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冷作模具钢材质性能分析

冷作模具钢材质性能分析
在冷作模具钢中,所发展的材料有:
高韧性、高耐磨性模具钢 这些钢C、Cr含量低于传统的Cr12型模具钢,增加了Mo、V合金数量、其耐磨性优于Cr12Mo1V1钢,韧性和抗回火软化能力则高于Cr12,如美国钒合金钢公司早期发表的Vasco Die(8Cr8Mo2V2Si)、日本大同特殊钢公司的DC53(Cr8Mo2VSi),我国自行开发的则有7Cr7Mo2V2Si(LD钢)、9CrW3Mo2V2(GM钢)等,分别用于冷挤压模具,冷冲模具及高强度螺栓的滚丝模具。
国内冷作模情况:
1. 冷作模具钢的开发情况
对冷作模具材料的主要性能要求是:良好的耐磨性,足够的强度和韧性,高的疲劳寿命,良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。九十年代以前,国内常用的冷作模具钢有:碳素工具钢T1OA,合金工具钢9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si;高速工具钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2;轴承钢GCr15;弹簧钢60Si2Mn,渗碳钢20Cr、12CrNi3A;不锈钢3Crl3等。其中用量蕞大的是 C r12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和 W18Cr4V。为满足生产要求,国内先后研究开发了一系列新型冷作模具钢。
1、高强韧耐磨钢
Cr12系列冷作模具钢是较广泛采用的钢种系列,具有良好的淬透性和耐磨性,但共晶碳化物偏析较严重,韧性较差,淬火后异常变形较大。为弥补此类钢的性能缺陷,国内先后开发了一些高强韧耐磨钢,如7 Cr7Mo2V2Si(代号 L D)、Cr8WmoV3Si(代号 ER5)、9 Cr6W3Mo2V2 (代号 GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等。与 Cr12、Cr12MoV相比,此类钢的碳和铬的含量较低,改善了碳化物不均性,提高了韧性;适当增加了 W、Mo、V等合金元素的含量,从而增强了二次硬化能力,提高了耐磨性。所以,此类钢在具有良好的强韧性的同时,还有优良的耐磨性和较好的综合性能,主要用于制造承受应力较大、要求高强韧性和耐磨损的各类冷作模具。
7Cr7Mo2V2Si,代号LD,蕞初是针对冷镦模具而研制的。其碳含量低于 G.Steven推荐的'平衡碳'规律,使钢在具有高硬度的同时,又具有较好的韧性;加入Cr、Mo、V元素,有利于二次硬化,保证钢具有较高的硬度、强度和良好的耐磨性;加入一定量的 Si,以强化基体,提高回火稳定性。LD钢常用的热处理工艺是1100~1150℃ 淬火,530~570℃ 回火,回火后硬度 HRC57~63。1100℃淬火后的组织为细针马氏体十残留奥氏体十剩余碳化物,晶粒度10.5级。 l100℃ 淬火、570℃回火后的组织为回火马氏体十残余碳化物。 LD钢已被广泛应用于制造冷锻、冷冲、冷压、冷弯等承受冲击、弯曲应力较大,又要求耐磨损的各类冷作模具。
Cr8MoWV3Si,代号 ER5,在具有较高强韧性的同时,又具有突出好的耐磨性。该钢在回火过程中弥散析出的特殊碳化物,是 ER5比 Crl2系钢具有更高强韧性和耐磨性的重要原因。ER5钢适用于制造承受冲击力较大,冲击速度较高的精密冷冲,重载冷冲以及要求高耐磨的其他冷作模具。
9Cr6W3Mo2V2,代号GM,也是以提高耐磨性为主要目的而研制的高耐磨冷作模具钢。该钢通过 Cr、 W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比,并根据'平衡碳'规律配碳,使钢具有蕞佳的二次硬化能力及抗磨损能力,同时又保持了较高的强韧性和良好的冷热加工性能,适用于制造冲裁、冷挤、冷锻、冷剪、高强度螺栓滚丝轮等精密、高耐磨。
2、在热作模具钢中新发展的材料有:      (冷作模具钢材质性能分析)
1) 通用型热作模具钢 以55NiCrMoV6为代表的低合金热作模具钢,以H13(4Cr5MoSiV1)为代表的中合金热作模具钢;以H10(3Cr3Mo3VSi)钨系钼系热作模具钢。目前在我国4Cr5MoSiV1是产量蕞高的热作模具钢。
2) 高淬透性特大型锻压模块用钢 淬透性好,尺寸较大的模具心部可以获得均匀的性能。如ISO4957标准中的40NiCrMoV;法国NF35590标准中的40NCD16;我国的4Cr2MovNi、3Cr2MoWVNi等。
3) 高热强性模具钢 又可分为以下四类。
A 中合金高热强性模具钢,一般是在3Cr3Mo3SiV(H10)和4CR5MoSiV1(HB)钢的基础上增加W、Mo、Co、Nb等元素,提高其高温性能。如美国ASTM标准钢号H10A、我国开发的3Cr3Mo3W2V等。
