模具材料及表面强化技术何柏林习题解析Word文档格式.docx

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冲裁模的热处理主要是根据不同的模具材料制定相应的淬火艺，分几次加热，用什么介质冷却，不同的材料热处理工艺不同，同种材料，为得到不同的硬度，热处理工艺也不同。

淬火后要立即回火，回火温度要根据你想要的硬度和韧性来定。

10、工作条件：

冷挤压成形时,凸模受到巨大的压应力，当毛坯端面不平整，凸模和凹模不同心时，凸模必然会受到弯曲应力的作用，此外，脱模时由于毛坯与凸模之间的摩擦，使凸模还受到拉应力的作用。

因此，在多种作用力的叠加作用下，在凸模应力集中处，极易发生脆性断裂（折断、劈裂）等。

同时，凹模内壁受到变形金属的强烈摩擦，容易导致磨损，此外，凹模还受到切向应力的作用，有胀裂的可能。

冷镦成形工艺主要用在紧固件、滚动轴承、滚子链条、汽车零件等。

零件的冷镦成形在冷镦机上进行，冷镦频率为60～120次/min，冲击力从300KN到2500KＮ。

冷镦凸模承受强烈的冲击力，又由于被镦材料硬度不均，坯料端面不平，冷镦机精度不够等原因，还可使凸模产生弯曲应力；

凸模表面还承受剧烈的冲击性摩擦，可使凸模面磨损。

冷镦凹模的型腔承受冲击性胀力，型腔表面还承受强烈的摩擦和压力。

失效形式：

冷挤凸模的失效形式有折断、疲劳断裂、塑性变形及磨损；

凹模的失效形式主要是胀裂及磨损。

冷镦模主要的失效方式是开裂、折断，即由韧性不足引起的损伤占有很大比例，因上述原因导致的失效占90%以上，材料韧性不足极大影响着模具寿命。

材料性能要求：

制作冷挤压模具的材料必须具有高的强韧性及良好的耐磨性。

一般要求硬度61～63HRC，硬度过高，模具容易碎裂、崩块；

硬度不够，模具容易磨损，也可能发生压塌及变形。

冷镦模具除应具备高硬度，高强度和高的耐磨性外，还需有高的冲击韧度以增强模具在冲击载荷作用下的断裂抗力和疲劳抗力。

热处理特点：

冷挤压模的热处理特点：

（1）采用常规工艺下限温度淬火，再经回火得到高强韧性。

（2）采用较长时间的回火或多次回火，消除应力，提高韧性，稳定尺寸。

（3）对于以脆性破坏为主，韧性不足的采用等温淬火工艺，（4）应用表面强化处理。

（5）在使用过程中进行低温去应力回火。

冷镦模的热处理有如下特点：

（1）对于碳素工具钢制冷镦凹模，常采用喷水淬火法。

（2）冷镦模必须充分回火，回火保温时间应在2h以上，并进行多次回火，使其内应力全部释放。

（3）采用中温淬火、中温回火工艺。

（4）采用快速加热工艺。

（5）采用表面处理。

11、对冷拉深模用钢的性能要求，主要是模具应有高的强度和耐磨性，在工作时不发生黏附和划伤，具有一定韧性及较好的切削加工性能，并要求热处理时模具变形小。

拉深模应具有高的硬度，良好的耐磨性和抗粘附性能。

（1）要避免模具表面产生氧化脱碳。

氧化脱碳会造成模具淬火后硬度不足或出现软点。

当表面硬度低于500HV以下时，模具表面就会出现拉毛现象。

同时还要防止磨削引起二次回火使表面硬度降低。

（2）为了提高拉深模表面的抗磨损和抗粘附性能，常对模具进行表面处理，如渗氮、渗硼、镀硬铬、渗钒等。

12、冷作模具钢的强韧化处理工艺主要包括：

低淬低回、高淬高回、微细化处理、等温和分级淬火等。

