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鍛造模具用特殊鋼的特性和選擇與應(yīng)用
來(lái)源:鄭州華隆tel_0371-60121717 | 發(fā)布日期:2018-01-24

1 冷作模具用材

1.1 冷鍛模具

冷鍛是不用對(duì)鍛坯加熱,在常溫下對(duì)鍛坯進(jìn)行鍛造的加工方法。因此,冷鍛可以制造高尺寸精度的產(chǎn)品。但另一方面,由于冷鍛是在常溫下對(duì)鍛坯進(jìn)行成形加工,變形強(qiáng)度高,所以冷鍛用模具的負(fù)荷很大。近年來(lái),東南亞新興國(guó)家鍛造品產(chǎn)量不斷增加。此外,無(wú)切削化的高精度鍛造和形狀復(fù)雜鍛件鍛造技術(shù)也有了發(fā)展。

1.2 冷鍛模具用材

冷作模具主要用材是高速工具鋼。其中包括冷作工具鋼和熱作工具鋼。大批量生產(chǎn)用模具使用超硬合金。鍛造設(shè)備輔助部件使用低合金鋼和碳素鋼。

1.2.1 冷鍛模具用材性能比較

超硬合金的壓縮強(qiáng)度高、耐磨性好,但缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度和韌性很低。反之,機(jī)械結(jié)構(gòu)用碳素鋼韌性高但耐磨性差。耐磨性和韌性是互為相反的特性。選擇最佳模具材料是一件很困難的事情。

1.2.2 各種模具用材的特性

1)超硬合金

鍛造工具使用的超硬合金是高Co材料WC-Co,Co含量在10%以上。冷鍛工具應(yīng)根據(jù)需要,合理地區(qū)別使用超硬合金和工具鋼。超硬合金和工具鋼的主要特性差別如下。

(1)超硬合金的優(yōu)點(diǎn)

① 硬度高、耐磨性好;② 壓縮強(qiáng)度高;③ 縱彈性系數(shù)是工具鋼的2.5-3.0倍;④熱膨脹系數(shù)小(約為工具鋼的1/2);⑤ 導(dǎo)熱率高(約為工具鋼的3倍)。

(2)工具鋼的優(yōu)點(diǎn)

① 抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度高(約為超硬合金的2-3倍);② 韌性好、彈塑性變形量大;③ 被切削性好;

 2)高速工具鋼

冷鍛、溫鍛的工具、模具使用的材料是兼有耐磨性、韌性和耐熱性的高速工具鋼。近年來(lái),使用的主流高速工具鋼是Mo系高速工具鋼SKH51。此外, 也 使用SKH55、SKH57。SKH55、SKH57鋼中為提高耐磨性和耐熱性添加了W、V、Co。

(1)高速工具鋼的耐磨性:基體鋼高速鋼<SKH51<SKH55<SKH57。

(2)高速工具鋼的韌性:SKH57<SKH55<SKH51<基體鋼高速鋼。

(3)高速工具鋼的耐熱性:基體鋼高速鋼<SKH51<SKH55<SKH57。

3)冷作工具鋼

冷鍛模具一般使用SKD11。SKD11含有較多的碳化物,并且成分接近于SKD61,具有實(shí)用的耐磨性和韌性。其他冷作工具鋼有SKD12、SKD1等。大型冷鍛模具一般使用冷作工具鋼。與高速工具鋼相比,冷作工具鋼的淬透性、熱處理變形和尺寸變化小。冷作工具鋼用于冷鍛的沖頭和模具。

4)低合金工具鋼

過(guò)去小批量生產(chǎn)鍛造品時(shí),鍛造工具使用的是低合金工具鋼SKS2、SKS3、SKS31。應(yīng)力沖頭用材是:φ30mm以下的小徑?jīng)_頭使用SKS2(850℃油冷、60HRC以上),φ30mm以上的大徑?jīng)_頭使用SKS3(屈服強(qiáng)度略有不足)。由于低合金工具鋼的熱處理、硬度的局限性,僅將低合金工具鋼用于鍛造設(shè)備中不承受大負(fù)荷的輔助部件。

1.3 冷鍛模具材料的選定

有時(shí),即使使用高級(jí)工具材料也不能提高工具的使用壽命。原因是工具壽命是由設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、技術(shù)、模具制作、材料、熱處理等多種因素決定的。為了通過(guò)模具材料提高模具壽命,必須知道模具要求的特性,選擇與之相符合的模具材料。

選擇冷鍛模具材料時(shí)必須在弄清模具損傷的原因后,選擇材料的硬度和鋼種。而實(shí)際模具的受力狀態(tài)非常復(fù)雜,所以弄清模具損傷現(xiàn)象比較困難。以下是冷鍛模具材料選定的大致標(biāo)準(zhǔn)。