B 沉淀硬化型热作模具钢,这类钢的含碳量较低,一般在2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等,模具淬火后,采用较低温度回火(≈400oC),硬度为40HRC左右,由于含碳量低,中温回火后的组织为板条状低碳马氏体,具有良好的韧性,而且具有良好的切削性,可以进行型腔加工。模具在使用过程中,与高温工件接触的工作表面被工件加热到钢的沉淀硬化度(500~600 oC),模具的工作表面由于合金碳化物和金属间化合物的析出,工作表面的硬度可上升到45~48HRC,提高了型腔表面的耐磨性模具心部仍保留原有的组织和高韧性,从而提高了模具的使用寿命。如日本日立金属公司的YHD3、大同特殊钢公司的DH76等。
C 纸碳高速钢和基体钢 高速工具钢具有良好的抗回火软化性能和高温硬度,但是其韧性和抗冷热疲劳性能较差。低碳高速钢是将高速钢的碳含量由1%左右降至0.3%~0.6%,在牺牲部分红硬性和耐磨性的情况下,提高韧性和抗冷热疲劳性能,如美国ASTM标准钢号H42,我国标准钢号6W6Mo5Cr4V。
基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组成部分,所以淬火后过剩碳化物的数量少,细小均匀,使钢的韧性和抗冷热疲劳性能进一步得到改善。如美国钒合金铁公司的VascoMA(5Cr4W3Mo2V),我国的6Cr4Mo3W2VNb。这种钢由于综合性能较好,即可以用于热作模具钢,也可以用于制造高性能的冷作模具。
D 奥氏体型热作模具钢,这类钢经固熔时效处理后,在700~800 oC仍保持较好的强度,如日本日立金属公司的5Mn18Cr10V2,我国的7Mn10Cr8Ni10Mo3V2等。
3、塑料模具钢由原国际中的3Cr12Mo(P20)一个钢号发展成由以下七大类构成的塑料模具用钢系列:
                      (冷作模具钢材质性能分析)
1) 非合金塑料模具钢 主要用于制造生产通用型热塑性塑料生产工作批量不大,技术要求不太严格制品模具。如20、45等碳结构钢和T8、T10等碳素工具钢。
2) 预硬型塑料模具钢 采用中碳合金钢预先经过淬火和高温回火状态下(硬度为30~40HRC)交货:代表性的钢号如美国的P20、瑞典ASSAB公司的718(3CR2MnNiMo),日本大同特殊钢公司的PDS5,我国的3Cr2Mo等。
3) 时效硬化型塑料模具钢 由于时效温度低,变形小,而且有规律,适用于制造形状复杂,尺寸精度要求高的模具,如美国ASTM标准钢号P21,日本大同特殊钢公司的NAK55(2Ni2AlCuMoS),NAK80,我国的25CrNi3MoAl等。
4) 渗碳型塑料模具钢 一般为C、Si含量很低的低碳钢或低碳合金钢,以保证钢在常温下具有高塑性和很低的变形抗力,以便进行型腔的冷挤压,挤压成型腔后进行渗碳淬火、回火,使模具表面具有高硬度和抗磨损性能,一般用于制造要求耐磨性较高的热固性塑料模具和增强塑料模具。如美国ASTM标准钢号P2(10CrMo),P3(10CrNi);我国的20Cr、12CrNi2等。
5) 整体淬硬型模具钢 一般都是借用高耐磨性冷作模具钢及热作模具钢。如Cr5Mo1V(A2)和Cr12Mo1V1(D2)等冷作模具钢和4Cr5MoSiV1等热作模具钢。
6) 耐蚀塑料模具钢 有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、阴燃料等在压制过程中对模具有腐蚀作用,因此,对此类塑料模具一般采用马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢,如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Cr13),我国研制的PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)等。
7) 无磁塑料模具钢 为了适应磁性塑料制品的生产,国内外发展了一些无磁塑料模具钢,将奥氏体型模具钢通过时效硬化处理得到要求的硬度强度和低的导磁率,如日本日立金属公司的HPM7,我国的7Mn15Cr2A13V2Wmo等。
此外,为了适应塑料模具制造过程中的一些对钢的工艺性能的特殊要求,发展了以下四类专用的特种塑料模具钢种。
1) 镜面磨削用塑料模具钢 纯净度、致密度极高,材质均匀性好,且淬回火硬度较高。适用于制作光学仪器、电子设备的透明制品。如瑞典材料S136,日本大同特殊钢公司的SSTAR等。
2) 非调质型预硬塑料模具钢锻(轧)后直接得到要求的硬度,一般为30~40HRC。如我国的3Cr2MnMoVS钢等。
3) 高焊接性塑料模具钢 此类钢焊接性能很好,可以避免或简化焊前预热或焊后处理工艺,以便模具的堆焊修复工作。如日本大同特殊钢公司开发的PXZ、PX5及NAK55等。
4) 易切削塑料模具钢 此类钢由于既加入了S等易切元素,又同时加入了Ca等变性剂,所以既改善了钢的切削性能,又抑制了硫对钢的力学性能和热加工性能的不利影响。如日本大同特殊钢公司的NAK55、DHA2F,我国的5NiCaS等。



编     辑:日加金属制品(上海)有限公司技术部
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