（1）冷作模具钢的低温淬火工艺

（2）冷作模具钢的高温淬火工艺（3）冷作模具钢的微细化处理（4）冷作模具钢的分级淬火和等温淬火（5）其它强韧化处理方法

13、试述Cr12MoV和6W6Mo5Cr4V钢的锻造、热处理工艺特点。

Crl2MoV属于高碳高铬莱氏体钢，

1/主要性能特点：

热处理后，具有很高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力仅次于高速钢。

淬透性也高，截面尺寸300-400mm的模具在油中均可淬透；

淬火变形小，通过调整淬火温度，可达微变形程度。

Crl2MoV钢的含碳量比Crl2钢少，加入Mo、V，使钢中碳化物分布不均匀性明显改善，韧性提高；

2/热加工工艺：

1）锻造：

（属莱氏体钢，轧材中有明显的网状碳化物，易淬火变形、开裂，大截面的坯料要锻造，以改善碳化物的不均匀性，使其热加工流线在模具中分布合理），锻后应注意及时退火。

2）等温球化退火：

加热温度为850-870℃、2-4h，等温温度740-760℃、4-6h；

硬度为207-255HBS。

3）淬火和回火：

根据模具的具体性能要求而定,常用有二种。

（1）低温淬火+低温回火：

Cr12钢，950-980℃、油冷；

Cr12MoV钢，1000-1020℃；

回火温度，200℃--保证高硬度、高耐磨性和韧性，但抗压强度低。

（2）高温淬火+高温回火：

Cr12钢，1000-1100℃、油冷；

Cr12MoV钢，1040-1140℃；

回火温度，500-520℃--保证高耐磨性、热硬性和较高抗压强度，但韧性差。

6W6Mo5Cr4V（6W6）钢：

1）主要性能特点:

又称降碳高速钢，相对W6Mo5Cr4V钢降低了碳含量和钒含量。

因而，碳化物总量减少，碳化物不均匀性得到改善，使钢在保持较高硬度、耐磨性的同时，明显提高钢的抗弯强度、塑性和韧性。

主要缺陷是易产生脱碳，耐磨性稍差。

2）热加工工艺：

（1）锻造:

含钼量较高，锻造温度范围（1050-900℃）稍窄，需深透锻造，锻后缓冷。

（2）退火：

同高速钢，退火硬度小于229HBS。

（3）淬火和回火：

热处理工艺性能与W6Mo5Cr4V2钢相似，具有高的淬透性、较强的二次硬化能力和良好的热稳定性。

淬火加热温度为1180-1200℃，加热时可进行一次或二次预热。

采用油冷或分级淬火。

回火工艺为：

560—580℃回火三次，每次1-2h。

硬度为60-63HRC，冲击韧度αK为50-60J／cm2。

3）应用范围：

主要用于取代高速钢或Crl2型钢制作易于脆断或开裂的冷挤压凸模或冷镦模，寿命可提高2—10倍。

用于大规格的圆钢下料剪刀，提高寿命数十倍。

14、Cr12MoV钢采用低温淬火和低温回火后，可获得高的硬度，强度断裂韧度力学性能较高，变形量较小，若采用高温淬火和高温回火，可获得更好的热硬性和较高的耐磨性，但抗压强度和断裂韧度较低变形量在而未用中温淬火，贝氏体等温淬火和中温回火，可以获得最好的强韧性配合。

第四章

1、热作模具工作条件、失效形式及性能要求。

热作模具分类：

根据工作条件，分为热锻模、热挤压模、压铸模和热冲裁模等。

热作模具在工作中既有力的作用又有温度的作用，模具的工作条件差、失效形式复杂，性能要求高.

