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模具材料選用、熱處理與使用壽命

作者:大同彈簧 來源:大同彈簧 時間:2013-11-06 16:45:13 次數:

關鍵詞:模具壽命 冷作模具 熱作模具 塑料模具 模具用鋼 模具熱處理

從5個方面評述了模具技術:①影響模具使用壽命的基本因素;②模具的服役條件、失效方式及對模具用鋼的性能要求;③模具鋼力學性能指標的評述;④模具鋼的發展與選用;⑤模具的熱處理與工藝優化。特別強調了模具鋼的選用、熱處理及新型模具鋼的開發與模具使用壽命的關系。
關鍵詞:模具壽命 冷作模具 熱作模具 塑料模具 模具用鋼 模具熱處理

Selection and Heat Treatment of Die Materials
and Service Life of Dies
Zhou Jingen(School of Materials Science and Engineering,
Xi′an Jiaotong University,Xi′an 710049)

【Abstract】 In this paper the die technology was evaluated from the following five aspects:①fundamental factors influencing service life of dies,②service conditions,failure models of dies and property requirement to die steels,③evaluation on mechanical property parameters of die steels,④development and selection of die steels,⑤heat treatment and technology optimization of dies.The emphasis was laid on the selection and its heat treatment of die steels,and the development of new die steels and their influences on service life of dies.
Key words:service life of dies,cold forming dies,hot forming dies,dies for plastics forming,die steels,heat treatment of dies
  我國現有模具生產廠點約17000余家,從業人員約50萬人,年產值達200億元左右;商品模具約占1/3,其余為自產自用。從模具市場看,處于供不應求的狀態,特別是精密、大型、復雜、長壽命模具,缺口更大[1]。
  國內模具市場主要集中在汽車、摩托車、家電、電子產品、通訊設備和儀器儀表等行業。另外、通訊設備、PVC門窗和上下水管道及管接頭、鋁型材加工等都將成為模具的重要市場。
  面對如此巨大的模具市場,努力縮短模具的生產周期、提高模具的質量、延長模具的壽命直接和間接帶來的社會效益和經濟效益是難以估量的。模具的質量包括模具的精度、表面光潔度和模具壽命3個方面。模具的精度和光潔度主要由機加工決定,而模具的壽命取決于設計、加工、材料、熱處理和使用操作等多個因素,其中材料和熱處理是影響模具使用壽命最重要的內在因素。
  本文擬從以下5個方面評述模具技術:
  (1) 影響模具使用壽命的基本因素;
  (2) 模具的服役條件、失效方式及對模具用鋼的性能要求;
  (3) 模具鋼力學性能指標的評述;
  (4) 模具鋼的發展與選用;
  (5) 模具的熱處理與工藝優化。
1 影響模具使用壽命的基本因素[2]
  模具結構設計、模具材料、冷熱加工工藝、熱處理、研磨、機床的調整與操作、被加工材料的性質與狀態、潤滑條件及模具的服役環境是影響模具使用壽命的八大基本因素。
1.1 結構設計
