复合模具钢基本材料热处理分析

第一章 绪 论

模具钢产量近 20年增长很快，领先于其它钢种。通过引进先进的设备和技术,我国已能生产高质量的模具钢。但是，从总体水平而言,我国模具钢与美、日、法及瑞士等国际先进水平相比还存在一定的差距，生产出性能优越，价格便宜的模具钢成为今后模具材料发展的主要方向。目前模具钢已发展成三大系列即冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢，其中冷作模具钢的用量最大，产品居首位。模具材料的选择对于模具的正常使用、模具的寿命和模具成本影响很大，模具材料种类众多，除常用的合金模具钢外，也可选择轴承钢、弹簧钢、高速工具钢、渗碳钢、调质钢和不锈钢等制作模具，特殊情况下还可以采用硬质合金、铸铁、有色金属等。与热作模具相比，冷作模具工作载荷及载荷波动幅度大，尺寸精度、表面质量要求高，加工批量大，磨损严重，因此对性能要求比较苛刻。硬度和红硬性是模具钢重要的性能指标，冷作模具钢硬度一般都在 60HRC 以上。模具在工作中承受很大的压应力和摩擦力，要求模具在这种条件下仍能保持其尺寸及形状不变，持久耐用，因而要有足够的耐磨性。
模具在工作中承受大的负荷以及冲击、震动，扭转和弯曲等复杂应力。重载荷的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具边缘或局部断裂。因此，使模具钢保持足够的强度和韧性，有利于延长模具寿命。我国目前用得最多的冷作模具钢是 CrWMn、Cr12 系列高铬钢及高速钢。CrWMn 钢有适当的淬透性和耐磨性，但锻后需较严格地控制冷速，否则易形成网状碳化物，导致模具在使用中崩刃和开裂。其它二种钢具有高的硬度和耐磨性，热处理后变形小，承载能力高，但这两种钢均为莱氏体钢，存在碳化物偏析及粗大碳化物，韧性不能满足复杂和受冲击载荷大的模具需要，用此材料制作的模具也易崩刃、断裂,造成早期失效、寿命短，尺寸越大越严重，且价格昂贵,因此迫切需要有更好的模具钢来替代，满足冷作模具既耐磨又耐冲击的要求。近年发展起来的复合冷作模具钢可以满足冷作模具的这种苛刻的工作条件。复合后的模具材料不仅能降低模具的成本，而且还能延长模具的使用寿命。

1.1 复合模具钢
复合材料是由两种或两种以上的性质不同的材料组合起来的多相材料。复合模具材料一般是由一种强度低塑性好的基体材料，再加上一种高强度耐磨并具有一定韧性的材料组成。复合材料具有其组成材料本身没有的优越性能，它的发展开辟了新材料的重要途径。由于冷作模具要求高硬度、高强度、高耐磨性及足够的韧性，所以具有高强度并兼有良好的耐冲击性的模具材料是最理想的模具材料，然而，实际上这两方面的性能是相互矛盾的，要提高模具材料的强度必然会降低韧性，多年来人们为了提高使用性能做了广泛的研究工作，国内外采取了几种办法：第一个办法是牺牲耐磨性（即降低硬度）来提高耐冲击性，结果是降低了工模具的使用寿命；第二个办法是采用粉末冶金方法生产粉末工模具钢，如著名的 V10，但由于生产成本高，价格十分昂贵（比普通高铬模具钢高 19～35 倍，高达 50～100 万元/t），难以广泛应用；第三个办法就是制成复合工模具材料，即用耐冲击的工模具材料作为基体，与高硬耐磨的工模具材料或硬质合金复合在一起。

1.1.1 复合模具钢类型
价格低廉，耐磨性和强韧性好，使用寿命长等特点是复合模具材料开发的最终目的。目前，复合工模具材料主要有以下几种类型：

1、 工模具钢与其它金属材料复合
将高硬耐磨的工模具钢轧成钢板或拔成细丝，然后与其他韧性好、价格便宜的金属材料复合在一起。这种复合工模具材料在生产上已经得到广泛应用。木材加工刀要求刀刃锋利，刀片刃部有良好的红硬性，刀体有较好的韧性。采用高硬度、高耐磨的工模具钢作刀刃，用韧性好价格低廉的材料做刀体的复合刀片可以满足要求。采用复合方法生产的合金工具钢与普通碳钢的复合板材，如 6CrW2Si/ Q235、CrWMn/ Q235、Cr12MoV/ Q235 等类型的复合刀片，采用热轧生产的高速钢与普通碳钢复合板材，如 W18Cr4V/ Q235、W6Mo5Cr4V2/ Q235 等，既提高了使用刀具的性能又大大降低了生产成本。另外，采用电子束焊将高速钢扁丝与合金弹簧钢（如 50CrVA）钢带焊成双金属复合带，制成可以弯曲的双金属带锯，比整体高速钢机锯条切割速度提高了 3 倍。

