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熱加工類模具用鋼的材料分析

熱加工模是工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)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(jī)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(jī)械相配套，作為成形工具來使用的。
熱加工模具屬于精密機(jī)械產(chǎn)品，因為它主要由機(jī)械零件和機(jī)構(gòu)組成，如成形工作零件（凸模、凹模），導(dǎo)向零件（導(dǎo)柱、導(dǎo)套等），支承零件（模座等），定位零件等；送料機(jī)構(gòu)，抽芯機(jī)構(gòu)，推料機(jī)構(gòu)，檢測與安全機(jī)構(gòu)等。
為提高模具的質(zhì)量，性能，精度和生產(chǎn)效率，縮短制造周期，其零、部件（又稱模具組合），多由標(biāo)準(zhǔn)零、部件組成。所以，模具應(yīng)屬于標(biāo)準(zhǔn)化程度較高的產(chǎn)品。一副中小型沖?；蛩芰献⑸淠?，其構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)零、部件可達(dá)90％，其工時節(jié)約率可達(dá)25％~45％。

一、熱加工用模模具的功能和作用
　現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)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(yīng)用。
現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)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(jīng)單工序或多道成形工序，使材料或胚料成形加工成符合產(chǎn)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(jìn)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(jī)外殼洗衣機(jī)內(nèi)桶是采用塑料注射方法，經(jīng)一次注射成型為合格零件的；發(fā)動機(jī)的曲軸連桿是采用鍛造成形模具，經(jīng)滾鍛和模鍛成形加工為精密機(jī)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(chǎn)品零件，如一副硬質(zhì)合金模具，可沖壓硅鋼片零件（E型片、電機(jī)定轉(zhuǎn)子片）上億件，稱這類模具為大批量生產(chǎn)用模具。
適用于多品種、少批量或產(chǎn)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(jīng)濟(jì)價值，稱這類模具為通用、經(jīng)濟(jì)模具。
電子、計算機(jī)、現(xiàn)代通信器材與設(shè)備，電器、儀器與儀表等工業(yè)產(chǎn)品的元器件或零、部件越來越趨于微型化、精密化，其零件機(jī)構(gòu)設(shè)計中的槽、縫、孔尺寸要求在0.3mm以下，批量生產(chǎn)用模具要求很高。如高壓開關(guān)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(shè)計為70工位的精密級進(jìn)行沖模。又如，BP機(jī)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(shù)模具或?qū)＠湍＞摺?br /> 　大型模具，重量在10t以上的已很常見，有些模具重量已達(dá)30t。如大型汽車覆蓋件沖模，大型曲軸鍛模，大尺寸電視機(jī)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，模具的應(yīng)用越來越廣泛，其適應(yīng)性也越來越強(qiáng)。已成為工業(yè)國家制造工藝水平的標(biāo)志和獨立的基礎(chǔ)工業(yè)體系。
另外，采用模具進(jìn)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(dá)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(xué)的進(jìn)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(chǎn)技術(shù)，促進(jìn)模具設(shè)計，制造技術(shù)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高模具標(biāo)準(zhǔn)化水平和專業(yè)化協(xié)作生產(chǎn)水平，提高模具生產(chǎn)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(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。而模具材料的種類、熱處理工藝、表面處理技術(shù)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(jìn)模具的熱處理工藝，選用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砑夹g(shù)，合理的設(shè)計模具結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對模具的維護(hù)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(zhì)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(zhì)量和生產(chǎn)成本。為此，應(yīng)合理選擇模具材料，改進(jìn)熱處理工藝和表面處理工藝，大力推廣模具生產(chǎn)中的新材料、新工藝和新技術(shù)。

　　四、熱加工模具材料與模具壽命
　　為了提高生產(chǎn)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(shè)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，最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(shù)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(jī)用的內(nèi)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(jī)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(shè)計人員，首要任務(wù)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(shù)及收縮率
　　線膨脹系數(shù)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(shù)。
收縮率是指由熱加工溫度至室溫這段溫度區(qū)間內(nèi)單位長度金屬材料的尺寸變化，它與材料的線膨脹系數(shù)和熱加工溫度兩者有關(guān)。
模膛設(shè)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(xì)長的桿類件，扁薄的工件，冷卻快或打擊次數(shù)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(shù)
　　金屬種類 Fe Al Mg Cu Ni Ti
　　膨脹系數(shù)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(yīng)力或流動應(yīng)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(qiáng)度極限σb表示。通常金屬的變形抗力與材料的化學(xué)成分、組織、變形溫度，應(yīng)變速率及變形程度等有關(guān)，可表達(dá)如下
σs=σ（T，ε1，ε2，x）
式中 T——變形溫度；
ε1——變形程度；
ε2——應(yīng)變速率；
x——材料的物理化學(xué)性質(zhì)。
通常變形抗力隨溫度的升高而降低，應(yīng)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(fù)和動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行迅速，隨變形程度增大時，變形抗力逐漸減小。一般地講，當(dāng)變形溫度高于再結(jié)晶溫度時，由于形變硬化的現(xiàn)象不明顯，應(yīng)變速率的影響大，變形程度的影響??；而變形溫度低于再結(jié)晶溫度時，變形程度的影響較大，應(yīng)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(yīng)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(kuò)展而導(dǎo)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(qiáng)度：為防止熱鍛模發(fā)生早期磨損及變形，模具鋼應(yīng)具有較高的高溫硬度和高溫強(qiáng)度。
（3）高的淬火性：熱鍛模尺寸較大，要求模具整個截面力學(xué)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(dǎo)致模具早期斷裂。
4）高的熱疲勞抗力：若導(dǎo)熱性好，熱脹系數(shù)小，則熱疲勞抗力高，可以延緩熱疲勞裂紋的產(chǎn)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(dǎo)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(jī)械廠或鋼廠生產(chǎn)的其它鍛模鋼有：5CrNiTi、4SiMnMoV及5SiMnMoV、5CrNiW、5CrNiMoV等，國外進(jìn)口鍛模鋼有55CrNiMoV6等。
機(jī)械壓力機(jī)模塊用鋼鋼號為：4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr5MoSiV、4Cr3W2Vsi、3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V，應(yīng)用較好的其它鋼號4Cr3Mo3W4VNb、2Cr3Mo3VNb、2Cr3Mo2NiVSi；國外進(jìn)口鍛模鋼有YHD3等，壓力機(jī)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(dá)約700℃。冷卻及潤滑條件較好時，溫度可能偏低一些，但也會達(dá)到500℃左右，這也超過了5CrNiMo、5CrMnMo模塊的回火溫度，從而導(dǎo)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(qiáng)韌性模具鋼制作壓力機(jī)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(jī)鍛模（大尺寸） 5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi

　通常中、小型壓力機(jī)鍛模可選用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV及3Cr—3Mo型熱作模具鋼、5Cr4W5Mo2V、4Cr3Mo3W4VNb鋼等。目前應(yīng)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(xué)成份（％）（國標(biāo)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(yīng)力但不受沖擊載荷的凸模、凹模，如平鍛機(jī)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