（1）热锻模--包括锤锻模、压力机锻模、热镦模和高速锻模等。

其中锤锻模最有代表性。

1）工作条件及主要失效形式

工作时受很大的压应力和冲击载荷的作用，冲击频率很高；

模具型腔表面和炽热金属接触，使模具升温到300-400℃，局部温度达到500-600℃；

工作时，锻完一个零件后，用水或油冷却模具，产生急冷急热作用；

坯料对模具型腔有强烈的摩擦作用。

☆锤锻模的主要失效形式：

氧化；

磨损；

断裂；

产生热疲劳裂纹，形成龟裂；

塑性变形造成型腔面塌陷。

2）主要性能要求：

（1）较高强度和良好的韧性；

（2）良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；

（3）模具尺寸较大时，应具有高的淬透性

（2）热挤压模

1）工作条件及主要失效形式：

受力复杂：

承受压应力和弯曲应力，脱模时有拉应力；

有冲击载荷作用；

模具温升较高，承受急冷急热的热疲劳作用。

模具与炽热金属接触时间较长，温度比锤锻模温度更高，尤其是挤压钢件和难熔金属时，温度高达600-800℃。

主要失效形式：

模腔过量塑性变形、开裂、冷热疲劳、热磨损及表面氧化腐蚀。

（1）高的热稳定性；

（2）良好的冷热疲劳抗力和高耐磨性；

（3）较高的高温强度和足够的韧性。

（3）压铸模具

模具温升高、有热疲劳作用：

工作时与高温液态金属接触，受热时间长，受热温度高（压铸有色金属时,温度达400-800℃；

压铸黑色金属时,温度可达1000℃以上），同时模具有冷却.高的压力（20-120MPa）及金属液流的高速冲刷作用；

热疲劳开裂、热磨损和热熔蚀。

低温合金的压铸，以磨损失效为主。

（1）较高的耐热性和良好的高温力学性能；

（2）优良的耐冷热疲劳性和高的导热性；

（3）良好的抗氧化性和耐蚀性；

（4）较高的淬透性。

（4）热冲切模：

由切边凹模和凸模组成，切边时凸模无刃口，只起传力作用，由凹模切除飞边、连皮。

凹模刃口与毛坯有摩擦，同时有一定的冲击载荷；

刃口受热而温度升高。

失效的主要形式是：

刃口磨损、崩刃、卷边等。

（1）高耐磨性，高硬度及热硬性；

（2）具有一定的强韧性（避免崩刃）；

（3）具有良好的工艺性

2、热作模具的失效抗力指标主要有哪些？

它与材料性能间的关系如何？

１）高温硬度：

高温硬度的高低，主要决定于模具钢所含合金元素的种类和含量。

其数值与该钢的屈服强度、塑性有一定的对应关系。

因此是热作模具失效的主要抗力指标。

２）热稳定性：

找出温度与保持时间及硬度的对应关系，从而可评价各种材料的热稳定性差异。

该数据对锻压生产很有用，它可估其锻模的使用寿命。

３）抗氧化性：

由于高温．模具的模腔表面产生氧化，会加速热磨损失效和热疲劳裂纹的萌生与扩展因此该性能应作为模具失效的因素予以重视

3、常用锤锻模用钢有哪些？

试比较5CrNiMo与45Cr2NiMoVSi钢的性能特点和应用范围有什么区别？

常用锤锻楼用钢有5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW、5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。

1）5CrNiMo钢以良好的综合力学性能和良好的淬透性而着称，5CrNiMo钢适合于制造受力较轻的中小型锤锻模。

2）45Cr2NiMoVS是新型的热作模具钢，成分与5CrNiMo相比，碳量稍低，提高了Cr和Mo的含量，并加入了适量的V和Si，回火时析出M2C，MC型碳化物，使钢具有二次硬化效应。

与5CrNiMo相比有如下优点：

淬透性明显提高，热稳定性比5CrNiMo高15氏度，具有高的强韧性，抗热疲劳和热磨损性能高，具有优良的使用性能，其使用寿命较目前应用的国内外锤锻模钢种均有明显的提高。

4、确定锤锻模材料和工作硬度的依据是什么？

答：

较高的高温强度和韧性，良好的耐磨性，还应有冷热疲劳和机械疲劳抗力的要求。

此外，锤锻模尺寸比较大，还要求锤锻模用钢具有高的淬透性。

5、5CrNiMo、5CrMnMo钢制锤锻模淬、回火时应注意哪些问题？

5CrMnMo为热锻模用钢，其常用的普通淬火工艺为：

淬火：

550~600℃预热（时间箱式炉以0.6min/mm计）→830~850℃均温（时间：

箱式炉以1.0~1.5min/mm，盐浴炉加热0.40~0.60min/mm计）→预冷（大型模具预冷至760~780℃，小型模具预冷至780~800℃）（根据模具大小不同，预冷时间大约在3~8min）然后淬油；

