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熱加工類模具用鋼的材料分析

來源：塑膠五金網發(fā)布時間：2014-08-13 09:07:37點擊率：

　　熱加工模是工業(yè)產品生產中不可缺少的工藝方法之一。它主要用于制造業(yè)和加工業(yè)。它是和沖壓、鍛造、鑄造成型機械，同時和塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料制品成型加工用的成形機械相配套，作為成形工具來使用的。

　　熱加工模具屬于精密機械產品，因為它主要由機械零件和機構組成，如成形工作零件(凸模、凹模)，導向零件(導柱、導套等)，支承零件(模座等)，定位零件等;送料機構，抽芯機構，推料機構，檢測與安全機構等。

　　為提高模具的質量，性能，精度和生產效率，縮短制造周期，其零、部件(又稱模具組合)，多由標準零、部件組成。所以，模具應屬于標準化程度較高的產品。一副中小型沖?；蛩芰献⑸淠?，其構成的標準零、部件可達90%，其工時節(jié)約率可達25%~45%。

　　一、熱加工用模模具的功能和作用

　　現(xiàn)代產品生產中，熱加工模具由于其加工效率高，互換性好，節(jié)約原材料，所以得到很廣泛的應用。

　　現(xiàn)代工業(yè)產品的零件，廣泛采用沖擊、成型鍛造、壓鑄成形、擠壓成形、塑料注射或其他成形加工方法，和成形模具相配套，經單工序或多道成形工序，使材料或胚料成形加工成符合產品要求的零件，或成分精加工前的半成品件。如汽車覆蓋件，須采用多副模具，進行沖孔、拉深、翻邊、彎曲、切邊、修邊、整形等多道工序，成形加工為合格零件;電視機外殼洗衣機內桶是采用塑料注射方法，經一次注射成型為合格零件的;發(fā)動機的曲軸連桿是采用鍛造成形模具，經滾鍛和模鍛成形加工為精密機械加工前的半成品胚件的。

　　高精度、高效率、長壽命的沖模、塑料注射成形模具，可成形加工幾十萬，甚至幾千萬產品零件，如一副硬質合金模具，可沖壓硅鋼片零件(E型片、電機定轉子片)上億件，稱這類模具為大批量生產用模具。

　　適用于多品種、少批量或產品試制的模具有：組合沖模、快換沖模、疊層沖?；虺尚蜎_模，低熔點合金成型模具等，在現(xiàn)代加工業(yè)中，具有重要的經濟價值，稱這類模具為通用、經濟模具。

　　電子、計算機、現(xiàn)代通信器材與設備，電器、儀器與儀表等工業(yè)產品的元器件或零、部件越來越趨于微型化、精密化，其零件機構設計中的槽、縫、孔尺寸要求在0.3mm以下，批量生產用模具要求很高。如高壓開關中的多觸點零件，寬度僅為10mm，卻需沖孔、沖槽、彎曲、三層疊壓等工序，模具需設計為70工位的精密級進行沖模。又如，BP機中零件尺寸及其微小，對模具的要求更高。這類微型沖件和塑件用的模具，以成為高技術模具或專利型模具。

　　大型模具，重量在10t以上的已很常見，有些模具重量已達30t。如大型汽車覆蓋件沖模，大型曲軸鍛模，大尺寸電視機外殼用塑料注射模等重量都在10t以上。

　　隨著現(xiàn)代化工業(yè)和科學技術的發(fā)展，模具的應用越來越廣泛，其適應性也越來越強。已成為工業(yè)國家制造工藝水平的標志和獨立的基礎工業(yè)體系。

　　另外，采用模具進行成形加工，是少，無切削的主要工裝，在大批、大量加工中，可使材料利用率達90%或以上。

　　二、熱加工模具分類及用途

　　熱加工模具的用途廣泛，模具的種類繁多，科學的進行模具分類，對有計劃的發(fā)展模具工業(yè)，系統(tǒng)的研究、開發(fā)模具生產技術，促進模具設計，制造技術的現(xiàn)代化，充分發(fā)揮模具的功能和作用;對研究、制訂模具技術標準，提高模具標準化水平和專業(yè)化協(xié)作生產水平，提高模具生產效率，縮短模具的制造周期，都具有十分重要的意義。

　　總體上說熱加工模具可分為三大類：金屬板材料成型模具，如沖模等;金屬體積成型模具，如鍛(鐓、擠壓)模，壓鑄模等;非金屬材料制品用成型模具，如塑料注射模和壓縮模，橡膠制品，陶瓷制品用成型模具等。