  不合理的結構設計往往是造成模具早期失效和熱處理變形開裂的重要因素。模具的結構設計應盡量避免尖銳的圓角和過大的截面變化。尖銳圓角引起的應力集中可高達平均計算應力的10多倍。當由于模具結構的要求,尖銳圓角不允許消除時,可將整體結構改成組合式或將圓角的加工放在最終熱處理后進行。如內四方頭螺栓,原設計用冷鐓模鐓制,使用壽命500件,在沖頭圓角過渡應力集中部位折斷;后來改進設計,加大圓角過渡部位的半徑,由R=0.127mm增大到0.381~0.5mm,壽命提高到12000~27000件,仍在圓角過渡處斷裂失效;第二次改進設計成組合式,壽命提高到100,000件,最終以磨損失效[3]。為防止熱處理變形與開裂,截面尺寸力求均勻,形狀力求對稱而且簡單,盲孔盡量開成通孔,必要時可開工藝孔,對于形狀復雜易變形開裂的模具可改成組合式。
1.2 模具材料與熱處理
  模具材料對模具壽命的影響反映在模具材料的選擇是否正確、材質是否良好和使用是否合理3個方面。選材時必須兼顧模具使用性能要求。對于冷沖模應主要考慮鋼的強度、韌性和耐磨性。強度與韌性以及韌性與耐磨性之間往往此消彼長。當模具的主要失效方式是脆性開裂時可考慮選擇強度較低但韌性更好的材料或制訂合理的熱處理工藝以改善鋼的韌性,亦可根據實際情況選擇同時具有高強度與高韌性的高級合金鋼。從兼顧韌性和耐磨性的角度除了整體合理選材外,亦可考慮在保證韌性的同時,采用合理的表面處理以改善模具的耐磨性。塑料模具鋼選用時要兼顧其在塑料成形溫度下的強度、耐磨性和耐蝕性,同時還應考慮其加工性能和鏡面度。
  熱處理不當是導致模具早期失效的重要因素。熱處理對模具壽命的影響主要反映在熱處理技術要求不合理和熱處理質量不良兩個方面。統計資料表明,由于選材和熱處理不當,致使模具早期失效的約占70%。這個問題在第4節和第5節中另行討論。
1.3 冷熱加工工藝
  鍛造和機加工對模具壽命的影響,常常被人們忽略,不正確的鍛造和機加工往往成為導致模具早期失效的關鍵。以Cr12MoV鋼為例,該鋼是國內最常用的冷作模具鋼之一,屬于高碳高鉻萊氏體鋼,含有大量的一次和二次碳化物,偏析很大。因此,改善其碳化物分布狀況成為提高模具壽命的重要環節。表1為碳化物級別對Cr12MoV鋼力學性能的影響。
 共晶網狀碳化物難以通過熱處理消除,必須通過鍛造使其細化并均勻化。國標中對網狀碳化物級別要求較寬,實際使用中,需要重新改鍛,使其達到≤2級的碳化物的要求。為此需要對鋼坯從不同方向上進行多次鐓粗和拉拔,并應按“二輕一重”法鍛造。即坯料加熱到1100~1150℃始鍛時,要輕擊,防止鍛裂;在1000~1100℃溫度區內要重擊以保證擊碎碳化物;在1000℃以下因鋼料塑性降低要再度輕擊,防止出現內裂紋,并確保最后形成的碳化物排列方向垂直于模具的工作面,終鍛溫度850~900℃。鍛造比一般控制在2~2.5。利用鍛后余熱淬火,低溫回火,可獲得隱針馬氏體加細小彌散分布的碳化物和少量殘留奧氏體,可大幅度提高模具的使用壽命。
  不正確的機加工可能在以下3個方面導致模具早期失效:①不當的切削,形成尖銳圓角或過小的圓角半徑時常常造成應力集中,使模具早期失效;②表面光潔度不夠,存在不允許的刀痕,常常使模具因早期疲勞破壞而失效;③機加工沒有完全均勻地去除軋制和鍛造形成的脫碳層,致使模具熱處理后形成軟點和過大的殘余應力導致模具早期失效。
1.4 磨削和電火花加工
  磨加工可能導致金屬表面局部過熱,產生高的表面殘余應力以及組織變化等,其結果可能導致磨削裂紋的產生。常見的磨削缺陷有,磨削速度過快引起金屬燒傷;用鈍的或重載砂輪磨削或使用過細的砂輪和冷卻劑使用不當引發的磨削裂紋。細小的磨削裂紋難于用肉眼觀察,需用磁粉探傷或稀硝酸冷侵蝕方能顯示。輕的磨削裂紋常垂直于磨削方向平行分布,嚴重的磨削裂紋呈龜裂狀。這些磨削裂紋即使可以通過輕磨予以去除,但危害猶存,常導致模具在服役中早期失效。
  電火花加工常常作為模具的最后加工工序。電火花加工可在淬火回火模具的表面形成淬火馬氏體的白亮層,由于高碳馬氏體的固有脆性和顯微裂紋的存在,往往導致模具早期開裂失效。另外,電火花加工可在模具表面形成不良的殘余應力,降低了模具的使用壽命。
1.5 機床的調整與操作
  材質優良、結構設計正確、冷熱加工良好、熱處理合理的模具,由于機床調整和使用操作不當,仍然可能在服役過程中早期失效。機床調整和操作因素包括機床的精度、剛性、間隙調整、定位不準和偶然過載等。認真對待這些因素,將有助于發現模具失效的真正原因,生產上模具壽命的較大波動,常常與機床調整和使用操作因素有關,必須給予足夠重視。
  除了上述因素外,模具的潤滑條件和被加工材料的材質、硬度、尺寸以及端面平直度等外在因素,也都會影響模具的使用壽命。

