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锤锻模的用材
锤锻模的用材,选材与热处理工艺设计
锻造业是传统工业,是制造汽车、飞机、机器重要零件不可少的行业,如汽车上连杆、曲轴等运动零件大都用锻造方法生产。
美国预计到2020年,锻件产量增加63%。
可见,锻造行业不是夕阳产业。
去年,英国伯明翰大学机械工程学教授著名温锻专家,T.A.Dean在《Metallurgia》以“锻造进步,聚集大学研究”为题撰文说:
“欧洲的锻造者将是把工业带入21世纪的高科技零件的源泉”。
这就意味着要我们采用先进技术来武装传统的工业,采用先进成形技术,锻造行业也是高科技行业。
如果不思进步,得过且过,不用先进技术去改造传统的工业,仍然搞乌烟瘴气,肥头大耳,势必会被淘汰掉。
锻模工艺今后发展趋势主要是“三化”和“三提高”。
①锻件精密化
整个锻造技术发展的总体趋势是更精更省,达到不需要机械加工或少许机械加工就可以使用。
实现锻件精密化,就要在精锻工艺上下功夫。
因为精锻件可降低成本80%—90%降低劳动成本。
用精密模锻工艺制造出价廉物美的产品,是汽车制造商奋力拼搏的杀手铜。
如丰田汽车厂属下家分厂,其中就有家致力干精锻件的开发和生产;美国伊顿公司年产精锻齿轮多万件,公差为±(0.03~0.05)mm。
近年来,国内在挤压成形、冷锻、温锻及粉末锻造等高效率、高质量、高精度、节能及节材工艺的应用方面发展很快。
有代表性的锻造新技术是净形精密锻造,典型零件是齿形锻造和闭式锻造的汽车变速器零件。
众多厂家都在锻造齿轮类零件方面进行研究开发。
Ⅰ.冷温热锻的复合工艺
冷锻在室温下成形,锻件精度可达IT8一IT11;温锻在高于室温但低于金属再结晶温度以下成形,一般在700一850℃锻造。
此时,氧化皮厚度仅在10μm左右,精度可达IT11一IT14;热锻一般在金属再结晶温度以上成形,即在850一1250℃锻造,精度可达IT13一IT16。
Ⅱ.等温模锻工艺
等温模锻工艺等温锻造是指把模具加热到与坯料变形相同或相近的温度,在速度较低的变形过程中,使热毛坯和模具温度基本保持不变的锻造方法。
等温模锻是20世纪60年代末发展起来的锻造新工艺,运用这一工艺可以生产出净尺寸的产品。
美伊利诺斯州理工学院研究所的有关专家认为,等温锻造在锻造技术中堪称突破。
在普通压力机或锤上精化锻件时,由于模具的温度较低,工件肋或角隙部位易于冷却,再加变形速率较高,变形抗力明显增加,这些都会阻碍金属对模具型腔的充填。
Ⅲ.半固态成形
半固态金属加工技术就是在金属凝固过程中,通过剧烈搅拌或凝固过程的控制,得到一种液态金属母液中均匀地悬浮固相组分近球形的固液混合浆料(固相组分甚至可高达60%)。
这种半固态金属浆料具有流变和触变特性,即半固态金属浆料具有很好的流动性易于通过普通方法成形比较复杂的产品。
其他的精密成形方法还有超塑性成形、液态模锻和摆动辗压等。
②.锻造材料轻最化
可用于锻造的有色金属主要有铝合金、镁合金、钛合金及铜合金。
近年来,由于能源价格的不断攀升,所以对制造业也提出轻量化的要求。
到2010年前,轿车的平均重量将由现在的1300㎏降到1000㎏。
近年来,镁合金在世界上的需求量年增长率,而我国镁储藏量占世界70%。
锻造镁合金具有更高的强度、更好的延展性和更多样化的力学性能。
