熱作模具鋼中的合金元素
國家標準中,有四種高韌性錘鍛模具鋼:5CrNiMo、5CrMnMo、5MnMoSiV、5Cr4Mo。其中5MnMoSiV是為改善5CrNiMo鋼淬透性而研制的,5Cr4Mo鋼,主要是作為堆焊電極材料。70年代研制了無鎳鋼錘鍛模模具鋼5MnMoSiV,主要用于大中型模具,該鋼加入礬,并采用硅錳復合合金化,強度有所提高,但由于含碳量仍保持在0.50%左右,其韌性有所降低趨勢。近年來研制的4Cr2MoVNi、5Cr2MoVNiSi、45Cr2MoVNiSi,高溫強度有所提高,且含碳量有略微下降,因此韌性有所提高。上述鋼均用于大噸位錘鍛模和機鍛模。80年代前蘇聯(lián)、日本等國錘鍛模具鋼的發(fā)展趨勢是:
I把鋼中碳含量降低,即從0.5%降到0.4%,個別的可降至0.30%。
II鋼中加入鉻、鉬、鎢、釩的同時又添加鈷、鈮、鈦、稀土、微量的鈣、鋁、氮等元素,進行多元合金化,合金元素總量在5-10%不等。模具材料使用溫度及強韌性均有所提高,模具使用壽命可提高20%-120%??偟内厔菔窍蛑吞?、沉淀、硬化方向發(fā)展。為此弄清楚各合金元素作用之前,必須說明幾個原則。
1 幾個原則
-降低鋼中碳的含量,淬火后能得到以板條狀馬氏體為主的組織,以保證模具材料的高韌性。
-實施多元復合合金化,以提高鋼的熱強性。合金化時,應特別注意防止第二類回火脆性。
-研究實施合理的強韌化熱處理工藝,保證熱強性與熱韌良好的配合。
-在達到要求的綜合性能前提下,盡量減少其合金元素的用量,降低新鋼種的成本。
2 合金元素的作用
(1) 碳
是控制馬氏體強度的關鍵因素,也是影響韌性的主要因素。國內(nèi)外關于低碳馬氏體的大量研究表明:若要獲得較好的綜合機械性能,鋼中碳量要控制在0.45%-0.30%。
(2) 鉻
鉻形成碳化物,可提高鋼的淬透性。淬火加熱時鉻溶于奧氏體,淬火后固溶于馬氏體中,可以提高鋼的抗回火能力。熱作模具鋼中,α-Fe中鉻含量少于2%時,隨著鉻含量的增加,高溫強度隨之上升,但鉻含量大于2%時,高溫強度將隨鉻含量的增加反而下降。同時,還會引起碳化物偏析,將導致降低沖擊韌性。一般講,熱作模具鋼,鉻含量應控制2%為宜。
(3)鎢和鉬
鎢的加入在多元復合合金化的熱作模具鋼中,可以明顯地降低鋼的過熱敏感傾向,并提高鋼的熱穩(wěn)定性。但鎢的含量超過2-3%,鋼的熱強性不會再有明顯提高,反而會使韌性下降。一般應控制在1%左右。
鉬的加入,可以提高鋼的淬透性與熱強性,又可以防止第二類回火脆性。但鉬加入過多,會造成鉬碳化物偏析,在回火過程中沿晶界呈針狀或網(wǎng)狀析出,影響鋼的韌性。在高韌性熱作模具鋼中,鉬含量以0.6-1%為宜。
(4) 釩
釩可以降低鋼的過熱敏感傾向。在低合金鋼中加入0.1-0.3%的釩就有明顯的效果。馬氏體鋼中,釩含量達到0.5%就可以產(chǎn)生足夠的二次硬化效應。釩量過高,在二次硬化溫度范圍內(nèi)回火,鋼的塑性、韌性將明顯下降,故釩加入量不能超過1%。
(5) 鎳
鎳為非碳化合物形成元素,可提高鋼的淬透性。對鋼的強度與韌性,均有良好作用。但過量鎳會促使沿奧氏體晶界析出碳化物,這會導致基體中合金元素含量降低,使鋼熱強性下降。大型錘鍛模具鋼鎳含量一般不會超過1.5%。
(6) 硅
硅的加入可提高鋼的淬透性和基體強度。硅溶于α-Fe中,使其強化,并提高α-Fe轉(zhuǎn)變 r-Fe的轉(zhuǎn)變溫度及高溫抗氧化能力。硅是不溶于碳化物,但能提高回火時析出特殊碳化物的彌散度;近期研究表明:加入適量的硅可以改善鋼的韌性,在以碳化物為強化相的熱作模具鋼中,硅量一般以0.5-0.8%為宜。