　　三、熱加工模具材料的作用和地位

　　隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展，對模具的使用壽命、加工精度等提出了更高的要求。模具材料性能的好壞和使用壽命的長短，將直接影響加工產品的質量和生產的經濟效益。而模具材料的種類、熱處理工藝、表面處理技術是影響模具使用壽命的極其重要的因素，所以世界各國都在不斷的研究和開發(fā)新型模具材料，改進模具的熱處理工藝，選用適當的表面處理技術，合理的設計模具結構加強對模具的維護等措施，來穩(wěn)定和提高模具的使用壽命，防止模具的早期失效。

　　模具材料的使用性能將直接影響模具的質量和使用壽命。模具材料的工藝性能將主要影響模具加工的難易程度、加工質量和生產成本。為此，應合理選擇模具材料，改進熱處理工藝和表面處理工藝，大力推廣模具生產中的新材料、新工藝和新技術。

　　四、熱加工模具材料與模具壽命

　　為了提高生產效率，提出毛胚精度和材料利用率，采用和發(fā)展少、無切削新工藝、新設備，對模具提出了向精密、多型腔、高壽命方向發(fā)展的要求，模具壽命的提高， 根本的辦法是采用高性能的模具材料。盡管影響模具壽命的因素是多方面的，但模具材料的選用是一個很重要的因素。

　　60年代以來，我國研制出不少適合我國特點的新型高效模具鋼，如熱作模具鋼中的3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、4CrMnSiMoV、4Cr2NiMoV、5Cr4Mo3SiMnVA1等，冷作模具鋼中的6Cr4W3Mo2VNb、7Cr7Mo3V2Si、7CrSiMnMoV、6CrNiMnSiMoV等新鋼種的采用，均獲得提高模具壽命倍數的效果。如冷作模具鋼選用6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)代替T10、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2等制作多工位冷鐓機用的內六角凸模、十字槽光凸模、螺栓切邊模、冷鐓螺栓頂模、鋼板彈簧沖孔凸模、螺栓平圓頭沖模、圓環(huán)冷沖模等;熱作模具鋼選用3Cr3Mo3W2V(HM1)代替3Cr2W8V鋼等制作軸承套圈的熱沖壓凸模和凹模、連桿輥鍛成形模、小型機鍛模等都顯著提高了模具壽命，因此作為模具工作者包括模具設計人員，首要任務是正確選用并合理使用模具材料，以保證模具的正常使用壽命。

　　五：常用金屬的線膨脹系數及收縮率

　　線膨脹系數表示攝氏溫度升高一度時單位材料的尺寸變化。表1是一些金屬的線膨脹系數。

　　收縮率是指由熱加工溫度至室溫這段溫度區(qū)間內單位長度金屬材料的尺寸變化，它與材料的線膨脹系數和熱加工溫度兩者有關。

　　模膛設計時，需要考慮工件的收縮率，精密加工時還需考慮模具的熱脹冷縮問題。

　　熱加工時剛料的收縮率一般去1.2~1.5%，而對細長的桿類件，扁薄的工件，冷卻快或打擊次數多熱加工溫度低的工件收縮率取0.8~1.2%;帶大頭的長桿鍛件，頭部和桿部的冷縮塑料件一般取(0.3~0.5)%。鋁合金為(0.8~1.0)%，鎂合金為0.8%，鈦合金為(0.5~0.7)%，銅合金為(1.0~1.3)%。

　　表1金屬的膨脹系數

　　金屬種類 Fe Al Mg Cu Ni Ti

　　膨脹系數x10⒍(1/℃) 11.7 23.9 26 16.5 13.6 8.5

　　六：常用金屬的變形抗力

　　金屬的變形力σs也稱真實應力或流動應力。對于理想塑性材料，變形抗力等于材料的屈服極限;對于塑性硬化材料，變形抗力等于考慮了變形硬化后的屈服極限。在熱鍛溫度下，變形抗力還可以用強度極限σb表示。通常金屬的變形抗力與材料的化學成分、組織、變形溫度，應變速率及變形程度等有關，可表達如下

　　σs=σ(T，ε1，ε2，x)

　　式中 T——變形溫度;

　　ε1——變形程度;

　　ε2——應變速率;

　　x——材料的物理化學性質。

　　通常變形抗力隨溫度的升高而降低，應變速率增大時，變形抗力增大，溫度升高，這種現(xiàn)象越明顯。變形程度對變形抗力的影響有兩種情況，某些材料隨變形程度增加，變形抗力不斷增大;而有些材料，在某一溫度下，在某一變形程度前，變形抗力隨變形程度的增加而