但是,几十年来,镁合金的锻造产品仅用在很少的几个方面,主要原因是镁合金自身塑变特性决定其难于锻造成形,制造成本较高,产品价格昂贵。
钦合金与其他结构材料比较,最重要的优点是比强度高、热强性好,在400一500℃温度范围内,钛合金的比强度超过了多数不锈钢和抗氧化钢;耐腐蚀好,如钛丝吊在海水中一年,腐蚀仅0.01㎜。
因此,钛合金首先在航空航天、造船工业和人造关节中得到应用。
③.锻模制造技术数字化
模具作为工业生产的基础工艺装备,在汽车、能源、机械、信息、航空航天、国防工业和日常生活用品的生产中被广泛应用。
75%的粗加工零件、50%的精加工零件都由模具成形。
家电行业的80%零件、机电行业50%以上零件也都要靠模具加工。
因此,模具又被称为“百业之母”。
模具生产的工艺水平及科技含量的高低,成为衡量一个国家科技与产品制造水平的重要标志,在很大程度上决定着产品的质量、效益及新产品的开发能力,决定着一个国家制造业的国际竞争力。
一般来说,模具费用占锻件成本的。
因此,提高模具寿命,是降低锻件成本,提高其竞争力的有效途径之一。
而模具寿命与模具材料、热加工规范、模具结构、机械加工及使用工况等诸多因素有关。
“三提高”:
(1)提高材料利用率。
选用周期轧坯、挤压型材、铸造毛坯、楔横轧工艺及辊锻制坯、粉末预成形坯等先进工艺制坯提高材料利用率,能使材料利用率达90%~95%,甚至100%。
(2)提高模具寿命。
为了满足高速生产需求,必须进行模具材料、热处理工艺及表面强化处理等技术的更新,使模具寿命达到12万次,甚至34万次。
(3)提高复杂零件的成形能力。
采用高的变形速度,多分模的模具结构,,多机架辊锻及双动压力机等设备,解决复杂零件的成形问题。
发展先进的成型技术
可能采用并着重发展的成形技术有冷锻、温锻、粉末锻造、液态模锻、半固态锻造、闭式挤锻、金属成形计算机模拟等。
1.冷锻
冷锻是一种高精高效,优质低耗的先进生产工艺技术。
与常规模锻工艺相比,可以节材30%~50%,,节能40%~80%。
日本80年代用模锻生产的轿车零件中,有30%~40%是采用冷锻工艺生产的。
冷锻生产技术已逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。
它的主要优点是:
节约原材料。
一般材料利用率达80%以上。
冷锻件可获得理想的表面粗糙度。
提高零件的力学性能。
2.温锻
由于冷锻只限于中小型零件,而对较大零件,高强度的材料还不易实现。
而温锻一般把金属毛坯加热到750~900℃之间进行锻造,可获得与冷锻相近的性能及尺寸精度和表面光洁度。
温锻对毛坯要求润滑与热锻差不多,比冷锻毛坯要求低得多。
而锻件尺寸精度及表面光洁度又比热锻高得多。
综合这些因素,温锻的发展前景将更为广阔。
3.粉末锻造
粉末锻造技术是常规的粉末冶金工艺和精密锻造有机结合发展起来的一项颇具市场竞争力的少、无切削加工方法。
金属粉末为原材料,经过预成形压制,在保护气氛中进行加热烧结,作为锻造毛坯。
然后在压力机上一次锻造成形,可实现无飞边精密模锻,获得形状复杂的精密锻件。
近年来,由于制粉技术不断创新及粉末原料价格大幅下降,用粉末锻造方法成零件越来越多。
4.组合锻造工艺
对大批量生产的高强度、较复杂的锻件,单单采用冷锻、温锻、或热锻都存在着这样或那样令人难以接受的缺陷。
可以采用不同工艺的组合。
二.零件的工况分析
