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模具材料选用、热处理与使用寿命

作者:大同弹簧 来源:大同弹簧 时间:2013-11-06 16:45:13 次数:

关键词:模具寿命 冷作模具 热作模具 塑料模具 模具用钢 模具热处理

从5个方面评述了模具技术:①影响模具使用寿命的基本因素;②模具的服役条件、失效方式及对模具用钢的性能要求;③模具钢力学性能指标的评述;④模具钢的发展与选用;⑤模具的热处理与工艺优化。特别强调了模具钢的选用、热处理及新型模具钢的开发与模具使用寿命的关系。
关键词:模具寿命 冷作模具 热作模具 塑料模具 模具用钢 模具热处理

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
  我国现有模具生产厂点约17000余家,从业人员约50万人,年产值达200亿元左右;商品模具约占1/3,其余为自产自用。从模具市场看,处于供不应求的状态,特别是精密、大型、复杂、长寿命模具,缺口更大[1]。
  国内模具市场主要集中在汽车、摩托车、家电、电子产品、通讯设备和仪器仪表等行业。另外、通讯设备、PVC门窗和上下水管道及管接头、铝型材加工等都将成为模具的重要市场。
  面对如此巨大的模具市场,努力缩短模具的生产周期、提高模具的质量、延长模具的寿命直接和间接带来的社会效益和经济效益是难以估量的。模具的质量包括模具的精度、表面光洁度和模具寿命3个方面。模具的精度和光洁度主要由机加工决定,而模具的寿命取决于设计、加工、材料、热处理和使用操作等多个因素,其中材料和热处理是影响模具使用寿命最重要的内在因素。
  本文拟从以下5个方面评述模具技术:
  (1) 影响模具使用寿命的基本因素;
  (2) 模具的服役条件、失效方式及对模具用钢的性能要求;
  (3) 模具钢力学性能指标的评述;
  (4) 模具钢的发展与选用;
  (5) 模具的热处理与工艺优化。
1 影响模具使用寿命的基本因素[2]
  模具结构设计、模具材料、冷热加工工艺、热处理、研磨、机床的调整与操作、被加工材料的性质与状态、润滑条件及模具的服役环境是影响模具使用寿命的八大基本因素。
1.1 结构设计
  不合理的结构设计往往是造成模具早期失效和热处理变形开裂的重要因素。模具的结构设计应尽量避免尖锐的圆角和过大的截面变化。尖锐圆角引起的应力集中可高达平均计算应力的10多倍。当由于模具结构的要求,尖锐圆角不允许消除时,可将整体结构改成组合式或将圆角的加工放在最终热处理后进行。如内四方头螺栓,原设计用冷镦模镦制,使用寿命500件,在冲头圆角过渡应力集中部位折断;后来改进设计,加大圆角过渡部位的半径,由R=0.127mm增大到0.381~0.5mm,寿命提高到12000~27000件,仍在圆角过渡处断裂失效;第二次改进设计成组合式,寿命提高到100,000件,最终以磨损失效[3]。为防止热处理变形与开裂,截面尺寸力求均匀,形状力求对称而且简单,盲孔尽量开成通孔,必要时可开工艺孔,对于形状复杂易变形开裂的模具可改成组合式。
1.2 模具材料与热处理
  模具材料对模具寿命的影响反映在模具材料的选择是否正确、材质是否良好和使用是否合理3个方面。选材时必须兼顾模具使用性能要求。对于冷冲模应主要考虑钢的强度、韧性和耐磨性。强度与韧性以及韧性与耐磨性之间往往此消彼长。当模具的主要失效方式是脆性开裂时可考虑选择强度较低但韧性更好的材料或制订合理的热处理工艺以改善钢的韧性,亦可根据实际情况选择同时具有高强度与高韧性的高级合金钢。从兼顾韧性和耐磨性的角度除了整体合理选材外,亦可考虑在保证韧性的同时,采用合理的表面处理以改善模具的耐磨性。塑料模具钢选用时要兼顾其在塑料成形温度下的强度、耐磨性和耐蚀性,同时还应考虑其加工性能和镜面度。