1)特別要求耐磨性的冷鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

鋼中碳化物含量越多、碳化物硬度越高,鋼的硬度越大,模具材料的耐磨性越好。材料耐磨性由差到好的順序是:SK5、SK4→ SKS94、 SKS3→ SKD11、基體鋼高速鋼 →SKD1、SKD51 → SKH55 →SKH57 → 超硬合金。

2)特別要求韌性的冷鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

鋼基體的韌性越大、碳化物越少,模具材料的韌性越好。材料韌性由差到好的順序是:超硬合金 → SKH57 → SKD1→ SKD11 → SKS3 → SKH55→ SKH51→基體鋼高速鋼→SKD61。

3)特別要求抗拉強(qiáng)度的冷鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

選擇硬度高的鋼種可以滿足冷鍛模具對(duì)抗拉強(qiáng)度的要求。需要注意的是,雖然材料的抗拉強(qiáng)度與硬度成正比例關(guān)系,但硬度過(guò)高,抗拉強(qiáng)度會(huì)急劇下降。每個(gè)鋼種抗拉強(qiáng)度開(kāi)始急劇下降的硬度是不同的。材料抗拉強(qiáng)度由低到高的順序是:超硬合金→SKD1→SKD11、SKS3→SKH51。

4)特別要求壓縮強(qiáng)度的冷鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

彈性模量越大,材料的臨界壓屈荷載越高。因此碳化物含量多的材料具有高的壓縮強(qiáng)度。壓縮抗拉強(qiáng)度由低到高的順序是:SKS3 → SKD11 →SKH51 → SKD1 → SKH57 →粉末高速鋼→超硬合金。

5) 特別要求疲勞強(qiáng)度的冷鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

強(qiáng)度、韌性匹配良好的材料可以提高模具的疲勞壽命。耐疲勞性由低到高的順序是:SKS3→SKD11→SKH51→基體鋼高速鋼→粉末高速鋼。

6) 大尺寸冷鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

模具大型化,使模具材料的使用受到限制。材料使用不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致模具產(chǎn)生大裂紋。每個(gè)鋼種有自己的極限尺寸,超過(guò)極限尺寸時(shí),會(huì)導(dǎo)致材料的性能下降。Cr、Mn含量少的低合金鋼可使用的尺寸小。模具的尺寸決定了可使用的鋼種。材料的極限使用尺寸由小到大的順序是:SKS3(φ70mm) →SKD1(φ150mm)→粉末高速鋼(φ180mm) →SKH51(φ18 0mm) →SKD1 2(φ250mm)→基體鋼高速鋼、SKD11(φ550mm)。

2 熱作模具

2.1 熱鍛模具用材

熱鍛是對(duì)被加熱的鍛坯進(jìn)行鍛打,施加高壓,使之變形的加工方法。由于熱鍛是對(duì)高溫加熱的鍛坯進(jìn)行成形,所以熱鍛模具的使用壽命較短。冷鍛可以制作高精度、難成形的復(fù)雜形狀零部件。而熱鍛鍛件的表面質(zhì)量和尺寸精度都不太好。因此在制作復(fù)雜形狀鍛件時(shí),采用不易產(chǎn)生飛刺和多余材料的密閉鍛造或閉塞鍛造方法,并要進(jìn)行多次鍛造。

2.2 熱鍛模具的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

熱鍛錘擊模型鍛造,需要進(jìn)行多次鍛造才能完成最終鍛件制品。在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生坯料多余材料,所以熱鍛錘擊模型中有容納多余材料的部位。在這個(gè)部位內(nèi)多余材料發(fā)生塑性變形。

閉塞鍛造是將鍛坯封閉在上下模具的型腔內(nèi),利用模具和沖頭使鍛坯向多方向變形,并使坯料充滿模具型腔的鍛造方法。

2.3 熱鍛模具用材

2.3.1 熱鍛模具材料特性比較

熱溫鍛模具要求高溫強(qiáng)度高、熱沖擊性好,韌性可以略低一些。而錘擊鍛造模具要求高韌性、不易產(chǎn)生裂紋的材料,但耐磨性可以略低一些。

2.3.2 溫鍛模具

溫鍛模具用材多為具有耐磨性、韌性和耐熱性的高速鋼SKH51。在鍛造負(fù)荷大和對(duì)模具進(jìn)行強(qiáng)力冷卻的情況下,多采用韌性良好、抗熱軟化性強(qiáng)的SKD61、SKD62。在對(duì)高溫強(qiáng)度要求更高、耐熱裂性要求更好的情況下,使用SKD6和AISI標(biāo)準(zhǔn)中的H19。

