模具新鋼種--超硬高速鋼
?一、模具新鋼種——超硬型高速鋼
研究和發(fā)(fā)展模具新鋼種,是改善和提高模具鋼的強韌性,延長(cháng)模具的使用壽命的重要途徑。我國模具工業(yè)(yè)在迅速發(fā)(fā)展,我國的材料工作者在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎上結合本國資源情況和特點(diǎn),引進(jìn)和研制了不少新型模具鋼。經(jīng)(jīng)過(guò)生產(chǎn)(chǎn)上的考核篩選,一些性能優(yōu)(yōu)異、工藝性能也比較好的鋼種受到模具制造和使用單位的歡迎,使模具的使用壽命達到甚至超過(guò)國內外同類(lèi)模具的水平,如北京鋼鐵學(xué)院與大冶鋼廠(chǎng)研制的無(wú)Co超硬高速鋼W12Cr4Mo3V3N(簡(jiǎn)稱(chēng)V3N)的各項性能優(yōu)(yōu)良,獲中華人民共和國國家發(fā)(fā)明獎,中華人民共和國專(zhuān)利(91102252),V3N模具性能比現(xiàn)用普通高速鋼提高2~10倍,相當于國際市場(chǎng)現(xiàn)用含10%Co的高速鋼,已成功地推廣應用在工模具生產(chǎn)(chǎn)中,可使壽命成倍增加。
二、V3N成分及性能特點(diǎn)
W12Cr4Mo3V3N(簡(jiǎn)稱(chēng)V3N)是鎢-鉬系含氮無(wú)鈷超硬型高速鋼,V3N的化學(xué)成分c:1.21%;W:11.88%;Mo:2.95%;Cr:4.00%;V:2.87%;N:0.075%.新型超硬高速鋼V3N成分設計特點(diǎn)是:
高C:C對冷作模具鋼的強韌性、耐磨性有決定性的影響。含碳量增加,則抗壓強度及耐磨性增加。因此,抗沖擊及高強韌冷作模具鋼含碳量較高。
高V:V強烈細化晶粒,強烈提高耐磨性、紅硬性及二次硬化能力。但含量過(guò)多會(huì )明顯惡化可鍛性及磨削性。
含N:N可細化晶粒,又有析出強化的作用,且機械性能及焊接性能都較好。
主要技術(shù)性能:V3N鋼具有硬度高、耐磨性好、高的紅硬性和一定的韌性,在冷作模具鋼上應用效果十分顯著(zhù)。該鋼與含鈷高速鋼相比,價(jià)格低廉且易加工,通過(guò)適當?shù)臒崽幚?,可得到高硬度(HRC67~70)、高紅硬性(625℃4小時(shí),HRC63~65)和高耐磨性,韌性和抗彎強度均不低于普通型高速鋼,可克服模具刃口塌陷和崩裂等早期損壞。
三、V3N鋼模具的加工工藝
模具熱處理方法和加工工藝的選擇同樣要根據(jù)模具的工作條件、失效方式和對性能的不同要求來(lái)確定。應不斷改善熱處理設備,改進(jìn)熱處理工藝,使材料的強度、韌性得到最佳配合,并嚴格遵循熱處理工藝,控制加熱溫度、時(shí)間、冷卻速度,從而保證模具的使用性能。
鍛造
V3N鋼含有大量的一次碳化物和二次碳化物,若保留在淬火組織中,將急劇降低模具所有壽命。只有通過(guò)對原材料改鍛,擊碎碳化物,才能使其呈細小、均勻的形貌分布于鋼基體,提高整體力學(xué)性能。
V3N鋼導熱性差,鍛坯加熱時(shí)應充分預熱,始鍛溫度1170℃,終鍛溫度950℃,設備可采用250kg(小件)和400kg空氣錘,開(kāi)始采用輕錘快打,中間用重錘打,最后慢打輕打,鍛后于石棉粉箱中緩冷取出后即進(jìn)行退火處理。
鍛后退火
可采用等溫退火或普通860℃退火4小時(shí),機械加工鍛后硬度較高,采用等溫或普通退火后,機加可順利進(jìn)行,淬火后因工硬度較高,故工件成型磨削難度較大,可采用鐠鈮剛玉加鉻制作的砂輪進(jìn)行磨削。
熱處理工藝
V3N鋼在1220~1230℃淬火時(shí),由于存在未熔碳化物,硬度偏低,系淬火溫度不足;在1260~1270℃淬火時(shí),晶粒明顯過(guò)大,系過(guò)熱現(xiàn)象。選擇1230~1240℃淬火加熱溫度既能使碳化物和合金元素充分溶解到奧氏體中去,又能保持較細晶粒(10~10級)。