  热处理不当是导致模具早期失效的重要因素。热处理对模具寿命的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处理质量不良两个方面。统计资料表明,由于选材和热处理不当,致使模具早期失效的约占70%。这个问题在第4节和第5节中另行讨论。
1.3 冷热加工工艺
  锻造和机加工对模具寿命的影响,常常被人们忽略,不正确的锻造和机加工往往成为导致模具早期失效的关键。以Cr12MoV钢为例,该钢是国内最常用的冷作模具钢之一,属于高碳高铬莱氏体钢,含有大量的一次和二次碳化物,偏析很大。因此,改善其碳化物分布状况成为提高模具寿命的重要环节。表1为碳化物级别对Cr12MoV钢力学性能的影响。
 共晶网状碳化物难以通过热处理消除,必须通过锻造使其细化并均匀化。国标中对网状碳化物级别要求较宽,实际使用中,需要重新改锻,使其达到≤2级的碳化物的要求。为此需要对钢坯从不同方向上进行多次镦粗和拉拔,并应按“二轻一重”法锻造。即坯料加热到1100~1150℃始锻时,要轻击,防止锻裂;在1000~1100℃温度区内要重击以保证击碎碳化物;在1000℃以下因钢料塑性降低要再度轻击,防止出现内裂纹,并确保最后形成的碳化物排列方向垂直于模具的工作面,终锻温度850~900℃。锻造比一般控制在2~2.5。利用锻后余热淬火,低温回火,可获得隐针马氏体加细小弥散分布的碳化物和少量残留奥氏体,可大幅度提高模具的使用寿命。
  不正确的机加工可能在以下3个方面导致模具早期失效:①不当的切削,形成尖锐圆角或过小的圆角半径时常常造成应力集中,使模具早期失效;②表面光洁度不够,存在不允许的刀痕,常常使模具因早期疲劳破坏而失效;③机加工没有完全均匀地去除轧制和锻造形成的脱碳层,致使模具热处理后形成软点和过大的残余应力导致模具早期失效。
1.4 磨削和电火花加工
  磨加工可能导致金属表面局部过热,产生高的表面残余应力以及组织变化等,其结果可能导致磨削裂纹的产生。常见的磨削缺陷有,磨削速度过快引起金属烧伤;用钝的或重载砂轮磨削或使用过细的砂轮和冷却剂使用不当引发的磨削裂纹。细小的磨削裂纹难于用肉眼观察,需用磁粉探伤或稀硝酸冷侵蚀方能显示。轻的磨削裂纹常垂直于磨削方向平行分布,严重的磨削裂纹呈龟裂状。这些磨削裂纹即使可以通过轻磨予以去除,但危害犹存,常导致模具在服役中早期失效。
  电火花加工常常作为模具的最后加工工序。电火花加工可在淬火回火模具的表面形成淬火马氏体的白亮层,由于高碳马氏体的固有脆性和显微裂纹的存在,往往导致模具早期开裂失效。另外,电火花加工可在模具表面形成不良的残余应力,降低了模具的使用寿命。
1.5 机床的调整与操作
  材质优良、结构设计正确、冷热加工良好、热处理合理的模具,由于机床调整和使用操作不当,仍然可能在服役过程中早期失效。机床调整和操作因素包括机床的精度、刚性、间隙调整、定位不准和偶然过载等。认真对待这些因素,将有助于发现模具失效的真正原因,生产上模具寿命的较大波动,常常与机床调整和使用操作因素有关,必须给予足够重视。
  除了上述因素外,模具的润滑条件和被加工材料的材质、硬度、尺寸以及端面平直度等外在因素,也都会影响模具的使用寿命。

2 模具的服役条件、失效方式及对模具钢性能的要求
2.1 冷镦模
  冷镦是一种冷锻工艺,凭借镦锻模在一次或多次冲击下将坯料的部分金属加工成特定的截面形状。坯料主要是线材或棒料。冷镦被广泛地用于生产紧固件,如螺钉和铆钉等。适合冷镦的材料有低碳钢丝或棒材(75~78HRB)、铜和铜合金、铝和铝合金、不锈钢及含碳量低于0.44%的中碳钢丝(球化退火)。冷镦模分为凸模(或锤头)与凹模,凹模又有整体凹模与开式凹模之分,整体凹模可以由一种材料制造,也可以采用两种材料,中心型腔部分采用不同材料制成凹模镶块。开式凹模由表面带槽的两件模块组成,两件模块组合在一起形成模膛。在模块的不同表面开槽,然后通过翻转模块可组成多个新型槽。