为保证淬火质量，应使油循环（油温不低于70℃）并应控制出油温度在150~200℃左右，否则可能因模具内部巨大的内应力而淬裂！

生产中往往根据在油中停留时间控制出油温度，小型锻模15~20min，中型锻模25~40min，大型模具则需冷却40~60min。

模具出油温度是否适宜，可通过观察模具出油后残油是否着火（约200℃）加以确定。

回火：

模具出油后应立即回火，不允许冷至室温再回火，以防开裂。

回火时应注意；

模具淬火状态存在巨大内应力，若直接加热至回火温度，可能会引起开裂。

所以常先在350~400℃炉内均温后再缓慢升至回火温度，回火保温时间可按锻模高度1.5~2.0min/mm计，为充分消除内应力，并使组织均匀，一般不少于2h。

为防止第二类回火脆性，回火后油冷，于100℃左右出油，为消除回火时油冷所造成的内应力，可在160~180℃再补充一次低温回火。

回火温度根据技术要求的最终硬度选择：

460~480℃回火，硬度42~47HRC，490~500℃回火，硬度39~45HRC，燕尾回火560~600℃，硬度34~37HRC。

6、常用热挤压模具钢有哪些系列？

举出各系列的典型钢种，并比较铬钢、铬钼钢和铬钨钼钢在性能、应用上的区别？

热挤压模具用钢--包括机锻模、高速锻模用钢，主要有钨系、铬系、铬钼系热作模具钢及基体钢。

（一）铬系：

代表钢种4Cr5MoSiV1（H13），4Cr5MoSiV（H11）4Cr5W2VSi（H12），属于中碳中铬钢。

成分特点:

碳的质量分数较低约为0.3%～0.4%。

合金元素含量中等，有较高的Cr、Mo、V、W等碳化物形成元素，Cr的含量为5%，俗称5%Cr型热模钢。

Cr和Mo使该钢的淬透性大大提高，含V有利于提高钢的热硬性和热强性。

1）主要性能特点及应用：

（1）淬透性好，几乎都采用空冷淬火（属空冷硬化钢，厚度150mm钢件在油中可淬透）；

（2）冲击韧度和断裂韧度较高；

（3）良好的耐热疲劳性能和抗氧化性，能适应急冷急热的工作条件。

与5CrNiMo钢相比，有更高的硬度、热强性和耐磨性.（4）钢的综合性能好，在最佳淬火回火热处理工艺状况下具有高的强度、高硬度和良好的韧性和塑性的配合。

在所有的热作模具中这种钢具有最高的疲劳强度，在热处理时尺寸变形都比较小。

（5）这类钢的工作温度一般不超过600℃。

广泛用于铝型材挤压模具；

汽车、拖拉机、五金工具等行业机锻模具、辊锻模具；

轴承行业挤压模及辗压辊；

压铸模等。

2）热处理工艺：

锻造→等温退火：

860-890℃，700-720℃等温，缓冷至500℃出炉→淬火：

1000-1050℃、油冷+540-600℃回火（回火温度根据硬度要求确定）。

（二）钨系：

3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V、5Cr4Mo2W2VSi，代表钢种3Cr2W8V。

耐热疲劳性较差，在压铸模中的应用较多。

具有以下特点：

1）成分上：

含碳并不高，但接近共析或过共析成分；

合金元素含量高或中等，普遍含合金元素的质量分数为8%～10%。

2）性能上：

该钢具有高的耐热性，即有较高的高温强度和高温硬度。

可在600～700高温下工作。

具有高的耐磨性。

3Cr2W8V纲是广泛应用的热作模具钢。

用于压铸模、热挤压模、精锻模等。

它又叫半“高速钢”。

由于含有较多的易形成碳化物的元素Cr、W，高耐热强性最好。

三）铬钼钢及钨钼钢:

包括4Cr3Mo3SiV（H10）、4Cr3Mo2NiVNbB（HD）、3Cr3Mo3W2V（HM1）、25Cr3Mo3VNb（HM3）、4Cr3Mo3W4VNb（GR）。

1、25Cr3Mo3VNb（HM3）:

含碳量较低；

加入少量的铌，具有较高的耐热疲劳性、热强性和回火稳定性

1）加工工艺：

锻造，锻后缓冷→等温退火（温度860℃、等温温度710℃，炉冷至550℃出炉空冷→淬火（温度1080℃，油冷或水冷）+回火（温度根据模具硬度要求在560-630℃范围选择），回火二次。

