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          熱處理工藝對模具有哪些影響?
          來源: | 作者:東啟特鋼 | 發布時間: 2021-05-21 | 58 次瀏覽 | 分享到:
          熱處理工藝對模具有哪些影響?
            熱處理工藝對模具有哪些影響?


            通過熱處理,模具可以獲得所需的工藝性能和使用性能,在正常使用條件下可以保證一定的使用壽命。但是,如果熱處理工藝不合理或不當,會出現明顯的缺陷,如變形和開裂,嚴重影響模具鋼的顯微組織,造成模具早期失效,縮短模具壽命。
          模具鋼

            模具熱處理包括初步熱處理,如球化退火、正火、消除應力回火、淬火和回火等。還包括最終熱處理,如淬火、回火和表面強化處理。


            1.坯料預處理工藝的影響


            正確的預處理對提高模具的承載能力和使用壽命起著積極的作用。初步熱處理的主要目的是獲得所需的加工性能,為模具的最終熱處理做準備。其作用是消除毛坯的殘余結構缺陷,形成有利于強韌性、冷加工工藝性和減少淬火缺陷的原始結構。熱處理的關鍵是選擇加熱溫度以保證碳化物完全溶解或合金元素完全溶解,選擇冷卻方式(速度或等溫溫度)以保證合適的切削硬度和析出碳化物的均勻分布。


            鍛造后退火可以消除鍛造后的應力,調節工件的加工硬度,也可以調節碳化物的形狀和分布。退火是否充分對模具鋼的抗斷裂性能有很大影響,因此有必要對退火工藝給予足夠的重視。預處理后的顯微組織對淬火開裂傾向和變形脹縮傾向也有很大影響。預處理后獲得的調質細球狀組織的變形傾向遠小于片狀珠光體組織。


            鋼中碳化物分布不均勻會對模具的強度和韌性造成明顯的損傷,可以通過鍛造工藝,然后進行適當的熱處理來改善。比如T8A鋼沖頭經過碳化物細化處理后進行低溫淬火,可以顯著減少開裂,延長使用壽命10倍。Cr2鋼經碳化物微粉化處理后淬火回火至59~60 HRC,其無缺口沖擊值比普通處理可提高1倍以上,模具壽命可提高1~2倍。通過高溫固溶處理和正火消除鍛坯中的網狀二次碳化物或鏈狀碳化物,可以明顯提高鋼的斷裂韌性。細化碳化物后,鋼的塑性和沖擊韌性可提高近一倍。


            高速鋼和高鉻鋼中共晶碳化物的碳化物不均勻性可以通過高溫奧氏體化退火和等溫退火由8~9級轉變為6~7級。能顯著改善小坯料中碳化物的分布,特別是促進小尺寸碳化物的球化和大尺寸碳化物的圓整,細化晶粒。用于冷鐓模具時,使用壽命可提高一倍以上。


            奧氏體晶粒超細預處理可以全面提高模具鋼的強度、韌性和抗壓強度。W6Mo5Cr4V2鋼經超細化處理后,晶粒尺寸從10極增加到12極,抗彎強度提高了近20%。9SiCr鋼軋制模具經超細預處理后,晶粒度由常規處理后的8-9級細化到13-14級,抗彎強度提高30%,斷裂撓度提高40%,使用壽命提高1倍以上。


            2.最終熱處理工藝的影響


            最終熱處理的關鍵是淬火工藝的制定。熱處理工藝或操作不當導致的早期模具失效數量約占模具失效總數的60%。加熱溫度、保溫時間、冷卻速度、爐內氣氛等工藝參數選擇不當,會導致模具淬火開裂或早期失效。熱處理過程中,模具應加熱均勻,冷卻均勻,防止模具表面氧化脫碳。淬火后,應及時充分回火,以提高模具硬度的均勻性,從而獲得良好的耐磨性、高抗疲勞性或高冷熱疲勞壽命。


            淬火溫度過高,會使奧氏體晶粒長大,大量碳化物溶于基體,淬火后會出現粗大的針狀馬氏體,增加模具的熱處理應力,使模具變脆,在使用中容易開裂、碎裂、斷裂。例如冷加工模具道碴拉伸模是由走私的150mm CrWMn鋼棒經熱處理和油冷淬火在840~850℃淬火而成。當模具沖壓400個產品時,出現斷裂。經調查,是由于溫控儀表故障,使模具淬火溫度高達870℃,淬火后產生粗大馬氏體,增加了模具的脆性。此外,由于殘留奧氏體量大,鋼的導熱系數降低,磨削過程中容易形成磨削裂紋,導致磨削裂紋迅速擴展,模具在使用中開裂。