  冷镦模具表面要求高硬度(≥60HRC),硬材料的冷镦模具要整体淬硬,以防压塌;在保证不堆塌的前提下,为了使模具有足够的韧性,防止开裂,冷镦模具的心部硬度以40~50HRC为宜。
  常用的冷镦模具钢有T10A、9SiCr、9Cr2、Cr12MoV等,凹模镶块可用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、WC(含13%~25%Co)、W18Cr4V钢制造,形状复杂、冲击大的凸模可采用耐冲击钢5CrW2Si、60Si2Mn和基体钢。
2.2 冷挤压模
  冷挤压分为正挤压、反挤压和复合挤压。冷挤压冲头承受较大的动载荷,为防止模具早期疲劳失效,应避免过大的应力集中,并应注意冲头的稳定性,冲头的长径比(L∶D)不能过大,挤压钢件时,L∶D≤3∶1,挤压铜及其合金L∶D≤5∶1,挤压铝及其合金L∶D≤10∶1。当模具承受的应力超过材料的σ0.2/2时,凹模需加预应力环,凹模与预应力环之间可采用锥度(0.5°~1°)配合或热压配合(红套)。
  低中碳钢的冷挤压模具要求有高的硬度(59~66HRC),高的抗压屈服强度和适当的韧性。常用的模具材料有Cr12MoV、Cr12Mo1V1、W6Mo5Cr4V2钢和基体钢等,内预应力环常采用4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si钢(46~48HRC),外预应力环通常用4Cr5MoVSi、5CrNiMo等钢制造。
  铝合金冷挤压模可采用T7A、T10A、Cr12、Cr12MoV、GCr15、9SiCr和CrWMn等钢制造。
3 模具钢力学性能指标的评述
  冷作模具要求材料具有高的强度、良好的塑性和韧性及耐磨性;热作模具用钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性、良好的抗烧蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。问题是用什么指标来评价上述性能指标?冷作模具钢一般含碳量较高,通常在回火马氏体加碳化物组织状态下使用,脆性大。常规拉伸试验时,往往在弹性范围内即发生断裂,测不出模具钢的塑性。工程上常采用其他试验方法评定钢的力学性能。文献[5]选择常用的冷变形工模具钢,测定了其拉伸、弯曲、扭转、压缩、一次冲击、断裂韧度和冲击疲劳性能,对其强度、塑性、韧度指标及与模具寿命关系进行了综合评述。
3.1 强度
  结构钢最重要的强度指标是拉伸强度极限σb和屈服极限σ0.2。对于高强度低塑性冷作模具钢拉伸试验用得较少,其原因是大圆弧拉伸试样难以加工并且数据散乱性也比较大。工程上通常根据模具的服役条件选用弯曲、扭转或压缩试验测得的σbb、σbs、τb、τs、σcs作为冷作模具钢强度的表征参量。
  在上述这些强度指标中,习惯上容易想到强度极限指标如σbb、τb等。然而,强度极限不是一个独立的力学性能指标,它既取决于屈服极限的高低,又取决于形变强化指数和形变强化容量(塑性)的大小。本质上冷作模具钢的强度指标应该是用不同试验方法测得的屈服极限。图1比较了各种钢的强度极限与屈服极限。由图1可以看出,各钢种用同一试验方法测得的强度极限和屈服极限差别不大,不超过30%。值得指出的是尽管试验方法不同,但各钢种的屈服极限却具有相同的变化规律,即钢的σbs高,则τs、σcs和σs也高,而强度极限则不同。这反映了屈服极限是材料的基本性能指标,它代表材料微量塑性变形的抗力。而强度极限作为强度表征参量的物理意义则不够明确。从工程应用的角度,要保证批量生产的被加工零件的精度,模具本身除了要求具有较高的尺寸精度外,使用中不允许发生过量的塑性变形,故模具的设计应力不得超过材料的屈服强度。从这个意义来说,屈服极限比强度极限有更重要的工程意义。