第二章试验材料与方法

2.1 试验流程
42CrMo 经 1150℃淬火，随后 150～550℃之间回火处理后的力学性能见表 3.3．可以看出：42CrMo 经高温淬火后，随回火温度的升高，抗拉强度先升高后下降，且 150℃回火后的强度比 550℃回火后的强度高很多。随回火温度的升高强度逐渐降低，断面收缩率和断后伸长率均随淬火温度的升高而升高，硬度呈下降趋势。提高回火温度对冲击值影响很大，在 350℃回火时冲击值达到最小值，随后继续提高回火温度，冲击值又开始升高，550℃回火后获得最好的韧性，强度和冲击值的变化反应出脆化状态，即随回火温度提高，在 350℃时出现低谷，此时 42CrMo 出现了回火脆性。电子显微镜观察到，当回火温度达到 450℃时，渗碳体片开始球化，此时脆化作用消失，钢的韧性又重新回升。低温和高温回火后 42CrMo 的力学性能均能满足复合模具钢基体材料的要求，而复合模具钢的回火工艺主要以高温回火和低温回火为主，因此 350℃出现回火脆性对材料的使用性能影响不大，在使用时可以避开。

第三章 试验结果与分析.................... 34-71
    3.1 42CrMo 高温淬火试样结果与分析.................... 34-44
        3.1.1 42CrMo 试样力学性能结果与分析.................... 34-35
        3.1.2 42CrMo 试样冲击断口观察.................... 35-39
        3.1.3 42CrMo 试样金相组织观察 ....................39-43
        3.1.4 42CrMo 试样透射电镜观察.................... 43-44
    3.2 5CrMnMo 高温淬火试样结果与分析.................... 44-53
        3.2.1 5CrMnMo 试样力学性能结果.................... 44-45
        3.2.2 5CrMnMo 试样冲击断口观察.................... 45-48
        3.2.3 5CrMnMo 试样金相组织观察 ....................48-52
        3.2.4 5CrMnMo 试样透射电镜观察.................... 52-53
    3.3 60Si2Mn 高温淬火试样结果与分析.................... 53-64
        3.3.1 60Si2Mn 试样力学性能结果.................... 53-54
        3.3.2 60Si2Mn 试样冲击断口观察 ....................54-56
        3.3.3 60Si2Mn 试样金相组织观察.................... 56-59
        3.3.4 60Si2Mn 试样透射电镜观察 ....................59-60
        3.3.5 淬透性试验 ....................60-64
    3.4 50CrMnV 高温淬火试样结果与分析.................... 64-70
        3.4.1 50CrMnV 试样力学性能结果.................... 64-65
        3.4.2 50CrMnV 试样冲击断口观察 ....................65-68
        3.4.3 50CrMnV 试样透射电镜观察 ....................68-70

结论

本文以工业中常用的合结钢 42CrMo、5CrMnMo、60Si2Mn、50CrMnV 为研究对象，对高温淬火及低高温回火对这四种钢的组织和力学性能的影响进行了研究，最终得出以下结论：
（1）淬火温度对合结钢的强韧性有影响。随淬火温度的升高，四种材料的强度的变化趋势均为先升后降，塑性、韧性和硬度均呈下降趋势，但变化都不大。此现象的原因为：高温淬火时，由于加热温度高(1150℃)，合金元素及碳化物均已经溶入奥氏体中，从而使奥氏体成分均匀，故随淬火温度升高，板条马氏体量也越来越多，这些因素导致高温淬火后能够保持高的强韧性。高温淬火使合结钢的韧性、塑性和硬度略有降低，主要是由于奥氏体晶粒长大造成的。
（2）回火温度对四种合结钢的强韧性均有影响，随回火温度升高，强度、硬度略有下降，塑性韧性有所升高，但都存在第一类回火脆性，60Si2Mn 和 50CrMnV 回火脆性出现在 250℃左右，而 42CrMo 和 5CrMnMo 回火脆性出现在 350℃，这种变化可能是Mo 推迟了回火转变温度的原因。
（3）发展复合模具钢的目的是解决硬度和韧性的矛盾，所研究的四种合结钢在淬火温度从 860℃提高到 1000℃时，各种机械性能指标变化很小，而从 1000℃提高到 1150℃时，各种机械性能有所降低，但降低的幅度也不大，用这几种材料作为复合模具钢的基体材料使用时，经过高温回火后除具有高的韧性外，硬度均在 40HRC 以上；经低温回火后硬度能够达到 55HRC 左右，与高 Cr 钢及高速钢复合既能保证刃口部分有高的耐磨性，又能保证基体部分有高的韧性。在复合模具钢中所用的高合金模具钢只有整体冷冲模具的 1/5 以下，大量节约了贵重的合金元素，有效的节约了模具的材料成本。

参 考 文 献
[1] 杨贵根，朱祖昌．世界模具钢生产的现状和进展[J] ．热处理技术与装备，2006，27(6):5-13
[2] 陈再枝，马党参．塑料模具钢应用手册[M]．北京：化学工业出版社，2005:1
[3] 杨金志，仇逸．市场信息[J]．模具商情，2005，70 (3) :22
[4] 蔡美良．新编工模具钢的金相热处理[M]．北京:机械工业出版社，2001:156-157
[5] 牟红霞．模具材料的发展与动向[J] ．现代制造技术与装备，2006，173(4):83-89
[6] 崔崑．中国模具钢现状及发展[J] ．机械工程材料，2001，(1):1-5
[7] 高余顺．浅谈国内冷作模具钢的现状及发展[J]．热加工，2001，(3):12-14
[8] 陈再良，陈蕴博 ，佟晓辉等．典型冷作模具钢性能与失效关系的探讨[J]．金属热处理，2006，31(5):87-93
[9] 崔崑．国内外模具用钢发展概况[J]．金属热处理，2007，32(1):1-11
[10] 张鲁阳．我国冷作模具选材的趋向[J]．金属热处理，1999，(1):4-6