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冶金专业毕业论文

工程职业技术学院

毕业论文（设计）

题目：

提高模具钢质量的具体途径

系别：

冶金工程系

专业：

冶金技术

班级：

09级冶金1班

学号:

姓名：

指导教师：

2012年3月20日

摘要

近年来，世界围模具钢制造业的竞争变得越来越激烈，企业能否在在尽可能短的时间高效率、低消耗地为顾客提供个性化高质量产品，已成为企业竞争能力的一个标志。

模具钢材被称为工业之父，模具钢材质量的高低，将直接影响到产品的成本、产量、质量、新产品投产及老产品更新换代的周期、企业产品结构调整速度与市场竞争力，因此经济形势对模具钢材的质量提出了越来越高的要求。

那么如何才能更合理地提高模具钢材的质量呢？

也就是，怎么样才能让模具钢材在低成本、高效率、高精度条件下，更长时间地、更多模次地生产出质量合格的制件呢？

这已经越来越成为人们关注的焦点。

关键词：

模具钢、等向性能、热处理、炉外精炼、煅造

⒈提高模具钢质量的基本途径.......................1

⒉提高模具钢冶金质量的途径.......................2

⒊提高模具钢的纯净度.............................4

⒋提高模具钢的等向性能...........................5

5.模具材料的质量对模具热处理的影响................5

6.模具钢热处理存在的质量控制问题..................7

7.模具热处理技术的进步推动制造业的创新............8

8.如何改善模具钢的锻造质量........................10

9.在模具钢材生产中常用的炉外精炼..................11

10.改善模具钢材带状碳化物的有效工艺措施............11

11.如何正确采取措施以提高模具钢质量水平............13

12.参靠文献.........................................14

1提高模具钢质量的基本途径

首先制件的设计要合理，尽可能选用最好的结构方案，制件的设计者要考虑到制件的技术要求及其结构必须符合模具钢材制造的工艺性和可行性。

模具钢材的设计是提高模具钢材质量的最重要的一步，需要考虑到很多因素，包括模具钢材材料的选用，模具钢材结构的可使用性及安全性，模具钢材零件的可加工性及模具钢材维修的方便性，这些在设计之初应尽量考虑周全。

模具钢材材料的选用既要满足客户对产品质量的要求，还需考虑到材料的成本及其在设定周期的强度，当然还要根据模具钢材的类型、使用工作方式、加工速度、主要失效形式等因素来选材。

例如：

冲裁模的主要失效形式是刃口磨损，就要选择表面硬度高、耐磨性好的材料；冲压模主要承受周期性载荷，易引起表面疲劳裂纹，导致表层剥落，那就要选择表面韧性好的材料；拉深模应选择摩擦系数特别低的材料；压铸模由于受到循环热应力作用，故应选择热疲劳性强的材料；对于注塑模，当塑件为ABS、PP、PC之类材料时，模具钢材材料可选择预硬调质钢，当塑件为高光洁度、透明的材料时，可选耐蚀不锈钢，当制品批量大时，可选择淬火回火钢。

另外还需要考虑采用与制件亲和力较小的模具钢材材料，以防粘模加剧模具钢材零件的磨损，从而影响模具钢材的质量。

模具钢材结构设计时，尽量结构紧凑、操作方便，还要保证模具钢材零件有足够的强度和刚度；在模具钢材结构允许时，模具钢材零件各表面的转角应尽可能设计成圆角过渡，以避免应力集中；对于凹模、型腔及部分凸模、型芯，可采用组合或镶拼结构来消除应力集中，细长凸模或型芯，在结构上需采取适当的保护措施；对于冷冲模，应配置防止制件或废料堵塞的装置（如：

弹顶销、压缩空气等）。

与此同时，还要考虑如何减少滑动配合件及频繁撞击件在长期使用中磨损所带来的对模具钢材质量的影响。

对模具钢材主要成形零部件进行表面强化，以提高模具钢材零件表面耐磨性，从而更好地提高模具钢材质量。

对于表面强化，要根据不同用途的模具钢材，选用不同的强化方法。

例如：

冲裁模可采用电火花强化、硬质合金堆焊等，以提高模具钢材零件表层的耐磨性和抗压强度；压铸模、塑料模等热加工模具钢材钢零件可采用渗氮（硬氮化）处理，以提高零件的耐磨性、耐热疲劳性和耐磨蚀性；拉深模、弯曲模可采用渗硫处理，以减少摩擦系数，提高材料的耐磨性；碳氮共渗（软氮化）可应用于各类模具钢材的表面强化处理。