图1 冷作模具钢的强度极限与屈服极限
1. T8钢 2. T10钢 3. GCr15钢 4. W18Cr4V钢
5. 6CrW2Si钢 6. 6Cr4Mo3Ni2WV钢
3.2 塑性
  塑性与加载方式有关。对于高碳高强度的冷作模具钢,通常用弯曲和扭转试验测得的总弯曲挠度(ft)和扭转角(φt)表征其塑性。然而ft和φt反映了材料在弯曲和扭转应力作用下断裂前最大变形能力,它包括弹性变形能力和塑性变形能力两部分。因此,通常采用弯曲塑性挠度fp、塑性扭转角φp、压缩相对变形ε和拉伸断面收缩率ψ作为工模具钢的塑性表征参量。试验结果示于图2中。与强度指标相比,各钢种的塑性变化幅度较大。例如,6CrW2Si和W18Cr4V钢的φp和fp相差几十倍,前者的ψ值高达13.4%而后者ψ为零。与屈服极限相同,用不同方法测得的各钢种塑性参量也具有相同的规律,不因应力状态的变化而变化。
图2 冷作模具钢的塑性
1. T8钢 2. T10钢 3. GCr15钢 4. W18Cr4V钢
5. 6CrW2Si钢 6. 6Cr4Mo3Ni2WV钢
3.3 韧性
  工模具钢的韧性可用不同的参量描述。Grobe等人用材料弯曲试验的塑性挠度fp和屈服极限σbs的大小这两个参量表征钢的韧性[6]。Weigand提出用静弯曲和静扭转试验测得的塑性功的大小作为韧性的表征参量[7]。Seabright论述工模具钢的韧性时,主要指一次无缺口冲击值和扭转冲击值[8]。近年来,关于断裂韧度在工模具上的应用也受到了广泛的关注[9,10]。从工程应用的角度,上述韧性指标作为防止工模具断裂的抗力指标有很大的局限性。若用静弯曲或静扭转测得的塑性功表征钢的韧性并借此选择材料和制订工艺,可能导致错误的结论。试验表明,尽管6CrW2Si钢的弯曲总功和塑性变形功分别为W18Cr4V钢的2.3倍和9.8倍,但在较低的冲击应力下(冲击能量=3.27N.m和1.83N.m),前者的冲击破坏周次却只有后者的40%~70%。
  断裂韧度作为防止冷变形工模具断裂的性能指标有一定局限性。工模具都是用轧制钢材,经锻造和严格的机加工以后成型的,表面缺陷小而少,虽然材料本身的夹杂物和第二相可以看做为一种缺陷,但是大多数冷作模具的断裂不属于一次或少周次载荷作用下的脆断而是疲劳断裂,疲劳裂纹的萌生和早期扩展占据总寿命的80%以上。KIC是一个防裂纹体脆断的指标,它对抗疲劳断裂的贡献主要表现在影响极限裂纹的深度,它不能用作冷作模具的主要失效抗力指标。试验结果表明,虽然W18Cr4V钢的冲击韧度(KIC=16.8MPa.m1/2)比6CrW2Si钢(KIC=26MPa.m1/2)低35%,但它们的冲击疲劳寿命却与此无对应关系。
  由于一次摆锤冲击试验和扭转冲击试验不能反映模具的实际服役条件,故用做冷作模具断裂失效抗力指标也是不合理的。但是由于试验方法简单易行,并且冲击扭转试验对钢的组织比较敏感,所以这两种试验方法在工模具钢的研究中仍被广泛地采用着。
  图3对比了6种钢的KIC、弯曲功、扭转功和一次无缺口冲击能。由图2和图3可以看出,各钢种对应的塑性和韧性表征参量具有相同的变化规律。表明冷变形工模具钢韧性的大小在很大程度上反映了相应应力状态下钢的塑性。这是因为冷作模具钢的强度变化幅度小,塑性变化幅度大的缘故。
图3 冷作模具钢的韧性
1. T8钢 2. T10钢 3. GCr15钢
4. W18Cr4V钢 5. 6CrW2Si钢 6. 6Cr4Mo3Ni2WV钢

3.4 冲击疲劳抗力及其与强度、塑性和韧性的关系