锻模对高温状态下的金属进行加工,工作条件较差,需承受反复冲击载荷和冷热交变作用,产生很高的应力。
金属流动时还会长生摩擦效应。
在高温、高压、高冲击载荷下工作的,被加工材料的温度一般在1100~1200℃,锻模表面温度为400~600℃,工作过程中用水或油冷却模具,所以模具的工作是在经常受到反复加热的领取额的条件下进行的。
因此模具在作业条件下应具有高的强度、硬度、耐磨性、韧性、耐氧化性、热传导性和抗热裂性。
三.锤锻模的主要失效方式
3.1磨损
锻模在锤击过程中,模膛内承受强大的压力(高达2000Mpa)的冲击负荷,是坯料符合,使坯料金属在型腔内高速流动,坯料金属月型腔表面产生剧烈摩擦,造成型腔表面磨损。
操作过程中,如果型腔内的氧化皮未及时的清理干净,会加剧型腔表面的磨损,甚至会出现剥落的现象
3.2热疲劳破裂
锻模与炙热(1100~1200℃)坯料金属反复接触,会不断升温,为防止型腔表面发生高温回火而导致锻模硬度下降,就得不断进行冷却,锻模受到高温金属的冷却润滑剂的交替作用,产生交变热应力,容易导致热疲劳破裂。
3.3燕尾开裂
锻模工作是承受很大的变形抗力,特别是燕尾在工作中受到很大的交变冲击负荷,最终会导致燕尾疲劳断裂,观察断裂的失效模具是发现裂纹长生于表面,裂纹源在加工刀痕处产生,并沿刀痕方向向内部发展。
燕尾早起开裂的锻模均系燕尾槽圆角形状和尺寸加工得不规范、粗糙度值高;另外,燕尾硬度大多不在常规级数要求范围内,非软即硬,因为硬度低,强度相应就低,易萌生疲劳裂纹;硬度高,强度相应就高,虽不易萌生疲劳裂纹,但裂纹一旦产生,扩展速度很快。
3.4塑性变形
由于外界高压和局部高温会使锻模局部压塌或压堆,造成模具塑性变形,引起形状和尺寸的变化,从而失效。
四、材料的选择
常见的热锻模具钢钢号颇多,加入热锻模具中的元素除碳外,主要是锰、铬、钨、钡、钼、镍和硅等,它们在钢中的主要作用如下:
(1)碳主要是以碳化物的形式存在于钢中,它的存在提高了合金的强度、硬度、耐磨性。
但随着含碳量的增加,其塑性、韧性和导热性能降低,裂纹敏感性随之增加。
所以,在一般的热锻模具钢中,碳的含量控制在0.3%~0.6%之间。
(2)锰在钢中和铁形成固溶体,明显增加钢的淬透性和韧性,提高了强度和耐磨性,但锰降低钢的导热率而增大其热胀系数,造成钢的热疲劳性能不好,一般的热锻模具钢锰含量在0.8%以下。
(3)铬在钢中与碳形成合金碳化物,一定含量时,有很高的强度和硬度,提高淬透性。
是模具钢中耐磨的主要元素,冷作模具钢含量较大。
热作模具钢铬含量较小,因为铬含量过大(如高铬钢)会使钢的韧性和导热性降低。
(4)钨主要是增加钢的回火稳定性,使钢具有良好的红硬性。
它与碳形成的合金碳化物,硬度非常高,显著增加了钢的耐磨性和热强性。
其缺点是导热性、塑性及韧性差。
(5)钒是强碳化物、氮化物形成元素,由于沉淀强化而强化了铁素体,细化晶粒,有效地提高了钢的强度和硬度。
其抗磨性能增高,还能增加淬火钢的回火稳定性。
若含量不高,不会降低钢的韧性。
其缺点是降低钢的塑性。
(6)钼与钨相似,提高钢的强度效果显著,有利于提高钢的热强性能(这是因为钼提高了钢的回火稳定性和淬透性。
其缺点是导热性、韧性及塑性差,淬火温度范围狭小,容易引起表面脱碳。
(7)镍和碳不形成碳化物,它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素,在一定含量条件下,提高钢的韧性、淬透性及强度。