            如果淬火溫度過低,不能保證足夠的合金元素溶解在基體中,導致鋼的淬透性、回火穩定性、模具硬度、高溫強度、結構穩定性和鋼的冷熱疲勞抗力降低,導致模具坍塌、變形和磨損,從而降低模具的使用壽命。


            淬火冷卻是淬火后獲得所需組織和性能的決定性因素。如果冷卻過快或油溫過低,容易產生淬火裂紋,嚴重縮短疲勞壽命,甚至導致早期斷裂。如果冷卻速度太慢,會發生非馬氏體相變,這也會對模具壽命產生不利影響。對于碳鋼和低合金鋼,由于淬透性差,需要采用油冷或水冷的高冷卻速度才能獲得理想的效果。合金鋼淬透性高,可采用油淬或空冷。對于大型模具,尤其是模壁較厚的模具,當中心區域冷卻速度較慢時,往往得不到馬氏體組織,會使碳化物或雜質元素沿晶體析出或偏析,形成“黑色晶界”,增加模具的脆性,造成在役模具脆性斷裂。


            模具的硬度影響模具的強度和耐磨性,但硬度的增加往往會降低模具的塑性和韌性。模具早期失效大部分是由于工作硬度高,韌性喪失,導致早期斷裂;少數由于工作硬度低而出現早期變形或磨損。不同的模具有各自強度和韌性的最佳匹配狀態。通過對模具壽命、失效形式和主要影響因素的分析,找出硬度和韌性的最佳匹配。


            比如T10A鋼沖頭在軟硅鋼片上打孔,只沖幾千片,毛刺過多導致失效。如果把沖頭的硬度從56~58 HRC提高到60~62 HRC,使用壽命可提高到2~3萬倍。如果硬度進一步增加,容易因缺乏韌性而發生早期斷裂,使用壽命降低。3Cr2W8V鋼熱擠壓模具硬度在45~50hrc時,易發生早期斷裂,硬度降低到38~40hrc時,不再發生早期斷裂,平均壽命明顯提高。


            此外,最終熱處理中的回火也是一個重要的過程。首先模具要充分回火,高合金模具一般需要回火兩次以上,因為鋼中的殘余奧氏體在回火冷卻過程中會轉變為回火馬氏體,回火兩次以上殘余奧氏體就能充分轉變。否則,模具中會留有較大的淬火應力,降低模具的韌性,使模具在早期容易斷裂。為了縮短工作時間,提高設備利用率,可以適當縮短回火時間。


            加熱時對工件保護不充分造成的脫碳或保護過度造成的表面滲碳會降低工件的使用壽命。表面過度滲碳會降低材料的韌性和抗熱疲勞性,增加碎裂和脆性斷裂的傾向,增加裂紋擴展速度。冷加工模具表面滲碳后,主要失效形式為崩邊和脆性斷裂。3Cr2W8V和5CrNiMo鋼制成的模具,用氣體滲碳爐或固體滲碳劑加熱淬火,容易形成厚度為0.5~1.0 mm、含碳量為0.7%~1.0%的表面滲碳層,導致早期熱疲勞開裂。


            脫碳是模具淬火加熱過程中最常見的表面缺陷。加熱溫度低于800℃的木碳,沒有充分脫氧的鹽浴,分解的氨和氫氣沒有經過高度凈化,不能保證模具表面不脫碳。脫碳層強度低,耐磨性差,易產生微裂紋。如果不去除,會降低模具的耐磨性和抗疲勞性。3Cr2W8V鋼熱沖壓模具在高溫箱式爐中加熱淬火時,為了防止氧化脫碳,操作者用舊的固體滲碳劑保護,造成表面滲碳。淬火前,為了去除滲碳劑,在空氣中停留時間較短,造成表面脫碳,在滲碳層外形成鐵素體組織。在模具使用過程中,由于表面脫碳和強度低,沖頭表面磨損嚴重,而脫碳層下方的滲碳層降低了鋼的熱導率,增加了模具內外的溫度梯度,增加了熱應力和熱應變。溝槽成為熱疲勞裂紋的起源,導致模具早期失效。


            4Cr5MoSiV1是制作大中型鋁合金壓鑄模的最佳材料。即使脫碳層極薄,也會明顯影響抗疲勞性能。用這種材料制成的鋁合金壓鑄模具,至少壓鑄幾萬次后才會出現熱疲勞裂紋。一套上述模具僅經過2000次壓鑄就因早期熱疲勞失效。金相分析表明,表面有一層厚度為0.1毫米的貧碳層,硬度為0.05毫米362HV,0.10毫米386HV,0.15毫米412HV,0.2毫米426HV。
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