另外，近几年发展起来的一种称为FCVA真空镀金刚石膜技术，能在零件表层形成一层与基体结合异常牢固又十分光滑均匀密实的保护膜，这种技术特别适合于模具钢材表面保护性处理，也是提高模具钢材质量的一种效果显著的方法。

当然，如果制件属试制产品或生产批量相当小的话，就不一定非要进行模具钢材零件的表面强化处理。

2提高模具钢冶金质量的途径

冶炼质量对于高质量的模具钢材，国外广泛采用炉外精炼、真空处理、真空冶炼、喷粉处理、电渣重熔等工艺、降低钢中的有害元素、氧、氢和夹杂物的含量，进行化学成分和浇注温度的微调。

通过电渣重熔还能够有效地改善钢的低倍组织和致密度，提高模具钢材的等向性。

锻造轧制工艺在保证一定的锻造比的基础上，尽可能采用镦粗一拔长锻造和交叉轧制工艺，以提高模具材料的等向性。

为了减少加工余量，提高材料的利用率，广泛采用精锻机、快锻水压机、高精度连轧机生产，提供高精度的钢材适应模具制造的需要。

热处理和精加工锻、轧材的热处理，应采用可控气氛或真空热处理，避免氧化脱碳，对有些塑料模具钢和热作模具钢应由冶金部门进行预硬处理。

对有些要求高的热作模具材料应由冶金部门预先进行组织细化处理，消除钢中的粗大碳化物和链状分布的碳化物，得到细小、均匀分布的碳化物组织，以进一步改善钢的各种性能，特别是等向性。

根据国外的一些报道，有些热作模具钢通过电渣重熔—多向煅造（轧制）—组织细化处理，生产出高质量高等向性的模具钢，其横向的冲击韧度值可以相当于纵向的90%以上。

不少钢厂对这种工艺生产的钢命名了商品牌号,如奥地利伯乐钢厂的ISODISC；日本日立金属公司的ISOTROPY，日本高周波钢业公司的MICROFINE等，我国不少冶金生产部门也在致力于这项工作。

另外从钢材各部位的冶金质量考虑，制造模具时应注意使模具的主要工作面（如型腔或刃部）选择接近钢材的表面位置；因为在一般情况下钢材的表面是钢材比较清洁的部位，而钢材的心部是钢材低倍缺陷比较集中的区域；特别是在大截面莱氏体钢材中，中心部位钢的共晶碳化物不均匀度会比表面部位高出2～3级。

还有模具的主要承受载荷的方向最好能选择与钢材的变形方向相一致，以减少钢材的各向异性对模具的不利影响。

导热性也是模具钢材，特别是有些热作模具钢材和塑料模具钢材的主要性能指标之一。

导热性好的模具钢材，能把加工中产生的热量和加工工件传来的热量迅速传出，避免模具工作表面产生过热现象改善模具的工作条件。

对一些热塑性塑料成形用的模具和一些压铸模具，为了加快生产节奏希望压制的工件迅速降温脱模，以提高生产率，为了解决这一问题，有时选用一些比钢铁导热性更好的模具材料，如高强度铜合金、高强度铝合金等。

3高纯净度模具钢

钢的纯净度提高到一定水平，不但可以改进钢的原有性能，而且可以赋予钢的新性能。

日本特殊钢公司把SKD61（4Cr5MoSiVl）钢中硫、磷含量从0.03％降到0.01％以下，冲击韧性提高一倍以上；日立金属公司把SKD61钢中的磷含量从0.03％降到0.001％，钢的冲击韧性从40J/cm2 提高到130J/cm2；德国蒂森把2344（H13）电渣中的磷含量降低到≤0.003％且细晶化，钢的疲劳性能明显提高。