(7) 錳
錳,除了能提高淬透性之外,還可以消除硫的有害影響。它的含量,一般控制在0.5-0.8%。
(8) 鈷、鈮、鈦
鈮可形成穩(wěn)定性很高的NbC,在1050℃剛剛開始溶入奧氏體中,因此抑制晶粒長大,可提高熱強性和高韌性。
鈷的加入可顯著提高耐氧化性和紅硬性(耐磨性能好),如美國的H-10鋼中。加入3%的鈷,可大大提高其鋼的耐磨性能。
鈦在鋼中的作用,就是在高溫時,避免晶粒粗化,因此可以強化鋼的基體,又能提高鋼的韌性。
(9) 硫與磷
由原材料帶入的有害元素,參照5CrNiMo鋼的冶金含量標準,均控制在少于0.03%范圍。
SKH51模具鋼代號為LM1,是一種較好的冷、熱兼用型模具鋼材,基體鋼成分一般與高速鋼淬火組織中的基體化學成分相同,但碳含量稍高,以增加一次模具鋼和提高耐磨性,此外,還加入少量的強碳化物元素或鈦,以形成比較穩(wěn)定的碳化物。阻止淬火加熱時晶粒的長大并改善鋼的工藝性能。
SKH51模具鋼淬火后過剩碳化物數(shù)量少,細小均勻,使鋼的韌性和抗冷熱疲勞性能進一步得到改善,具有較好的熱硬性和較高的強韌性。
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韓國浦項特殊鋼系列:420J2、PSTW21、CSP4、CSP4M、CSP10、SKD61(STD61)、SKD11(STD11)
國產(chǎn)模具鋼系列:低碳鋼A3、Q235,A3光圓、S45C、T10、S50C、鉻12Cr12、12Cr12、機打鉻12Cr12、Cr12Molvl、SKD11Cr12Molvl、4Cr2MoNi(扎)718、3Cr2Mo(P20)、3Cr2Mo、4Cr2MoNi、15Ni3Mn、3Cr17Ni MnMo、4Cr13、4Cr5Mo SiV1、9CrWMn、Cr12Mo1V1、Cr12、Cr12W、W6Mo5 Cr4V2、W6Mo5 Cr4V2Co5、W2Mo9 Cr4VCo8、50
鋼材的熱處理:
SKH51模具鋼將鋼件加熱到一定溫度,保溫一定時間,然后緩慢冷卻到室溫
①降低鋼的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷變形加工
②細化晶粒,均勻鋼的組織,改善鋼的性能及為以后的熱處理作準備
③消除鋼中的內(nèi)應力。防止零件加工后變形及開裂
低溫回火:將淬硬的鋼件加熱到150-50oC,并在這個溫度保溫一定時間,然后在空氣中冷卻,低溫回火多用于切削刀具、量具、模具、3cr2w8v模具鋼滾動軸承和滲碳零件等
高溫回火:將淬火的鋼件加熱到350~450%,經(jīng)保溫一段時間冷卻下來,一般用于各類彈簧及熱沖模等零件
調(diào)質(zhì):將淬火后的鋼件進行高溫(500~600oC) p20模具鋼回火多用于重要的結構零件,如軸類、齒輪、連桿等調(diào)質(zhì)一般是在粗加工之后進行的
化學成分(%):C0.65、Cr4.5、W8.00、v1.00、Ti0.20主要用于制作冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等模具,變形材料用的大型復雜模具。熱擠壓模具。SKH51模具鋼具有良好的熱強性,高的等溫強度,高溫硬度,耐回火性和耐磨性好,冷熱模具兼用模,模具使用壽命比3Cr2W8v鋼高幾倍。
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