V3N超硬高速鋼模具部件采用1220~1230℃經(jīng)(jīng)550℃四次回火,硬度可控制在HRC64~67,具體可根據(jù)零件尺寸的大小從熱處理工藝上進(jìn)行調整,達到硬度和強度較理想的配合,V3N超硬型高速鋼淬火后有較多殘余奧氏體,據(jù)測定約為25%~30%,必須盡量消除減少,為此進(jìn)行多次高溫回火使之發(fā)(fā)生馬氏體轉變。進(jìn)行4次高溫回火后,大部分殘余奧氏體發(fā)(fā)生了馬氏體轉變,產(chǎn)(chǎn)生二次硬化效應。V3N鋼二次硬化效應溫度比普通高速鋼高30~40℃,這一特性十分寶貴,表明V3N鋼有更高紅硬性。
精加工后的深冷處理
經(jīng)(jīng)深冷處理后,由于殘留奧氏體向馬氏體轉變以及超細碳化物的析出,模具零件硬度和耐磨性將進(jìn)一步改善,耐磨性可提高40%,既縮短回火時(shí)間節(jié)省了能量,又明顯提高了模具使用壽命。
高速鋼模具深冷處理工藝過(guò)程為:模具除油污→放入保溫罐中→少量多次注入液氮(196℃)→保溫浸泡2.5h→取出模具迅速放入60~70℃熱水中。
四、V3N鋼在冷作模具的應用與效果
V3N超硬冷作模具壽命均比Cr12MoV、Cr12等常用模具壽命提高3~5倍,比現(xiàn)用普通高速鋼提高2~10倍,經(jīng)(jīng)濟效益更為顯著(zhù),V3N鋼制模具性能相當于國際市場(chǎng)現(xiàn)用含10%Co的高速鋼。
某廠(chǎng)硅鋼片沖模原來(lái)都是采用CrWMn、Cr12MoV等鉻鋼制作的,但由于硅鋼等硬面脆,故模具耗損量大,采用V3N鋼制作模具,經(jīng)(jīng)濟效果明顯。
五、結語(yǔ)
V3N超硬高速鋼各項性能優(yōu)(yōu)良,適合加工沖裁模等冷作模具,壽命顯著(zhù)提高。
V3N鋼熱加工工藝較嚴格,1220~1230℃淬火,550℃4次1小時(shí)回火,精加工后再經(jīng)(jīng)深冷處理可獲得高硬度、高耐磨性和良好的韌性配合,使用過(guò)程中還可定期對凹模進(jìn)行去應力回火以延長(cháng)壽命。
一、模具新鋼種——超硬型高速鋼
研究和發(fā)(fā)展模具新鋼種,是改善和提高模具鋼的強韌性,延長(cháng)模具的使用壽命的重要途徑。我國模具工業(yè)(yè)在迅速發(fā)(fā)展,我國的材料工作者在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎上結合本國資源情況和特點(diǎn),引進(jìn)和研制了不少新型模具鋼。經(jīng)(jīng)過(guò)生產(chǎn)(chǎn)上的考核篩選,一些性能優(yōu)(yōu)異、工藝性能也比較好的鋼種受到模具制造和使用單位的歡迎,使模具的使用壽命達到甚至超過(guò)國內外同類(lèi)模具的水平,如北京鋼鐵學(xué)院與大冶鋼廠(chǎng)研制的無(wú)Co超硬高速鋼W12Cr4Mo3V3N(簡(jiǎn)稱(chēng)V3N)的各項性能優(yōu)(yōu)良,獲中華人民共和國國家發(fā)(fā)明獎,中華人民共和國專(zhuān)利(91102252),V3N模具性能比現(xiàn)用普通高速鋼提高2~10倍,相當于國際市場(chǎng)現(xiàn)用含10%Co的高速鋼,已成功地推廣應用在工模具生產(chǎn)(chǎn)中,可使壽命成倍增加。
二、V3N成分及性能特點(diǎn)
W12Cr4Mo3V3N(簡(jiǎn)稱(chēng)V3N)是鎢-鉬系含氮無(wú)鈷超硬型高速鋼,V3N的化學(xué)成分c:1.21%;W:11.88%;Mo:2.95%;Cr:4.00%;V:2.87%;N:0.075%.新型超硬高速鋼V3N成分設計特點(diǎn)是:
高C:C對冷作模具鋼的強韌性、耐磨性有決定性的影響。含碳量增加,則抗壓強度及耐磨性增加。因此,抗沖擊及高強韌冷作模具鋼含碳量較高。
高V:V強烈細化晶粒,強烈提高耐磨性、紅硬性及二次硬化能力。但含量過(guò)多會(huì )明顯惡化可鍛性及磨削性。
含N:N可細化晶粒,又有析出強化的作用,且機械性能及焊接性能都較好。