2）应用：

热锻成形凹模、连杆辊锻模，小型机锻模、铝合金压铸模等。

工作寿命比5CrNiMo、4CrSW2VSi、3Cr2W8V钢等模具提高2-10倍。

2、4Cr3Mo2NiVNbB（HD）--新钢种：

综合了3Cr2W8V和H13的优点。

其高温强度、回火稳定性、断裂韧性、耐热疲劳性和耐磨性优于3Cr2W8V；

而耐热性优于H13钢，可在700℃下工作。

（1）加工工艺：

锻造→退火（加热温度850℃、4h，随炉缓冷到550℃出炉空冷）→淬火（1130℃、油淬）+回火（温度根据硬度要求可在650-700℃范围选择），回火二次。

（2）应用：

主要替代3Cr2W8V钢制作热挤压凸模与凹模，工作寿命可提高1倍。

3、3Cr3Mo3W2V（HMl）：

冲击韧度及断裂韧度与3Cr2W8V钢相近，但回火抗力比3Cr2W8V钢高，在保持高强度和热稳定性的同时，耐冷热疲劳性能比3Cr2W8V钢高得多。

锻造，锻后缓冷→等温退火（温度870℃，等温温度730℃，随炉缓冷到550℃出炉空冷），硬度为207-225HBS。

→淬火（1030-1120℃、油淬）+回火（温度580-620℃、2h），回火二次；

硬度为48-49HRC。

HM1钢是目前国内研制的高强韧热模钢中应用广泛，寿命长的新钢种。

适于制作高温高负荷，急热急冷水冷条件下工作的压力机和轴承环热锻凹模，高强度和高热强钢零件的精锻模，热挤压模，铝和铜合金的压铸模等，使用寿命可比3Cr2W8V、5CrNiMoV钢制模具提高1-4倍。

4、4Cr3Mo3W4VNb（GR）钢：

属钨钼系热作模具钢，具有高的回火抗力和高的热强性；

耐冷热疲劳性、热稳定性、耐磨性及高温强度明显高于3Cr2W8V钢；

淬透性、冷热加工性好。

锻造，锻后缓冷→等温退火（温度850℃，等温温度720℃，炉冷至550℃出炉空冷）→淬火（温度1160℃）+回火

要求高韧性及塑性，选用较低淬火温度；

要求高的高温强度及回火稳定性，则选用较高淬火温度；

回火温度：

630℃、600℃，二次回火，每次2-3h，若形状复杂的大模具，可采用三次回火，回火后硬度为50-54HRC。

用于齿轮高速锻造、精密锻造、轴承套圈热挤压、小型机锻模具等方面。

与3Cr2W8V钢制模具相比，使用寿命大幅提高。

（四）基体钢：

基体钢中有多个钢种是冷、热兼用的模具钢。

如O12Al、5Cr4W5Mo2V（RM2）6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2），多用于热挤压模。

1）012Al钢：

作热作模具钢使用，耐热疲劳性和热稳定性比3Cr2W8V高，热强性高于铬系钢。

用于热挤压模、机锻模寿命均高于3Cr2W8V钢。

2）6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2）钢：

室温和高温强度、热稳定性高于3Cr2W8V钢，耐热疲劳性较好，但高温冲击韧度低于3Cr2W8V。

可用于热挤、热镦、热锻、冷挤、冷镦模具。

3）5Cr4W5Mo2V（RM2）钢：

有较高强度和热稳定性，在50HRC时的热稳定性可达700℃，抗磨损性能好。

适于制作小截面热挤、高速锻及滚锻模具。

7、有哪些基体钢可用于制作热作模具，其性能特点是什么？

8、热挤压模的预先热处理方法有哪些？

各用于什么场合？

9、热挤压模对材料性能有哪些要求？

其淬回火工艺制定应注意哪些问题？

良好的热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性；

参看第六题

10、压铸模与其它热作模相比，其工作条件对材料的性能要求有什么不同？

压铸模是模具中比较突出的模具，在生产中他有个“三高”的工作特点是：

“高温、高速、高压”。

他要求材料能够应对“三高”，一般的材料做的模具寿命都很短，我国几忽都是用的进口热作模具钢。

（如：

8407、2344、H13、SKD11、SKD61、铬钢、铍铜）压铸模要求常常“回火”除去“内应力”，在生产前的热处理中就要“回火”3-4次，每次生产后还要“回火”处理，条件允许下要求“时效处理”，来达到消除“内应力”。

要求材料：

高硬度、高耐磨、耐高温等。

11、比较压铸模用钢3Cr3W8V与4Cr5MoSiV的性能特点。

3Cr3W8V：

用于制造热成形模具已有70多年的历史，至今仍广泛使用，尤其在压铸模中应用最多。

1）主要性能特点：

具有高的抗回火软化能力和二次硬化效应（600℃时，硬度仍可保持40HRc）；

屈服强度高达950MPa；

高的高温强度和耐磨性。

缺点：

含钨多，碳化物不均匀性和偏析倾向大，韧性较差；

抗氧化和热疲劳能力较差，易产生热疲劳裂纹而断裂失效。

应用：

适合制作在高温下长时受热、不受急冷急热、动负荷较小的压铸模具。

反复锻造，锻后快冷至