将钢中的氧含量降低，也可以显著改善钢的韧性，国外有些特殊钢厂将模具钢的氧含量规定为≤15×10-6。

为了提高模具钢的纯净度，国外普遍采用二次精炼工艺，主要用真空炉外精炼、电渣重熔、真空白耗等手段生产模具钢，以提高钢的纯净度，降低钢中有害夹杂物含量。

由于钢中非金属夹杂物含量降低，尤其是脆性非金属夹杂物含量降低，有效地提高钢的抛光性能和改善表面粗糙度，这对于高档的塑料模具钢尤为重要。

因此，日本山阳特殊钢公司规定高纯净度的模具钢中的[0]≤10×10-6、[S]≤50×10-6。

4高等向性能模具钢

　模具大部分是多向受力，因此提高钢的等向性能，改善钢的横向韧性和塑性，使其与纵向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用寿命。

近二十年来，国外不少特殊钢厂都采用不同工艺措施致力于开发高等向性能的模具钢，并且各自命名一些商业牌号。

　　要获得高等向性能的模具钢，目前国外采用真空炉外精炼或电渣重熔、高温扩散退火和大锻造比的等向锻造工艺相结合，减小了大截面模块表面和心部横向和纵向性能的差异。

以生产高等向性能的4Cr5MoSiVl模具钢为例，主要的生产工序如下：

即采用电渣重熔，除了提高钢的纯净度、降低钢中的非金属夹杂物之外，还可以使钢中的枝晶间距变小，结晶结构改变。

另一个重要生产工序是对钢锭或钢坯进行高温扩散退火，使钢中原先较小颗粒的一次碳化物完全溶解，并在随后冷却过程中析出球状的碳化物；而原先条状粗大的一次碳化物则通过高温扩散溶解一部分，使其变小和球化，结合适当的软化处理，可获得球状碳化物均匀分布在铁素体基体上的组织，从而显著地提高钢的横向冲击韧性。

5模具材料的质量对模具热处理的影响

模具钢零件或工具钢的生产要经历冶炼、浇注、煅造、预先热处理、机械加工、最后热处理、精加工和装配等流程。

为了搞好热处理，应掌握整个生产中各个环节的相互作用及其对产品质量影响的规律，将热处理作为制造流程中的一环，以全局的视野分析和解决问题，常可收到事半功倍之效。

举例如下：

工业缝纫机梭心套冷挤压凸模，工件材料为20Gr钢，形变阻力较大，凸模所承受的单位压力超过250MPa，而且在凸模中间有一个小孔，挤压时部分被挤钢料从中窜出使凸模承受径向力，容易引起开裂。

W6Mo5Cr4V2钢制造的凸模，其最佳淬火、回火工艺即1190℃加热淬火，560℃回火4次，仍未能完全消除凸模早期开裂的现象。

对使用后的模具进行解剖和金相分析发现，凡是早期开裂的凸模，碳化物偏析的级别大多数在3级以下。

由此可见，高速工具钢的莱氏体碳化物偏析导致韧性下降，是凸模早期开裂的重要原因。

这就需要从控制高速钢原材料的质量，以及通过锻造改善碳化物级别着手，才能解决问题。

我国国标规定，直径为60～80mm的高速钢出厂时碳化物级别为5级。

梭子凸模原设计尾部直径为60mm，需要用直径大于60 mm的钢材制造，经过修改凸模设计，尾部直径改为48mm，可以用50mm直径高速钢制造。

通过对高速钢材进行“十字交叉”锻造，进一步降低碳化物级别，并规定煅造的形变规，使钢料中碳化物最严重的区域移到凸模中应力较低的部位，从而消除了凸模早期断裂的现象。

克服梭子凸模开裂的另一条途径是用基体钢65Nb替代高速钢。

65Nb的含碳量较低，即使是较大规格的钢件，碳化物偏析一般也不会大于3级，而且65Nb的韧性也优于高速钢，因此用65Nb制造梭子的冷挤压模不会开裂。

但是，65Nb的挤压屈服强度略低于高速钢，而梭子冷挤压凸模承受的单位压力高于一般的冷挤压模具，初期试验时发现65Nb钢制模具工作部位的直径略有胀大。

65Nb钢制凸模在淬火回火后进行铁素体氮碳共渗处理，降低了表面摩擦系数，从而减轻了成形阻力，克服了凸模工作时直径胀大问题，而且由于表面耐磨性大幅度提高，凸模寿命达到3万件以上，优于高速钢模具。