2.3.3 錘擊熱鍛模具

錘擊熱鍛模具與加熱到高溫的鍛坯接觸時(shí)間短,模具升溫較小。所以模具材料應(yīng)具有良好的抗沖擊性和耐磨性。因此,使用高韌性的SKT系材料(調(diào)質(zhì)狀態(tài)硬度HB352-415)。使用較多的是SKT系材料代表性牌號(hào)SKT4。模具越大,為了提高韌性,要將材料的硬度降低。防止模具發(fā)生早期裂紋的經(jīng)驗(yàn)性標(biāo)準(zhǔn)是,材料的夏比沖擊值大于30J/cm2。當(dāng)夏比沖擊值為5-10J/cm2以下時(shí),大型模具容易發(fā)生早期裂紋。

2.3.4 熱沖壓鍛造模具

熱沖壓鍛造模具與高溫鍛坯接觸時(shí)間長(zhǎng),受到的沖擊小,所以要求高溫硬度足夠大。一般的熱沖壓鍛造模具使用的材料是具有適度高溫硬度、抗開(kāi)裂性強(qiáng)、淬透性好和熱處理變形小的SKD6、SKD62、SKD61等牌號(hào)鋼種。高壽命模具使用SKD7,特別要求高強(qiáng)度、高耐磨性的特殊用途模具使用AISI標(biāo)準(zhǔn)的SKD8、SKD4、SKD5等牌號(hào)鋼種。此外,工作溫度很高的模具要使用析出硬化型模具鋼。這種鋼的高溫硬度很大。

2.4 熱鍛模具用材的選定方法

為了通過(guò)模具用材提高模具使用壽命,必須了解模具要求的特性,并選擇符合模具特性的材料。熱鍛模具用材大致的選定標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)實(shí)際模具使用壽命,確定的硬度標(biāo)準(zhǔn)。

1)要求耐磨性的熱鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

材料的硬度越大、高溫強(qiáng)度(硬度)越高,耐磨性越好。材料的耐磨性由小到大的順序是:SKT3、SKT4→SKD6(H11) →SKD61(H13)→SKD62(H12) →SKD7(H10)→SKD4、SKD5(H21)→SKD8(H19)→基體鋼高速鋼→SKH51(M2)→粉末高速鋼。

2) 要求韌性的熱鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

鋼基體的韌性越大、碳化物越少,模具材料的韌性越好。材料韌性由差到好的順序是:SKH51、SKD8(H19)、SKD5(H21)、SKD4→SKD7(H10)→SKD62(H12)→SKD61(H13) →SKD6(H11)→SKT3→SKT4→SKT6。

錘擊鍛造模具承受沖擊負(fù)荷,有產(chǎn)生裂紋的可能,所以使用韌性良好的SKT6、SKT4。小型錘擊鍛造模具可使用Ni含量較少的、韌性稍差的SKT3。SKD6、SKD61、SKD62的韌性?xún)H次于SKT材,但具有較高的高溫強(qiáng)度和良好的耐磨性,所以常常用于大型錘擊鍛造模具。

3)要求抗熱裂性的熱鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

具有高硬度、良好韌性和一定的高溫強(qiáng)度的材料抗熱裂性?xún)?yōu)良。材料抗熱裂性由差到好的順序是:SKT3、SKT4 →SKD6(H11) → SKD61(H13)→ SKD62(H12) → SKD7(H10)→ SKD4 → SKD5 →SKD8(H19)。

模具厚度超過(guò)230mm時(shí),常常突然發(fā)生大裂紋。采用高韌性、低硬度和高淬透性材料有助于防止大裂紋的發(fā)生。材料抗大裂紋性由差到好的順序是:高速鋼→粉末高速鋼→基體鋼高速鋼→SKD8→SKD7→ SKT3、SKT4→SKD62 → SKD61 → SKD6。

4)要求高溫強(qiáng)度的熱鍛模具材料選定標(biāo)準(zhǔn)

材料高溫強(qiáng)度由差到好的順序與抗熱裂性由差到好的順序相同。即,SKT3、SKT4 →SKD6(H11) → SKD61(H13)→ SKD62(H12) → SKD7(H10) → SKD4 → SKD5 →SKD8(H19)。

要求高溫強(qiáng)度和耐磨性略?xún)?yōu)于SKD61時(shí),可使用SKD62。再提高高溫強(qiáng)度和耐磨性時(shí),要使用SKD7、SKD8。但是SKD7、SKD8的淬透性較差,大型模具不能淬透到模具中心,回火后韌性較差,所以不能用于大型模具。

 

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