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锻造模具用特殊钢的特性和选择与应用
来源:郑州华隆机械tel_0371-60121717 | 发布日期:2018-01-24

1 冷作模具用材

1.1 冷锻模具

冷锻是不用对锻坯加热,在常温下对锻坯进行锻造的加工方法。因此,冷锻可以制造高尺寸精度的产品。但另一方面,由于冷锻是在常温下对锻坯进行成形加工,变形强度高,所以冷锻用模具的负荷很大。近年来,东南亚新兴国家锻造品产量不断增加。此外,无切削化的高精度锻造和形状复杂锻件锻造技术也有了发展。

1.2 冷锻模具用材

冷作模具主要用材是高速工具钢。其中包括冷作工具钢和热作工具钢。大批量生产用模具使用超硬合金。锻造设备辅助部件使用低合金钢和碳素钢。

1.2.1 冷锻模具用材性能比较

超硬合金的压缩强度高、耐磨性好,但缺点是抗拉强度和韧性很低。反之,机械结构用碳素钢韧性高但耐磨性差。耐磨性和韧性是互为相反的特性。选择最佳模具材料是一件很困难的事情。

1.2.2 各种模具用材的特性

1)超硬合金

锻造工具使用的超硬合金是高Co材料WC-Co,Co含量在10%以上。冷锻工具应根据需要,合理地区别使用超硬合金和工具钢。超硬合金和工具钢的主要特性差别如下。

(1)超硬合金的优点

① 硬度高、耐磨性好;② 压缩强度高;③ 纵弹性系数是工具钢的2.5-3.0倍;④热膨胀系数小(约为工具钢的1/2);⑤ 导热率高(约为工具钢的3倍)。

(2)工具钢的优点

① 抗折强度、抗拉强度高(约为超硬合金的2-3倍);② 韧性好、弹塑性变形量大;③ 被切削性好;

 2)高速工具钢

冷锻、温锻的工具、模具使用的材料是兼有耐磨性、韧性和耐热性的高速工具钢。近年来,使用的主流高速工具钢是Mo系高速工具钢SKH51。此外, 也 使用SKH55、SKH57。SKH55、SKH57钢中为提高耐磨性和耐热性添加了W、V、Co。

(1)高速工具钢的耐磨性:基体钢高速钢<SKH51<SKH55<SKH57。

(2)高速工具钢的韧性:SKH57<SKH55<SKH51<基体钢高速钢。

(3)高速工具钢的耐热性:基体钢高速钢<SKH51<SKH55<SKH57。

3)冷作工具钢

冷锻模具一般使用SKD11。SKD11含有较多的碳化物,并且成分接近于SKD61,具有实用的耐磨性和韧性。其他冷作工具钢有SKD12、SKD1等。大型冷锻模具一般使用冷作工具钢。与高速工具钢相比,冷作工具钢的淬透性、热处理变形和尺寸变化小。冷作工具钢用于冷锻的冲头和模具。

4)低合金工具钢

过去小批量生产锻造品时,锻造工具使用的是低合金工具钢SKS2、SKS3、SKS31。应力冲头用材是:φ30mm以下的小径冲头使用SKS2(850℃油冷、60HRC以上),φ30mm以上的大径冲头使用SKS3(屈服强度略有不足)。由于低合金工具钢的热处理、硬度的局限性,仅将低合金工具钢用于锻造设备中不承受大负荷的辅助部件。

1.3 冷锻模具材料的选定

有时,即使使用高级工具材料也不能提高工具的使用寿命。原因是工具寿命是由设计、生产、技术、模具制作、材料、热处理等多种因素决定的。为了通过模具材料提高模具寿命,必须知道模具要求的特性,选择与之相符合的模具材料。

选择冷锻模具材料时必须在弄清模具损伤的原因后,选择材料的硬度和钢种。而实际模具的受力状态非常复杂,所以弄清模具损伤现象比较困难。以下是冷锻模具材料选定的大致标准。