400℃以下使用,热强性能良好。
(8)硅在钢中进入铁素体起固溶强化作用,改善钢的淬火性能,提高钢的强度。
其缺点是使钢的塑性、韧性下降、导热性能变差,脱碳敏感性高,一般模具钢中硅含量都不太高。
为了满足上述对热锻模具钢的力学及物理性能要求,根据化学元素的作用,故热锻模一般采用合金钢。
如5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V等。
目前,我国大多数厂家在生产中多采用5CrNiMo和5CrMnMo,对于一些较重要的热锻模,有的采用3Cr2W8V钢。
由于热锻模用钢的化学成份类似于调质钢,中等的含碳量可获得优良的热疲劳性和导热性。
同时,在经过热处理后有好的综合力学性能。
而加入的合金元素主要是铬、镍、硅、锰、钨,其次是钼、钒。
由于这些元素的作用,模具钢可获得高的淬透性、红硬性,使钢进一步强化,改善钢的力学性能。
合金元素(如钼)可以提高回火稳定性和防止回火脆性。
本次课设选择的中小锤锻模,选用5CrMnMo与4Cr3Mo3V进行比对。
5CrMnMo钢是纳入我国GB1299标准,沿用已久成熟的高韧性热作模具钢。
其碳、铬、钼和硅的含量与5crNiMo钢相当,为了节约镍而用锰代替。
在使用中发现5crMnMo钢的淬透性和力学性能均接近5CrNiMo钢,在高温下工作时其耐热疲劳性略优于5crNiMo钢。
因此适用制作边长小于400mm(一般在250mm~350mm)的锤锻模。
由于热强性和耐磨性较差,而且回火稳定性不高,其性能不能满足大截面锻模的需要。
另外其使用温度也不宜超过500℃。
所以除了不适宜制作大截面锻模外,也不能作受冲击力较大的中小机锻模和热强性或抗热疲劳性能要求很高的热挤压模、热穿孔模和铝、铜压铸模等。
4Cr3Mo3V钢是国外沿用已久的高热强性和高耐磨性的热作模具钢,常用来制作受冲击力较大的中小机锻模和热强性或抗热疲劳性能要求较高的热挤压和热穿孔模具。
为了提高其高温冲击韧性和抗热疲劳能力,各国在此基础上进行成分调整,针对所需性能分别添加钴、钨、硅、铌或降低碳等的含量。
同样我国也开发了几种该类型的新型高强韧热作模具钢。
4.1试样的化学成分(质量分数%)
5CrMnMo钢试样的化学成分与5CrNiMo钢试样相比,Mn和Si增加0.75%和0.26%、Ni减少1.44%,而其他元素基本相当。
合金元素总量为2.79%比5CrNiMo钢少0.23%。
4Cr3Mo3V钢的化学成分与5CrNiMo钢相比,C、Si和Ni减少0.16%、0.26%和0.52%,但Cr、Mo和V显著增加为2,3%、2.64%和0.49%。
舍金元素总量达到7.02%比5CrNiMo钢多3.82%。
4.2试样的热加工工艺
4.2.1锻造
5CrMnMo钢的锻造工艺参数与5CrNiMo钢相当。
4Cr3Mo3V钢由于Cr、Mo、V的含量较高,其开锻和停锻温度约高于5CrNiMo钢50℃。
4.2.2退火
4.2.3淬火
5CrMnMo钢的淬火温度与5CrNiMo钢一样,淬火后的硬度略高。
4Cr3Mo3V钢虽然淬火温度比5CrNiMo钢高170℃,但是因含碳量低0.16%,所以淬火后硬度约低8HRC。
4.2.4回火
(1)5CrMnMo钢回火温度和硬度的关系