2 模具的服役條件、失效方式及對模具鋼性能的要求
2.1 冷鐓模
  冷鐓是一種冷鍛工藝,憑借鐓鍛模在一次或多次沖擊下將坯料的部分金屬加工成特定的截面形狀。坯料主要是線材或棒料。冷鐓被廣泛地用于生產緊固件,如螺釘和鉚釘等。適合冷鐓的材料有低碳鋼絲或棒材(75~78HRB)、銅和銅合金、鋁和鋁合金、不銹鋼及含碳量低于0.44%的中碳鋼絲(球化退火)。冷鐓模分為凸模(或錘頭)與凹模,凹模又有整體凹模與開式凹模之分,整體凹模可以由一種材料制造,也可以采用兩種材料,中心型腔部分采用不同材料制成凹模鑲塊。開式凹模由表面帶槽的兩件模塊組成,兩件模塊組合在一起形成模膛。在模塊的不同表面開槽,然后通過翻轉模塊可組成多個新型槽。
  冷鐓模具表面要求高硬度(≥60HRC),硬材料的冷鐓模具要整體淬硬,以防壓塌;在保證不堆塌的前提下,為了使模具有足夠的韌性,防止開裂,冷鐓模具的心部硬度以40~50HRC為宜。
  常用的冷鐓模具鋼有T10A、9SiCr、9Cr2、Cr12MoV等,凹模鑲塊可用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、WC(含13%~25%Co)、W18Cr4V鋼制造,形狀復雜、沖擊大的凸模可采用耐沖擊鋼5CrW2Si、60Si2Mn和基體鋼。
2.2 冷擠壓模
  冷擠壓分為正擠壓、反擠壓和復合擠壓。冷擠壓沖頭承受較大的動載荷,為防止模具早期疲勞失效,應避免過大的應力集中,并應注意沖頭的穩定性,沖頭的長徑比(L∶D)不能過大,擠壓鋼件時,L∶D≤3∶1,擠壓銅及其合金L∶D≤5∶1,擠壓鋁及其合金L∶D≤10∶1。當模具承受的應力超過材料的σ0.2/2時,凹模需加預應力環,凹模與預應力環之間可采用錐度(0.5°~1°)配合或熱壓配合(紅套)。
  低中碳鋼的冷擠壓模具要求有高的硬度(59~66HRC),高的抗壓屈服強度和適當的韌性。常用的模具材料有Cr12MoV、Cr12Mo1V1、W6Mo5Cr4V2鋼和基體鋼等,內預應力環常采用4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si鋼(46~48HRC),外預應力環通常用4Cr5MoVSi、5CrNiMo等鋼制造。
  鋁合金冷擠壓模可采用T7A、T10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15、9SiCr和CrWMn等鋼制造。
3 模具鋼力學性能指標的評述
  冷作模具要求材料具有高的強度、良好的塑性和韌性及耐磨性;熱作模具用鋼要求在工作溫度下保持高的強度和韌性、良好的抗燒蝕性、熱穩定性和優良的熱疲勞抗力。問題是用什么指標來評價上述性能指標?冷作模具鋼一般含碳量較高,通常在回火馬氏體加碳化物組織狀態下使用,脆性大。常規拉伸試驗時,往往在彈性范圍內即發生斷裂,測不出模具鋼的塑性。工程上常采用其他試驗方法評定鋼的力學性能。文獻[5]選擇常用的冷變形工模具鋼,測定了其拉伸、彎曲、扭轉、壓縮、一次沖擊、斷裂韌度和沖擊疲勞性能,對其強度、塑性、韌度指標及與模具壽命關系進行了綜合評述。
3.1 強度
  結構鋼最重要的強度指標是拉伸強度極限σb和屈服極限σ0.2。對于高強度低塑性冷作模具鋼拉伸試驗用得較少,其原因是大圓弧拉伸試樣難以加工并且數據散亂性也比較大。工程上通常根據模具的服役條件選用彎曲、扭轉或壓縮試驗測得的σbb、σbs、τb、τs、σcs作為冷作模具鋼強度的表征參量。