梭子凸模早期损坏的另一种形式是刃口崩掉一小块，起初认为是材料脆性所致，但未能找到解决办法。

经过对凸模制造过程进行仔细的研究分析，发现凸模磨削时刃带上易产生磨削裂纹。

改用硬质合金车刀在凸模淬火和回火之后、氮碳共渗处理之前进行“精车”（实际上是一种车削与挤光相混合的方法），替代磨削，避免了凸模早期崩口现象。

梭子冷挤压模具寿命的提高是一个系统的工程，除上述措施之外，还包括冷挤压工艺研究、模具设计、20Cr坯料的软化退火、表面磷化、润滑剂选择等一系列研究和技术攻关的成果。

这一事例有一定的典型性，从中可以看出热处理工艺的研究和改进，常常需要和产品设计、选材、原材料质量控制、煅造、机加工等众多环节相配合，才能达到提高使用寿命和可靠性的目的。

6模具钢热处理存在的质量控制问题

模具钢热处理过程中工件部组织和性能的变化无法实时监测，这是热处理质量控制难度大的原因之一。

以工件炉加热为例，人们只能测量和控制炉膛的温度，只能从炉温的变化去推测工件部温度场和组织的变化，作为制订加热规程和炉温控制的依据。

至于淬火操作，目前没有一种传感技术手段可以实时反映冷却过程中温度场与组织变化的信息，所以有人将淬火冷却喻为“黑洞”，意指人们对其知之甚少，而有待挖掘的潜力巨大。

第二个原因是影响热处理质量的因素众多，例如淬火冷却介质的种类和成分，介质老化情况、介质的温度、介质搅拌、模具钢的成分波动和原始组织、奥氏体化温度的偏差和工件的表面状态等，都会对工件淬火的质量产生影响，使质量控制遇到很大的困难。

影响热处理质量的因素不仅仅限于热处理过程本身，冶炼、煅造、塑性成形、预先热处理等各道工序都影响着最后热处理的质量，不全面系统地掌握整个模具钢材料制造流程中各个环节之间相互影响的规律，就无法实现可靠的热处理质量控制。

第三个原因在于热处理质量检验的局限性。

硬度测量是热处理质量检验最常用的方法，但只能测出表面硬度，无法反映部质量，而且硬度并不能全面反映材料的组织和性能，抽样做解剖分析和综合性能测试，其结果也不能说明每一个零件的质量，所以仅仅依靠热处理后的检验，事实上并不能严格把住热处理质量关。

潜伏的隐患常常在产品投入使用时才暴露甚至可能导致重大事故。

7模具热处理技术的进步推动制造业的创新

历史已证明：

改进模具热处理技术，可充分发挥模具材料的潜力，往往是产品更新换代的催化剂。

例如调质处理（即淬火后高温回火）后的屈服强度在600～900MPa之间，无论是强度还是韧性都显著优于正火处理，因而成为结构钢常用的热处理工艺。

第二次世界大战期间联的研究人员发现，30CrMnSi钢淬火和低温回火，或等温淬火后，屈服强度达到1500MPa，且保持足够的韧性，可用于制造飞机起落架。

当时中、低碳结构钢淬火和低温回火处理还应用于火炮防弹护板等军工产品。

随后各国开发出一系列以淬火和低温回火处理为特征的“超高强度钢”，促进了不少重要产品的更新换代。

例如：

大功率燃气轮机的液压耦合器的转子传递着几万千瓦的功率，转速达20000r/min以上，原设计为SEA4340钢调质处理，屈服强度为800MPa；改用淬火和低温回火处理，屈服强度达到1800MPa，使整个耦合器的重量减少到原来的1/4。

这对于提高舰艇的性能是很有利的。

表面改性技术对于高端产品的研发同样具有重要作用。

众所周知，燃气和热效率随着燃气温度的升高而提高，然而高温合金的耐热温度限制了燃烧室温度的提高。

在高温合金表面沉积含蜂状ZrO2的复合涂层，起到了隔热作用，使高温合金叶片的温度比燃气温度低150℃以上，从而研制出燃烧室温度更高的燃气轮机，促成了航空发动机的更新换代。