1)特别要求耐磨性的冷锻模具材料选定标准

钢中碳化物含量越多、碳化物硬度越高,钢的硬度越大,模具材料的耐磨性越好。材料耐磨性由差到好的顺序是:SK5、SK4→ SKS94、 SKS3→ SKD11、基体钢高速钢 →SKD1、SKD51 → SKH55 →SKH57 → 超硬合金。

2)特别要求韧性的冷锻模具材料选定标准

钢基体的韧性越大、碳化物越少,模具材料的韧性越好。材料韧性由差到好的顺序是:超硬合金 → SKH57 → SKD1→ SKD11 → SKS3 → SKH55→ SKH51→基体钢高速钢→SKD61。

3)特别要求抗拉强度的冷锻模具材料选定标准

选择硬度高的钢种可以满足冷锻模具对抗拉强度的要求。需要注意的是,虽然材料的抗拉强度与硬度成正比例关系,但硬度过高,抗拉强度会急剧下降。每个钢种抗拉强度开始急剧下降的硬度是不同的。材料抗拉强度由低到高的顺序是:超硬合金→SKD1→SKD11、SKS3→SKH51。

4)特别要求压缩强度的冷锻模具材料选定标准

弹性模量越大,材料的临界压屈荷载越高。因此碳化物含量多的材料具有高的压缩强度。压缩抗拉强度由低到高的顺序是:SKS3 → SKD11 →SKH51 → SKD1 → SKH57 →粉末高速钢→超硬合金。

5) 特别要求疲劳强度的冷锻模具材料选定标准

强度、韧性匹配良好的材料可以提高模具的疲劳寿命。耐疲劳性由低到高的顺序是:SKS3→SKD11→SKH51→基体钢高速钢→粉末高速钢。

6) 大尺寸冷锻模具材料选定标准

模具大型化,使模具材料的使用受到限制。材料使用不当,会导致模具产生大裂纹。每个钢种有自己的极限尺寸,超过极限尺寸时,会导致材料的性能下降。Cr、Mn含量少的低合金钢可使用的尺寸小。模具的尺寸决定了可使用的钢种。材料的极限使用尺寸由小到大的顺序是:SKS3(φ70mm) →SKD1(φ150mm)→粉末高速钢(φ180mm) →SKH51(φ18 0mm) →SKD1 2(φ250mm)→基体钢高速钢、SKD11(φ550mm)。

2 热作模具

2.1 热锻模具用材

热锻是对被加热的锻坯进行锻打,施加高压,使之变形的加工方法。由于热锻是对高温加热的锻坯进行成形,所以热锻模具的使用寿命较短。冷锻可以制作高精度、难成形的复杂形状零部件。而热锻锻件的表面质量和尺寸精度都不太好。因此在制作复杂形状锻件时,采用不易产生飞刺和多余材料的密闭锻造或闭塞锻造方法,并要进行多次锻造。

2.2 热锻模具的结构和应用

热锻锤击模型锻造,需要进行多次锻造才能完成最终锻件制品。在此过程中会产生坯料多余材料,所以热锻锤击模型中有容纳多余材料的部位。在这个部位内多余材料发生塑性变形。

闭塞锻造是将锻坯封闭在上下模具的型腔内,利用模具和冲头使锻坯向多方向变形,并使坯料充满模具型腔的锻造方法。

2.3 热锻模具用材

2.3.1 热锻模具材料特性比较

热温锻模具要求高温强度高、热冲击性好,韧性可以略低一些。而锤击锻造模具要求高韧性、不易产生裂纹的材料,但耐磨性可以略低一些。

2.3.2 温锻模具

温锻模具用材多为具有耐磨性、韧性和耐热性的高速钢SKH51。在锻造负荷大和对模具进行强力冷却的情况下,多采用韧性良好、抗热软化性强的SKD61、SKD62。在对高温强度要求更高、耐热裂性要求更好的情况下,使用SKD6和AISI标准中的H19。