5CrMnMo钢在300~550℃回火后硬度高于5CrNiMo钢1~4.5HRC,其中以400℃的硬度差别最大,随着回火温度的提高二者硬度基本一致。
(2)4Cr3Mn3V钢回火温度与硬度的关系(保温2h)
4Cr3Mo3v钢在400℃回火后硬度逐渐高于5CrNiMo钢,温度越高差别越大。
如4Cr3Mo3V钢在660℃回火硬度为40.2HRC,与5CrNiMo钢525℃回火硬度(40.1HRC)相当,二者将相差135℃。
另外,同样经700℃回火其硬度要高于5CrNiMoSlV钢和2Cr3Mo2NiVSi钢3.4HRC和5HRC。
(3)性能试样的回火工艺
4.3室温力学性能
4.3.1室温力学性能
5CrMnMo钢室σb和σs值与5CrNiMo钢完全相同,但δs和ψ却下降2%和10%。
4Cr3Mo3V钢因其硬度比5CrNiMo钢约高7HRC,所以拉伸强度明显提高,如σb和σs增加210MPa和60MPa,而且δs和ψ也分别增加2%和22%。
从而说明4cr3M03V钢的室温拉伸性能优于5crNiMo钢。
4.3.2室温冲击韧性
5crMnMo钢的室温AK值低于5CrNiMo钢18J。
4Cr3Mo3V钢由于硬度高,所以也造成室温AK值低于5CrNiMo钢16.3。
4.3.3室温断裂韧性(K1c)
5CrMnMo钢的室温断裂韧性没有测定。
4Cr3Mo3V钢的室温断裂韧性为40.3MPa•m1/2。
4.Cr3Mo3V钢的特殊性能
4.4.1抗氧化性(试样硬度48.5~48.8HRC)氧化增重值(g/m2)
4Cr3Mo3V钢在600~1000℃的抗氧化性能优于5CrNiMo钢,如其600℃×150h、750℃×50h和1000℃×4h的氧化增重值分别要减少28.1、214.5和74.3g/m2。
另外,4Cr3Mo3V钢在上述氧化试验规范600℃的抗氧化性能优于5CrMnMoSiV钢、45Cr2NiMoVSi钢、3Cr2MnWVNi钢;750℃的抗氧化性能优于5CrMnMoSiV钢、45Cr2NiMoVSi钢,但低于3cr2MoWVNi钢;在1000℃×4h的抗氧化性能均低于上述三种钢,如比3Cr2MoWVNi钢、5CrMnMoSiv钢和45Cr2NiMoVSi钢分别增重150.2、145.6和66,8g/m2。
4.4.2热稳定性
4Cr3Mo3V钢在620~700℃的热稳定性显著优于5CrNiMo钢,如其620℃×21h和660℃×12h的硬度要高10.2和8.9HRC。
4Cr3Mo3V钢在620℃保温21h的硬度与5CrMnMoSiV钢保温2h的硬度(36.4HRC)和3Cr2MoWVNi钢保温21h的硬度(36.7HRC)相当。
4Cr3Mo3V钢在660℃保温7h的硬度与5CrMnMoSiV钢保温3h相当。
同样,4Cr3Mo3V钢在700℃保温0.5~3h的硬度平均要高于2Cr3Mo2NiVSi钢2HRC,与3Cr2MoWVNi钢相当。
4.5工艺性能
4.5.1回火稳定性(℃)
在保温2h同样达到42~49HRC时,5CrMnMo钢的回火温度要比5CrNiMo钢高35~75℃,但要达到36HRC回火温度却低5℃。
对4Cr3Mo3V钢同样达到36~49HRC,回火温度分别比5CrNiMo钢高85~240℃,要求硬度越高温度差别越大。
另外,4Cr3Mo3V钢在上述条件下的回火稳定性优于5CrMnMoSiV钢和2Cr3Mo2NiVSi钢,与45Cr2NiMoVSi钢和3Cr2MoWVNi钢相当。