　　增大，但超過該變形程度后，由于動態(tài)恢復和動態(tài)再結晶進行迅速，隨變形程度增大時，變形抗力逐漸減小。一般地講，當變形溫度高于再結晶溫度時，由于形變硬化的現(xiàn)象不明顯，應變速率的影響大，變形程度的影響小;而變形溫度低于再結晶溫度時，變形程度的影響較大，應變速率的影響較小。

　　舉例說明：熱鍛模具鋼的合理選用

　　1、熱鍛模具鋼的性能要求：

　　(1)高的沖擊韌度和斷裂韌度：對錘鍛模具鋼，沖擊韌度應大于或等于30J/㎝2，沖擊韌度是鍛模鋼的基本性能。為阻止或延緩裂紋擴展而導致模具斷裂，還需要鍛模鋼必須具有高的斷裂韌度。

　　(2)高的高溫硬度及高溫強度：為防止熱鍛模發(fā)生早期磨損及變形，模具鋼應具有較高的高溫硬度和高溫強度。

　　(3)高的淬火性：熱鍛模尺寸較大，要求模具整個截面力學性能均勻一致，如果心部未淬透，則可能形成貝氏體或其他組織，導致模具早期斷裂。

　　(4)高的熱疲勞抗力：若導熱性好，熱脹系數小，則熱疲勞抗力高，可以延緩熱疲勞裂紋的產生。

　　(5)較高的回火穩(wěn)定性：防止模具在高溫服役中被繼續(xù)回火，導致硬度下降而影響耐磨性。

　　(6)良好的工藝性能及抗氧化性能。

　　2、熱鍛模具用鋼及合理選材：

　　重型機械廠或鋼廠生產的其它鍛模鋼有：5CrNiTi、4SiMnMoV及5SiMnMoV、5CrNiW、5CrNiMoV等，國外進口鍛模鋼有55CrNiMoV6等。

　　機械壓力機模塊用鋼鋼號為：4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5MoSiV、4Cr3W2Vsi、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V，應用較好的其它鋼號4Cr3Mo3W4VNb、2Cr3Mo3VNb、2Cr3Mo2NiVSi;國外進口鍛模鋼有YHD3等，壓力機熱鍛的特點是成行速度慢，單件滯模時間長(約3~6s)，因此，模腔表面溫升高，瞬時溫度可達約700℃。冷卻及潤滑條件較好時，溫度可能偏低一些，但也會達到500℃左右，這也超過了5CrNiMo、5CrMnMo模塊的回火溫度，從而導致模具早期磨損，壓塌等失效。因此，需要選用耐熱性較高的高強韌性模具鋼制作壓力機模具。表2列出了錘鍛模用鋼的選擇，可供選材參考。

　　表2 錘鍛模用鋼的選擇

　　模具類型 鋼的選用

　　小型 5CrMnMo、5CrNiTi、5SiMnMoV、4SiMnMoV、6SiMnMoV

　　中型 5CrMnMo、5CrNiTi、5SiMnMoV、4SiMnMoV、6SiMnMoV

　　大型 5CrNiMo、5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMoSiV

　　特大型 5CrNiMo、5CrNiW、5CrNiTi、5CrMnMoSiV

　　堆焊錘鍛模 5Cr2MnMo

　　壓力機鍛模(大尺寸) 5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi

　　通常中、小型壓力機鍛?？蛇x用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV及3Cr—3Mo型熱作模具鋼、5Cr4W5Mo2V、4Cr3Mo3W4VNb鋼等。目前應用較多的是：3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1鋼。

　　對錘鍛模尚有如下分類方法：

　　小型：噸位小于1t，高度小于275mm;

　　中型：噸位1~3t，高度275~325mm;

　　小型：噸位4~6t，高度325~375mm;

　　特大型：噸位大于6t，高度在375mm以上。

　　現(xiàn)就我公司所采用的熱鍛模材料分析如下： H13：化學成份(%) (國標GB1299—85)

　　e—0.32~0.45 Si—0.80~1.20 Mn—0.20~0.50

　　Cr—4.75~5.50 Mo—1.10~1.75 V—0.80~1.20

　　S、P≤0.03

　　3Cr2W8V：屬萊氏體鋼，在高溫下有較高的硬度，但其韌性和塑性較差，淬透性中等，截面厚度≤80mm可　淬透;此鋼相變溫度較高，耐熱疲勞性良好。用于作高溫、高應力但不受沖擊載荷的凸模、凹模，如平鍛機上的凹凸模、鑲塊、銅合金擠壓模、壓鑄用模具;還可作高溫下工作的熱剪切刀等。

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