2.3.3 锤击热锻模具

锤击热锻模具与加热到高温的锻坯接触时间短,模具升温较小。所以模具材料应具有良好的抗冲击性和耐磨性。因此,使用高韧性的SKT系材料(调质状态硬度HB352-415)。使用较多的是SKT系材料代表性牌号SKT4。模具越大,为了提高韧性,要将材料的硬度降低。防止模具发生早期裂纹的经验性标准是,材料的夏比冲击值大于30J/cm2。当夏比冲击值为5-10J/cm2以下时,大型模具容易发生早期裂纹。

2.3.4 热冲压锻造模具

热冲压锻造模具与高温锻坯接触时间长,受到的冲击小,所以要求高温硬度足够大。一般的热冲压锻造模具使用的材料是具有适度高温硬度、抗开裂性强、淬透性好和热处理变形小的SKD6、SKD62、SKD61等牌号钢种。高寿命模具使用SKD7,特别要求高强度、高耐磨性的特殊用途模具使用AISI标准的SKD8、SKD4、SKD5等牌号钢种。此外,工作温度很高的模具要使用析出硬化型模具钢。这种钢的高温硬度很大。

2.4 热锻模具用材的选定方法

为了通过模具用材提高模具使用寿命,必须了解模具要求的特性,并选择符合模具特性的材料。热锻模具用材大致的选定标准是根据实际模具使用寿命,确定的硬度标准。

1)要求耐磨性的热锻模具材料选定标准

材料的硬度越大、高温强度(硬度)越高,耐磨性越好。材料的耐磨性由小到大的顺序是:SKT3、SKT4→SKD6(H11) →SKD61(H13)→SKD62(H12) →SKD7(H10)→SKD4、SKD5(H21)→SKD8(H19)→基体钢高速钢→SKH51(M2)→粉末高速钢。

2) 要求韧性的热锻模具材料选定标准

钢基体的韧性越大、碳化物越少,模具材料的韧性越好。材料韧性由差到好的顺序是:SKH51、SKD8(H19)、SKD5(H21)、SKD4→SKD7(H10)→SKD62(H12)→SKD61(H13) →SKD6(H11)→SKT3→SKT4→SKT6。

锤击锻造模具承受冲击负荷,有产生裂纹的可能,所以使用韧性良好的SKT6、SKT4。小型锤击锻造模具可使用Ni含量较少的、韧性稍差的SKT3。SKD6、SKD61、SKD62的韧性仅次于SKT材,但具有较高的高温强度和良好的耐磨性,所以常常用于大型锤击锻造模具。

3)要求抗热裂性的热锻模具材料选定标准

具有高硬度、良好韧性和一定的高温强度的材料抗热裂性优良。材料抗热裂性由差到好的顺序是:SKT3、SKT4 →SKD6(H11) → SKD61(H13)→ SKD62(H12) → SKD7(H10)→ SKD4 → SKD5 →SKD8(H19)。

模具厚度超过230mm时,常常突然发生大裂纹。采用高韧性、低硬度和高淬透性材料有助于防止大裂纹的发生。材料抗大裂纹性由差到好的顺序是:高速钢→粉末高速钢→基体钢高速钢→SKD8→SKD7→ SKT3、SKT4→SKD62 → SKD61 → SKD6。

4)要求高温强度的热锻模具材料选定标准

材料高温强度由差到好的顺序与抗热裂性由差到好的顺序相同。即,SKT3、SKT4 →SKD6(H11) → SKD61(H13)→ SKD62(H12) → SKD7(H10) → SKD4 → SKD5 →SKD8(H19)。

要求高温强度和耐磨性略优于SKD61时,可使用SKD62。再提高高温强度和耐磨性时,要使用SKD7、SKD8。但是SKD7、SKD8的淬透性较差,大型模具不能淬透到模具中心,回火后韧性较差,所以不能用于大型模具。

 

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