五.锻模热处理工艺
锻模是在高温条件下冲击加压强迫金属成型的工具。
它经受恶劣复杂的工作条件:
反复受冷受热、承受很大的压应力、张应力和变曲应力;以及炽热金属对模锻型腔的摩擦。
所以模具材料应具有下列的性能:
1.高的机械性能。
在高温下应保持高强度、高韧性、高耐磨性、
2.高的淬透性。
以保证整个模具截面得到均匀一致的机械性能。
3.优良的耐热疲劳性。
使模具表面不因反复受冷受热而产生裂纹。
4.足够的导热性。
确保由锻件传到模具型腔表面的热量能迅速散逸。
以免因温度过高而降低机械性能。
5.良好的工艺性和抗氧化性。
热处理工艺路线:
下料一锻造一退火一粗加工一调质一精加工一淬火+回火一研磨。
始锻温度为1050℃左右,终锻温度为850℃左右,锻造比为2。
退火工艺为830~850℃加热炉冷.调质工艺为860℃加热油冷,670~680℃回火。
精加工后淬火温度为840~860℃,油冷到180℃,立即出油装炉回火,,回火温度为440---470℃,硬度要求为46--47HRC。
毛坯的等温退火工艺曲线(在箱式炉中进行)
锻模毛坯的退火粗车后的调质处理工艺曲线(在盐浴炉中进行)
锻模毛坯的正火——中温回火工艺曲线(在箱式炉中进行)
锻模最终淬火处理工艺曲线
六.热处理工艺改进
通过分析原热处理工艺曲线,,我们发现原工艺存在以下不足之处:
:
5CrMnMo钢传统的淬火加热温度为830~870,温度偏低。
淬火组织以针状马氏体为主,材料的力学性能特别是断裂韧度不足锻模淬火入油前在空气中预冷时,若预冷的时间太短,则起不到降温减少热应力的作用;若预冷的时间过长,则型腔中凸起部位温降过多,会发生非马氏体转变,,影响淬火效果。
而且锻模的型腔一般都较为复杂,若采用空气预冷,很难控制型腔中各部位均匀预冷至760~780℃时再进行淬火;5CrMnMo钢的Ms点为215℃当模具淬火冷却至其表面上所附着的油不燃烧,而呈冒青烟(温度约150~200℃)时,若马上在500℃以上回火只会在表面产生马氏体,心部大量的过冷奥氏体会在500℃以上回火时转变成珠光体或粗大的上贝氏体,这两种组织的力学性能都很差,没有利用价值。
6.1改进淬火回火工艺进后的热处理淬火回火工艺曲线。
改进后的优点如下:
①5CrMnMo钢的淬火加热温度由传统的830~870℃提高到900℃,使奥氏体化学成分均匀,消除富碳区改善碳化物形态、尺寸和分布,淬火组织由针状马氏体为主转变为以板条马氏体为主,材料的力学性能特别是断裂韧度有很大提高。
②加热保温后转入760~780℃的炉内预冷均温既减少了淬火热应力,又不致使型腔中凸起部位温降过多而影响淬火硬度;③淬火冷却至表面200℃左右时,转入300℃炉内等温停留,这样模具近表面和心部会产生下贝氏体组织,表层和近表层的板条马氏体和下贝氏体双相组织,具有较高的硬度、强度和优良的韧性配合,符合锤锻模的使用条件。
6.2增加氮碳共渗工艺
锤锻模淬火回火后,对型腔和燕尾槽圆角部位进行打磨、抛光,然后用破布蘸四氯化碳擦拭干净,进行氮碳共渗处理,增加氮碳共渗工艺,使模具表面形成细小密集的化合物,可显著提高其表面硬度和耐磨性。
5CrMnMo钢锻模氮碳共渗工艺曲线
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