热加工工模具钢高性能化现状及未来趋势
热加工工 模具钢高性能化现状及未来趋势
热加工工模具钢的用途分为热压铸用、热挤压用、热锻造用三大领域。各领域随着生产技术的进步和生产率提高,模具的使用条件越加苛刻,在模具钢材方面也要求达到过去JIS规格钢以上的特性。为适应这些要求,特殊钢生产厂开发出各种改良钢种已被实际应用。以下介绍热加工工模具钢必须有的基本特性,以及针对各使用领域要求改善的状况。
㈠热加工工模具钢的基本特性
如果把JIS热加工工模具钢的规格钢种按韧性和高温强度两种特性来定位,在各领域最多使用的钢种是韧性和高温强度均衡性好的JIS SKD61及其改良钢种,但根据用途和使用条件,模具所承载的温度和应力不同,要求特性也不同。报废原因也很多,有磨损、变形、裂纹、热裂,特别是热压铸模因熔损也会造成报废。在考虑这些原因的基础上选择
模具钢材以及设计热处理条件、模具型腔硬度是非常重要的。
⒈高温强度
热加工工模具钢的主要特性高温强度,受到Mo、W、V等二次硬化的碳化物形成元素的添加量很大影响。这些元素在退火状态下,铁素体基体以碳化物分布,通过淬火大部分固溶在奥氏体基体中。然后通过回火析出微细碳化物后二次硬化,提高高温强度。另外,在同一材质情况下,一般是室温硬度越高,高温强度就越高。但是,Mo、W、V添加量增多和提高硬度往往对韧性产生不利影响,所以需同时改善韧性。
⒉抗软化性
在高温下使用的同时,由于促进二次硬化的碳化物生长、凝聚而发生软化。高温强度高的钢种,抗软化性也强。添加Co的效果与Mo、W、V的添加效果一样,提高了C的活度系数,抑制了析出碳化物生长。
⒊韧性
韧性有助于提高模具的耐裂纹性和耐热裂性。作为合金元素的功能,固溶于基体中的Ni等元素可提高韧性。但对Mo、W、V等碳化物形成元素,如果添加量增加,碳化物量则增大,韧性就会降低。另外,韧性受淬火冷却速度的影响很大。热加工工模具钢的淬透性良好,淬火冷却时即使不进行油冷也能获得高硬度。但如果淬火冷却速度不同,即使硬度相同,韧性也会有很大变化。为此,对韧性的评价,必须同时研究成分对冷却变态特性的影响,基本上是通过Cr来提高淬透性。
⒋耐热裂性
许多热压铸模和热锻造模,为了缩短成形循环时间要对模具表面进行强制冷却。因此,模具表面在短时间内承受反复的加热和冷却,由于模具表面和模具内部的温度差,受到压缩和拉伸热应力反复作用,在模具表面产生了热裂。要提高耐热裂性,必须提高高温强度和韧性。但一般趋向是高温强度越高,韧性越低,所以如何把二者达到最佳均衡状态是很重要的。
㈡各使用领域要求的特性
⒈热压铸模具
热压铸模具有时会由于热裂和熔损不能生产正常产品而寿命终止,有时会从雕刻部位和冷却用水冷孔等应力集中的地方产生疲劳龟裂,并因此导致出现大裂纹而报废。大多数情况是由于热裂而报废,但因出现大裂纹报废时,由于对模具更换难以预测,一旦发生,经常造成生产线不能正常运行。防止热裂的有效对策是提高模具型腔的硬度和高温强度。但硬度提高又会使韧性降低,加大产生大裂纹的可能性。另外,因水冷孔内部生锈使氢侵入,导致模具钢材脆化的现象也存在。因此,模具钢材必需具备不易生锈、抗氢脆化性能强的特性。
⒉热锻造模