即使是一般的机械制造行业，模具热处理与模具表面改性技术的进步同样对产品的创新具有重要意义。

例如：

冷镦机的生产率现在已达600件/min，相比于20多年前60件/min提高了10倍，使标准件行业的面貌大为改观。

其实冷镦机并不复杂，在当年设计制造600件/min的冷镦机亦非难事，问题在于那个小小的六角冲头，它当时的寿命低于2万件，在这种情况下，提高冷镦机的速度毫无意义。

因为标准件是一种批量极大的产品，通常要求每个冲头的寿命都要超过一个班的工作时间，否则很难进行生产管理。

20世纪80年代初通过热处理工艺的改进，使模具冲头的寿命提高到5万件以上，因而才有100件/min的冷镦机面世。

及至90年代，用气相沉积氮化钛的方法进行六角冲头的表面改性处理，使其寿命提高到35万件以上。

8如何改善模具钢的锻造质量

改善Cr12型的莱氏体共晶碳化物不均匀性常采用以下几种有效措施：

⑴选择合理的锭型。

在满足锻比的情况下，应尽量选择较小的锭型，一般≤150mm的材，应选择1.5t以下的钢锭。

对于大截面的模具钢，应选用较大的钢锭。

对于同一种规格的模具钢，大型钢锭的碳化物级别偏低。

但是由于钢锭较大，钢锭凝固冷却条件差，易产生严重的偏析、疏松等缺陷，因此在能满足锻造比的情况下，应尽量选择较小的钢锭。

⑵在条件允许的情况下，加在锻造比100120dzmgz改善碳化物的不均匀度。

在Cr12型莱氏体钢的铸态组织中存在着数量相当大的以树枝状和板条颗粒聚集复合碳化物，为了使这些碳化物破碎，应采用大的锻造比以增加变形程度。

⑶采用多次镦拔，可使碳化物的分布进一步均匀，但要防止在镦粗过程中产生裂纹。

⑷采用电渣重熔的工艺，可以使共晶碳化物细小、均匀。

⑸在浇注前加入稀土元素，进行变质处理，使铸态组织得到细化，有利于网状共晶碳化物的消除，并使碳化物的颗粒尺寸减小。

⑹优化冶炼浇注工艺参数，Cr12型模具钢熔点低，液相线的温度约为1360℃，应严格控制各期的温度，要严防还原期钢液温度过热，且在凝固过程中容易形成碳化物偏析，要严格控制出钢温度和浇注温度，一般出钢温度为1480~1510℃。

在浇注时一定要控制浇注速度。

9在模具钢材生产中常用的炉外精炼

⑴模具钢材真空精炼。

合金工具钢常用的真空精炼有VHD、VDRH、VAD和ASEA-SKF等，经过真空精炼的模具钢材氧含量可降低w（Q）40%~60%左右，硫含量降低w（S）40%以上，使钢液中的夹杂物显著降低。

⑵喷粉精炼。

即使利用吹氩搅拌、真空脱气等技术措施，钢液中还会有一些氧化铝夹杂物。

若把以氧化钙为主的精炼剂喷入钢液中，氧化钙对氧化铝具有较高的亲和力，可形成铝酸钙盐类，铝酸钙熔点较低，易凝聚长大而上浮，使钢液中的夹杂物明显减少，显著改善模具钢材的纯洁度。