  图4和图5比较了6种钢的冲击疲劳抗力。由图1至图5可以看出,任何单一的静载力学性能指标都不能全面反映钢的冲击疲劳抗力,这是因为后者不是一个单纯的强度指标或单纯的塑性指标,而是一个要求强度和塑性合理配合的抵抗循环冲击载荷的指标。冲击载荷较低时(1.83N.m),钢的冲击疲劳寿命主要取决于强度;冲击载荷较高(冲击能量=3.95N.m)时,各钢种的冲击疲劳寿命又主要由塑性(弯曲fp)的大小所决定。因此,在选用工模具材料和进行热处理工艺变革时,外载荷较低时应主要考虑材料的强度指标;外载荷较高时,应当在保证一定强度水平前提下,努力提高材料的塑性。

图4 冷作模具钢的冲击疲劳抗力
图5 冷作模具钢的冲击疲劳寿命
1. T8钢 2. T10钢 3. GCr15钢
4. W18Cr4V钢 5. 6CrW2Si钢 6. 6Cr4Mo3Ni2WV钢
4 模具钢的发展与选择[12]
  我国各类模具钢、低熔点合金、钢结硬质合金、高温合金等新型模具材料有70余种。在GB 1299—85合金工具钢国家标准中,列入了33个钢种,在JB/T6058—92冲模用钢及其热处理技术条件中,收入新钢种5个。基本上形成了具有我国特色的模具用材体系。标准中Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9SiCr、5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V和60Si2Mn等钢种是模具生产中应用较多的材料,约占80%。20、45、38CrMoAlA、T7A、T8A、T10A和T12A钢等材料多用于工作负荷低,要求不高的模具和模架。W18Cr4V钢和W6Mo5Cr4V2钢用于工作负荷大、要求较高的模具[13]。近年来,随着模具工业的发展,我国又自行开发研制了一些新型模具钢,主要的几种列于表2中。
4.1 冷作模具钢
4.1.1 火焰淬火钢 近年来,针对覆盖件冲模,特别是大型镶块模具的加工和热处理问题,国外,主要是日本,开发了Si-Mn系列的含碳量为0.6%~0.8%的中合金火焰淬火钢。我国的7CrSiMnMoV火焰淬火钢与日本的SX105V钢成分相同。淬火时可用火焰加热模具刃口切料面,淬火前需对模具进行预热(预热温度180~200℃),该钢淬火温度范围较宽(900~1000℃),对模具刃口施行局部火焰加热,硬化层的硬度与整体淬火相近,表层具有残余压应力,硬化层下又有高韧性的基体,减少了刃口开裂、崩刃等早期失效的发生,提高了模具寿命。该类钢的另一特点是淬火变形小,一般只有0.02%~0.05%,故可以在机加工完成后采用氧乙炔喷枪等工具对模具工作部位火焰加热空冷淬火和火焰加热回火后直接使用。
4.1.2 基体钢 基体钢是指在高速钢淬火组织基体化学成分基础上,添加少量其它元素,适当增减碳含量,使钢的成分与高速钢基体成分相同或相近的一类工模具钢。这类钢由于去除了大量的过剩碳化物,因此,与高速钢相比,其韧性和疲劳强度得到了大幅度的改善,但又保持了高速钢的高强度、高硬度、红硬性和良好的耐磨性。表2中列出了5种基体钢。以65Nb钢为例,该钢的成分与M2高速钢淬火组织中基体成分相当,但含碳量提高到0.65%,使其具有一定数量的一次碳化物,因而改善了耐磨性,除了Cr、W、Mo、V这些高速钢的通用元素外,还加入0.2%~0.35%Nb,Nb在钢中形成稳定的NbC,并可溶入MC和M6C碳化物中,增加了碳化物的稳定性,一方面延缓了淬火加热时碳化物的溶解速度,阻止了晶粒长大,另一方面降低了奥氏体中的碳含量,增加了板条马氏体的数量,因而该钢具有良好的综合力学性能,被广泛用于制作冷挤压、冷镦、冷冲模具。


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