  在上述這些強度指標中,習慣上容易想到強度極限指標如σbb、τb等。然而,強度極限不是一個獨立的力學性能指標,它既取決于屈服極限的高低,又取決于形變強化指數和形變強化容量(塑性)的大小。本質上冷作模具鋼的強度指標應該是用不同試驗方法測得的屈服極限。圖1比較了各種鋼的強度極限與屈服極限。由圖1可以看出,各鋼種用同一試驗方法測得的強度極限和屈服極限差別不大,不超過30%。值得指出的是盡管試驗方法不同,但各鋼種的屈服極限卻具有相同的變化規律,即鋼的σbs高,則τs、σcs和σs也高,而強度極限則不同。這反映了屈服極限是材料的基本性能指標,它代表材料微量塑性變形的抗力。而強度極限作為強度表征參量的物理意義則不夠明確。從工程應用的角度,要保證批量生產的被加工零件的精度,模具本身除了要求具有較高的尺寸精度外,使用中不允許發生過量的塑性變形,故模具的設計應力不得超過材料的屈服強度。從這個意義來說,屈服極限比強度極限有更重要的工程意義。
圖1 冷作模具鋼的強度極限與屈服極限
1. T8鋼 2. T10鋼 3. GCr15鋼 4. W18Cr4V鋼
5. 6CrW2Si鋼 6. 6Cr4Mo3Ni2WV鋼
3.2 塑性
  塑性與加載方式有關。對于高碳高強度的冷作模具鋼,通常用彎曲和扭轉試驗測得的總彎曲撓度(ft)和扭轉角(φt)表征其塑性。然而ft和φt反映了材料在彎曲和扭轉應力作用下斷裂前最大變形能力,它包括彈性變形能力和塑性變形能力兩部分。因此,通常采用彎曲塑性撓度fp、塑性扭轉角φp、壓縮相對變形ε和拉伸斷面收縮率ψ作為工模具鋼的塑性表征參量。試驗結果示于圖2中。與強度指標相比,各鋼種的塑性變化幅度較大。例如,6CrW2Si和W18Cr4V鋼的φp和fp相差幾十倍,前者的ψ值高達13.4%而后者ψ為零。與屈服極限相同,用不同方法測得的各鋼種塑性參量也具有相同的規律,不因應力狀態的變化而變化。
圖2 冷作模具鋼的塑性
1. T8鋼 2. T10鋼 3. GCr15鋼 4. W18Cr4V鋼
5. 6CrW2Si鋼 6. 6Cr4Mo3Ni2WV鋼
3.3 韌性
  工模具鋼的韌性可用不同的參量描述。Grobe等人用材料彎曲試驗的塑性撓度fp和屈服極限σbs的大小這兩個參量表征鋼的韌性[6]。Weigand提出用靜彎曲和靜扭轉試驗測得的塑性功的大小作為韌性的表征參量[7]。Seabright論述工模具鋼的韌性時,主要指一次無缺口沖擊值和扭轉沖擊值[8]。近年來,關于斷裂韌度在工模具上的應用也受到了廣泛的關注[9,10]。從工程應用的角度,上述韌性指標作為防止工模具斷裂的抗力指標有很大的局限性。若用靜彎曲或靜扭轉測得的塑性功表征鋼的韌性并借此選擇材料和制訂工藝,可能導致錯誤的結論。試驗表明,盡管6CrW2Si鋼的彎曲總功和塑性變形功分別為W18Cr4V鋼的2.3倍和9.8倍,但在較低的沖擊應力下(沖擊能量=3.27N.m和1.83N.m),前者的沖擊破壞周次卻只有后者的40%~70%。
  斷裂韌度作為防止冷變形工模具斷裂的性能指標有一定局限性。工模具都是用軋制鋼材,經鍛造和嚴格的機加工以后成型的,表面缺陷小而少,雖然材料本身的夾雜物和第二相可以看做為一種缺陷,但是大多數冷作模具的斷裂不屬于一次或少周次載荷作用下的脆斷而是疲勞斷裂,疲勞裂紋的萌生和早期擴展占據總壽命的80%以上。KIC是一個防裂紋體脆斷的指標,它對抗疲勞斷裂的貢獻主要表現在影響極限裂紋的深度,它不能用作冷作模具的主要失效抗力指標。試驗結果表明,雖然W18Cr4V鋼的沖擊韌度(KIC=16.8MPa.m1/2)比6CrW2Si鋼(KIC=26MPa.m1/2)低35%,但它們的沖擊疲勞壽命卻與此無對應關系。
  由于一次擺錘沖擊試驗和扭轉沖擊試驗不能反映模具的實際服役條件,故用做冷作模具斷裂失效抗力指標也是不合理的。但是由于試驗方法簡單易行,并且沖擊扭轉試驗對鋼的組織比較敏感,所以這兩種試驗方法在工模具鋼的研究中仍被廣泛地采用著。
  圖3對比了6種鋼的KIC、彎曲功、扭轉功和一次無缺口沖擊能。由圖2和圖3可以看出,各鋼種對應的塑性和韌性表征參量具有相同的變化規律。表明冷變形工模具鋼韌性的大小在很大程度上反映了相應應力狀態下鋼的塑性。這是因為冷作模具鋼的強度變化幅度小,塑性變化幅度大的緣故。
圖3 冷作模具鋼的韌性
1. T8鋼 2. T10鋼 3. GCr15鋼
4. W18Cr4V鋼 5. 6CrW2Si鋼 6. 6Cr4Mo3Ni2WV鋼