大多数夹杂物的尺寸均小于50um。

在钢液中喷入CaO-CaF2能进行去硫，也可喷入Ca-Si粉，以改变硫化物的形态，100120dzmgz或喷入CaC2粉剂达到脱氧脱硫的目的。

模具钢材大量销售各种炉外精炼模具钢材。

⑶模具钢材电渣重熔。

利用电渣重熔可以大量去除钢中的夹杂物并改善钢材的低倍组织，从而有效地改善了钢材的性能。

10改善模具钢材带状碳化物的有效工艺措施

⑴改善钢锭的结晶组织，在满足一定锻造比的情况下，尽量采用小的锭型，以提高钢液在结晶区的冷却速度，以减小碳化物的铸态组织的偏析。

⑵在可能的情况下，应尽量采用低温浇注。

⑶采用电弧炉+电渣重熔工艺冶炼，充分改善钢锭的原始铸态组织，使碳化物细化。

⑷选用大的锻造比和大的变形率有利于破碎碳化物，改善碳化物的颗粒度。

⑸对存在碳化物不均匀的，可采用高温扩散处理，进行均匀化处理，一般采用1180~1200℃，保温5~8h。

⑹轧后或锻后进行强化冷却，可以采用风冷、雾冷等工艺措施。

一般轧后或锻后冷却到650-700℃，然后进行缓冷，快冷是为了防止网状碳化物，缓冷是防止白点和形成裂纹。

提高模具钢材的质量水平100120dzmgz是保证模具钢材使用寿命的关键，因此，在经济成本和设备条件允许情况下，使用比较成熟的工艺措施，应尽量提高模具钢材的质量水平，包括表面质量和在质量，此外，还应保证模具钢材的质量高的稳定性，使用户在使用中有可靠性和安全感。

模具钢材尺寸精度是衡量模具钢材的外观质量的重要指标之一，同时也影响到零件机加工的切削率和成本等。

模具钢材尺寸精度主要取决于模具钢材锻造工艺装备。

国目前的模具钢材锻材除了少数几个大的特殊钢厂用快锻机生产外，大多数用水压机和气锤生产，因此模具钢材的外型较差，且尺寸精度较低。

采用快锻机和精锻机的企业生产的锻材，其产品尺寸精度可控制在±0.1%~0.2%的围，其外型也比较规整，而且模具钢材产品的在质量好，生产效率高，成材率也高，附表列出我国快锻机生产的模块与日本的模块的尺寸精度的比较，可见改善工艺装备是提高尺寸精度的关键。

近几年来，有部分模具钢材使用单位要求尺寸精度更严。

11电炉冶炼时如何正确采取措施以提高模具钢质量水平，从而消除模具钢缺陷,主要有以下方面：

⑴选用优质的模具钢原材料。

模具钢在冶炼时应尽量选用优质原材料，废钢中不仅S、P含量要低，而且应严格控制其他有害元素As、Sn、Pb和Cu等。

废钢应尽量多采用好的废钢（最好是本组的返回料），或优质生铁。

用氧化法冶炼时，应尽量保证氧化期的去碳量。

⑵选用优质的耐火材料。

在用电炉冶炼工模具钢时，应选用优质耐冲刷的耐火材料。

如炉衬可选用优质镁碳砖，钢包一般选用高铝或镁碳砖，包括浇注等用的耐火材料一定要注意。

⑶冶炼中采用的吹氩搅拌。

模具钢在冶炼时，采用吹氩搅拌，可加速夹杂物的上浮速度，而且可使较小的夹杂物通过碰撞、聚合而形成较大的夹杂物而易于上浮，但吹氩量要控制适当，如吹氩流量太大或吹氩时间太长，会引起钢渣卷入钢液中，从而带来更多的夹渣或夹杂物，同时使钢液的温度降低太多。

⑷采用合成渣。

向钢液中加入专门配置的熔渣，可强化有害杂质向熔渣中的转变过程，合成渣的配方有很多，加入的方式也较多，当需要去除某种成分的非金属夹杂物时，选择相应的合成渣。

⑸采用复合脱氧剂。

近些年来，模具钢的冶炼一般采用复合脱氧剂，可使夹杂物更易从金属中分离出来。

如Si-Mn合金、AI-Mn-Si合金、Ca-Si合金等，均可作为复合脱氧剂。

⑹采用稀土元素。

稀土金属元素是很强的脱氧剂，可以选用含稀土（质量分数）30%~50%的合金，加入钢液中形成稀土氧化物、稀土硫化物能成为结晶时的晶核，分布在晶体而不在晶界，对钢材性能的有害作用可降至最小，并提高模具钢的等向性。

总之，要想提高模具钢的质量，首先必须每个环节都要考虑到对模具钢质量的影响，其次还须通过各部门的通力合作。

模具钢的质量是模具钢企业自身实力的真实体现。

4、参考文献

【1】《钢铁冶金学》家祥.1990年

【2】《炼钢基础知识 》红文  2005年

【3】《中国钢铁工业的现状与发展趋势》 霍根 2000年

【4】《冶金过程控制基础及应用》钟良才祭程2011年