉末冶金法生产的一种模具材料。与金属陶瓷硬质合金相比,钢结硬质合金中硬质相的比例较少(一般不超过60%,体积分数一般不超过40%)。由于含有较多的钢基体,具有金属陶瓷硬质合金的高硬度、高耐磨性和高抗压强度以及合金钢的高韧性和较好的切削加工性,可以通过焊接、粘结、镶嵌等多种连接方法,将钢结硬质合金与钢材连接在一起组合成模具。此外,钢结硬质合金还可以锻造和热处理,改善合金组织,获得良好的物理及力学性能。目前常用的钢结硬质合金有GT35和DT合金,其中DT合金的应用最广。DT合金的硬质相为WC,保持了GT35合金的高硬度、高耐磨性,同时提高了强度和韧性,能承受较大的冲击载荷,较好的抗热裂性,不易出现崩刃现象。DT合金锻造时,始锻温度为1050~1100℃,终锻温度为900℃,锻后缓冷。热处理工艺:880℃加热后冷却至720℃等温退火(36HRC),淬火采用一次硬化法,1000~1020℃淬火油冷,200℃低温回火,硬度64HRC。4.9新型冷作模具钢根据钢中合金元素含量及性能特点,新型冷作模具钢可分为高碳低合金钢、高速钢型基体钢、高碳中铬耐磨钢和改良型高速钢等4种[9]

(1)高碳低合金钢包括高强韧性的低合金冷作模具钢GD和易切削精密模具钢8Cr2S等。钢的含碳量为0.65%~0.85%,低于同类旧钢种,主要合金元素为Cr、Mn、Si、Ni,并含有少量强碳化物形成元素W、Mo、V等。这类钢最终热处理采用淬火和低温回火,得到回火马氏体和弥散分布的少量碳化物和残余奥氏体组织,具有强度高、韧性好、有一定耐磨性,常用于工作温度不高、要求强韧性好的冷挤压模、冷镦模和冲模。

(2)高速钢型基体钢有LM1、LM2、CG2等,具有与高速钢W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V淬火后基体组织相似的化学成分,但钢中共晶碳化物数量少,其强韧性、红硬性和耐磨性综合性能较好,用于对强韧性和耐磨性要求较高的模具,如难成形材料模具以及大型、复杂、受冲击载荷大的模具等。

(3)高碳中铬耐磨钢主要有301、LD、GM和ER5钢,是在高碳高铬莱氏体钢基础上发展起来的一类新型高耐磨钢。这类钢中,碳和铬的含量较低,共晶碳化物少;同时添加了W、Mo、V、Si、N等合金元素,提高钢的耐磨性。经淬火及高温回火后,具有较强的二次硬化效应和较高的强韧性和耐磨性,主要用于代替Cr12、Cr12MoV及高速钢模具的应用领域。

(4)改良型高速钢主要有W9、M2Al和V3N钢,是由用作刀具材料的W-Mo系列高速钢演变而来。在保证原高速钢热硬性和耐磨性的同时,通过合金元素的调整或添加,改善高速钢的韧性和塑性。M2Al和V3N两种钢采用补充Al、N合金元素,使其具有更优异的热硬性和耐磨性,达到含Co高速钢的性能水平,可用作大批量生产的高精度冲模和冷挤压模。

5 冷作模具钢的选材原则

冷作模具形状结构差异大、材料种类繁多、工作条件和失效形式各不相同,合理的选材并实施正确的热处理工艺是延长模具使用寿命和降低产品生产成本的关键。

冷作模具钢的选材原则:在满足模具服役性能的前提下,兼顾材料的工艺性和经济性。冷作加工的产品毛坯一般都具有较高的强度和硬度,所以冷作模具材料的基本性能要求是高的硬度、耐磨性和足够的强度,因此首选含碳量较高的工具钢。此外,根据模具的结构、形状和尺寸、载荷、被加工材料的强度、生产批量、加工精度、润滑情况等综合考虑。通常形状简单、载荷轻的冲模,尽量采用价格低的碳素工具钢制造,只要采用合适的热处理工艺,就可以达到使用要求;对于形状复杂、尺寸较大、工作载荷较轻、要求热处理变形小的冲模,可选用低合金工具钢制造;对于大中型模具制造工艺复杂、加工成本高,可选用高耐磨、高淬透性、变形小的高碳中铬钢、高铬钢、高速钢、基体钢、高强韧性低合金冷作模具钢制造;对于大量生产的冷冲模,要求使用寿命长,可选用硬质合金、钢结硬质合金制造。

6 结束语

目前我国通用的冷作模具钢主要是传统的CrWMn、Cr12、Cr12MoV,约占冷作模具用钢产量的70%。Cr12MoV与CrWMnV耐磨性和服役性能低于Cr12Mo1V1(D2)钢。Cr12Mo1V1钢既具有良好的耐磨性,又具有一定的韧性和红硬性,但是目前国内产量和使用量很低。国外用量最大的是综合性能优良的冷作模具钢,如中合金Cr5Mo1V(A2)钢,其耐磨性优于低合金模具钢CrWMn、9Mn2V,而韧性则高于高合金模具钢Cr12、Cr12MoV。目前国外新型模具钢材料的合金化程度不断提高,模具钢种类齐全并已形成系列,各国发展的新型冷作模具钢朝着高韧性、高耐磨性方向发展。今后对低合金微变形模具钢、火焰淬火模具钢、粉末冶金模具钢、高速钢型基体钢、时效模具钢等的研究将是发展方向。此外在铸造和锻压工艺中采用电渣重熔精炼、粗锻精轧得到优质模具钢材,并采用整体淬火和局部感应加热淬火的复合热处理技术、表面热处理技术等提高模具性能[10,11]

参考文献(略)

 
 
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