热锻造模一般使用JIS SKT4系列和SKD61系列的钢材。对于以耐冲击性为主的锻造模,使用低合金化和添加Ni的韧性好的SKT4系列钢材;而对于要求具有高温强度、耐磨损性、耐热裂性等特性的冲压模,使用SKD61系列的钢材。热锻造模报废的原因主要是磨损和裂纹,尤其是突发的裂纹在很多情况下会造成生产现场生产率降低等问题。另外,在热锻造领域,为了总成本降低,锻造件要进行近终形加工(准精加工形状)。为了提高锻造件尺寸精度,锻造温度与以往相比处于较低状态,使得被锻造材料变形抗力提高、加大了模具表面压力和摩擦作用。加上进行复杂形状的一体化锻造,使模具的负载不断增加。
⒊热挤压工具
热挤压模由于在高温、高压下,与铝合金之间产生滑动、摩擦,所以滑动成型部位易出现磨损及粘结。另外,最近随着挤压产品薄壁化、尺寸高精度化、高强度化和大型化由于挤压模高温强度不足出现了挠曲,以及挤压阻力增大导致出现了裂纹等问题,因此,
模具钢材必需同时兼备很高的高温强度和韧性。另外,为防止滑动成型部位磨损及粘结,挤压模需进行反复氮化,但过分氮化会加大初期裂纹、降低缺口韧性。而且,氮化处理时由于加热随着挤压模软化而强度下降,因此,热挤压模模具钢材必需具有很高的抗软化性。
㈢热加工工模具钢的改进状况
提高模具钢材特性的方法有改变合金添加量以及改变生产工艺。下面以最普通的热加工工模具钢JIS SKD61为例,介绍其改进状况。
⒈改变合金添加量
提高热加工工模具钢韧性及耐热裂性的有效方法,是减少si添加量和增加Mo添加量。由此增加了以SKD61为基础的低Si和高Mo为特点的改良钢种。减少Si添加量,有效改善了回火时二次硬化中韧性的降低,但同时又恶化了模具的加工性能,因此希望采取相应的对策。增加Mo添加量,有助于提高热加工金属模材料的高温强度和抗软化性能。现在生产和供给的是超过JIS SKD61上限值、添加Mo 1.5% ~2.0% 和2.5% ~3.O% 等级的SKD61改良钢种。
①减少SKD61杂质,增加Mo至1.8% 的改良钢,在600~C的抗软化性能与通常SKD61比较的结果。从初期硬度47HRC软化到40HRC的时间改进了两倍左右。
②增加Mo 1.8% 情况下,在500~C的高温低循环疲劳试验结果。通过提高Mo添加量,与过去的SKD61相比,断裂寿命提高了1.5—2倍。
⒉改变模具钢材生产方法
作为热加工
模具钢材内部性质的改善措施,主要采用炉外精炼技术大幅度减少影响热加工工模具钢特性的主要杂质元素P(磷)、S(硫)等。特殊钢生产厂供给的大多数SKD61类型钢都是经过精炼工序改善以后,S含量减小到JIS规格以下,韧性值得到了提高。而且,SKD61的改良钢通过强化脱气精炼,减少了钢水中的氧,使氧化物系列的非金属夹杂物降低,因此提高了韧性值。另外,通过改善凝固组织和减少高温下均质化处理造成的偏析,大幅度消除了钢材纵向与横向的韧性值差异。并且,对于要求比通常冶炼、铸锭方法清洁度高的模具,以及考虑合金量多可能产生一次碳化物的材料,采取了ESR电渣重熔法。通过这些综合性的提高韧性对策,可以达到不损害韧性来增加SKD61的Mo、W 添加量。这种可适应更大热应力和热冲击的热加工模具钢材正在普及。
㈣综述
以上详细介绍了热加工工模具钢各种用途所要求的特性及其高性能化。这些质量的改善和性能的提高,对实现增加模具负荷的新生产工艺也起重要作用。但是,考虑到模具钢材的成分系列以及生产工艺的改进已接近极限,作为可补充的有效方法,认为模具的表面处理技术显得更加重要。
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