3.4 沖擊疲勞抗力及其與強度、塑性和韌性的關系
  圖4和圖5比較了6種鋼的沖擊疲勞抗力。由圖1至圖5可以看出,任何單一的靜載力學性能指標都不能全面反映鋼的沖擊疲勞抗力,這是因為后者不是一個單純的強度指標或單純的塑性指標,而是一個要求強度和塑性合理配合的抵抗循環沖擊載荷的指標。沖擊載荷較低時(1.83N.m),鋼的沖擊疲勞壽命主要取決于強度;沖擊載荷較高(沖擊能量=3.95N.m)時,各鋼種的沖擊疲勞壽命又主要由塑性(彎曲fp)的大小所決定。因此,在選用工模具材料和進行熱處理工藝變革時,外載荷較低時應主要考慮材料的強度指標;外載荷較高時,應當在保證一定強度水平前提下,努力提高材料的塑性。

圖4 冷作模具鋼的沖擊疲勞抗力
圖5 冷作模具鋼的沖擊疲勞壽命
1. T8鋼 2. T10鋼 3. GCr15鋼
4. W18Cr4V鋼 5. 6CrW2Si鋼 6. 6Cr4Mo3Ni2WV鋼
4 模具鋼的發展與選擇[12]
  我國各類模具鋼、低熔點合金、鋼結硬質合金、高溫合金等新型模具材料有70余種。在GB 1299—85合金工具鋼國家標準中,列入了33個鋼種,在JB/T6058—92沖模用鋼及其熱處理技術條件中,收入新鋼種5個。基本上形成了具有我國特色的模具用材體系。標準中Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9SiCr、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V和60Si2Mn等鋼種是模具生產中應用較多的材料,約占80%。20、45、38CrMoAlA、T7A、T8A、T10A和T12A鋼等材料多用于工作負荷低,要求不高的模具和模架。W18Cr4V鋼和W6Mo5Cr4V2鋼用于工作負荷大、要求較高的模具[13]。近年來,隨著模具工業的發展,我國又自行開發研制了一些新型模具鋼,主要的幾種列于表2中。
4.1 冷作模具鋼
4.1.1 火焰淬火鋼 近年來,針對覆蓋件沖模,特別是大型鑲塊模具的加工和熱處理問題,國外,主要是日本,開發了Si-Mn系列的含碳量為0.6%~0.8%的中合金火焰淬火鋼。我國的7CrSiMnMoV火焰淬火鋼與日本的SX105V鋼成分相同。淬火時可用火焰加熱模具刃口切料面,淬火前需對模具進行預熱(預熱溫度180~200℃),該鋼淬火溫度范圍較寬(900~1000℃),對模具刃口施行局部火焰加熱,硬化層的硬度與整體淬火相近,表層具有殘余壓應力,硬化層下又有高韌性的基體,減少了刃口開裂、崩刃等早期失效的發生,提高了模具壽命。該類鋼的另一特點是淬火變形小,一般只有0.02%~0.05%,故可以在機加工完成后采用氧乙炔噴槍等工具對模具工作部位火焰加熱空冷淬火和火焰加熱回火后直接使用。
4.1.2 基體鋼 基體鋼是指在高速鋼淬火組織基體化學成分基礎上,添加少量其它元素,適當增減碳含量,使鋼的成分與高速鋼基體成分相同或相近的一類工模具鋼。這類鋼由于去除了大量的過剩碳化物,因此,與高速鋼相比,其韌性和疲勞強度得到了大幅度的改善,但又保持了高速鋼的高強度、高硬度、紅硬性和良好的耐磨性。表2中列出了5種基體鋼。以65Nb鋼為例,該鋼的成分與M2高速鋼淬火組織中基體成分相當,但含碳量提高到0.65%,使其具有一定數量的一次碳化物,因而改善了耐磨性,除了Cr、W、Mo、V這些高速鋼的通用元素外,還加入0.2%~0.35%Nb,Nb在鋼中形成穩定的NbC,并可溶入MC和M6C碳化物中,增加了碳化物的穩定性,一方面延緩了淬火加熱時碳化物的溶解速度,阻止了晶粒長大,另一方面降低了奧氏體中的碳含量,增加了板條馬氏體的數量,因而該鋼具有良好的綜合力學性能,被廣泛用于制作冷擠壓、冷鐓、冷沖模具。


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