主要技術(shù)性能:V3N鋼具有硬度高、耐磨性好、高的紅硬性和一定的韌性,在冷作模具鋼上應用效果十分顯著(zhù)。該鋼與含鈷高速鋼相比,價(jià)格低廉且易加工,通過(guò)適當?shù)臒崽幚?,可得到高硬度(HRC67~70)、高紅硬性(625℃4小時(shí),HRC63~65)和高耐磨性,韌性和抗彎強度均不低于普通型高速鋼,可克服模具刃口塌陷和崩裂等早期損壞。
三、V3N鋼模具的加工工藝
模具熱處理方法和加工工藝的選擇同樣要根據(jù)模具的工作條件、失效方式和對性能的不同要求來(lái)確定。應不斷改善熱處理設備,改進(jìn)熱處理工藝,使材料的強度、韌性得到最佳配合,并嚴格遵循熱處理工藝,控制加熱溫度、時(shí)間、冷卻速度,從而保證模具的使用性能。
鍛造
V3N鋼含有大量的一次碳化物和二次碳化物,若保留在淬火組織中,將急劇降低模具所有壽命。只有通過(guò)對原材料改鍛,擊碎碳化物,才能使其呈細小、均勻的形貌分布于鋼基體,提高整體力學(xué)性能。
V3N鋼導熱性差,鍛坯加熱時(shí)應充分預熱,始鍛溫度1170℃,終鍛溫度950℃,設備可采用250kg(小件)和400kg空氣錘,開(kāi)始采用輕錘快打,中間用重錘打,最后慢打輕打,鍛后于石棉粉箱中緩冷取出后即進(jìn)行退火處理。
鍛后退火
可采用等溫退火或普通860℃退火4小時(shí),機械加工鍛后硬度較高,采用等溫或普通退火后,機加可順利進(jìn)行,淬火后因工硬度較高,故工件成型磨削難度較大,可采用鐠鈮剛玉加鉻制作的砂輪進(jìn)行磨削。
熱處理工藝
V3N鋼在1220~1230℃淬火時(shí),由于存在未熔碳化物,硬度偏低,系淬火溫度不足;在1260~1270℃淬火時(shí),晶粒明顯過(guò)大,系過(guò)熱現(xiàn)象。選擇1230~1240℃淬火加熱溫度既能使碳化物和合金元素充分溶解到奧氏體中去,又能保持較細晶粒(10~10級)。
V3N超硬高速鋼模具部件采用1220~1230℃經(jīng)(jīng)550℃四次回火,硬度可控制在HRC64~67,具體可根據(jù)零件尺寸的大小從熱處理工藝上進(jìn)行調整,達到硬度和強度較理想的配合,V3N超硬型高速鋼淬火后有較多殘余奧氏體,據(jù)測定約為25%~30%,必須盡量消除減少,為此進(jìn)行多次高溫回火使之發(fā)(fā)生馬氏體轉變。進(jìn)行4次高溫回火后,大部分殘余奧氏體發(fā)(fā)生了馬氏體轉變,產(chǎn)(chǎn)生二次硬化效應。V3N鋼二次硬化效應溫度比普通高速鋼高30~40℃,這一特性十分寶貴,表明V3N鋼有更高紅硬性。
精加工后的深冷處理
經(jīng)(jīng)深冷處理后,由于殘留奧氏體向馬氏體轉變以及超細碳化物的析出,模具零件硬度和耐磨性將進(jìn)一步改善,耐磨性可提高40%,既縮短回火時(shí)間節(jié)省了能量,又明顯提高了模具使用壽命。
高速鋼模具深冷處理工藝過(guò)程為:模具除油污→放入保溫罐中→少量多次注入液氮(196℃)→保溫浸泡2.5h→取出模具迅速放入60~70℃熱水中。
四、V3N鋼在冷作模具的應用與效果
V3N超硬冷作模具壽命均比Cr12MoV、Cr12等常用模具壽命提高3~5倍,比現(xiàn)用普通高速鋼提高2~10倍,經(jīng)(jīng)濟效益更為顯著(zhù),V3N鋼制模具性能相當于國際市場(chǎng)現(xiàn)用含10%Co的高速鋼。
某廠(chǎng)硅鋼片沖模原來(lái)都是采用CrWMn、Cr12MoV等鉻鋼制作的,但由于硅鋼等硬面脆,故模具耗損量大,采用V3N鋼制作模具,經(jīng)(jīng)濟效果明顯。
五、結語(yǔ)
V3N超硬高速鋼各項性能優(yōu)(yōu)良,適合加工沖裁模等冷作模具,壽命顯著(zhù)提高。
V3N鋼熱加工工藝較嚴格,1220~1230℃淬火,550℃4次1小時(shí)回火,精加工后再經(jīng)(jīng)深冷處理可獲得高硬度、高耐磨性和良好的韌性配合,使用過(guò)程中還可定期對凹模進(jìn)行去應力回火以延長(cháng)壽命。