模具合金鋼教案

1、模具制造技術(shù)基礎(chǔ)1.4合金鋼本節(jié)主要內(nèi)容：合金鋼中加入了哪些元素？這些元素起到什么作用？某些合金鋼的特殊性能，如不銹鋼，到底是怎么做到“不銹”的？合金鋼的牌號。合金鋼：在普通碳素鋼中添加適量的一種或多種合金元素。合金鋼最顯著的優(yōu)點：高的強度和淬透性。高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等。常用的合金元素：硅、鈕、銘、鍥、鑰、鴇、銳、鈦、花、皓、鉆、鋁、銅、硼、稀土等。銳、鈦、花、皓、鈕、銘、鴇、鋁等在鋼中形成各自的碳化物或固溶體；鋁、銅、鍥、鉆、硅只形成固溶體。常用合金元素在鋼中的作用1、硅的作用：(1)使鋼的韌性和塑性降低。(2)顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比，這是

2、一般彈簧鋼必須的。(3)耐腐蝕性，是很好的耐酸材料。加熱時表面形成一層SiO2薄膜，提高鋼的抗氧化性。(4)使鋼的焊接性能惡化。2、鈕的作用(1)提高鋼的淬透性。(2)提高鋼的強度和耐磨性。鉆鋼的主要缺點：含鈕較高時，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象；使鋼的焊接性能變壞鈕有促進晶粒長大的作用，因此鈕鋼對過熱較敏感。使鋼的耐銹蝕性能降低。3、銘的作用(1)提高鋼的強度和硬度。(2)提高淬透性。(3)使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性。缺點：促進鋼的回火脆性。4、鍥的作用(1)可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性。(2)可提高鋼的低溫韌性。(3)改善鋼的加工性和可焊性。(4)提高鋼的抗腐蝕能力。5、鑰的作用(1)

3、對鐵素體有固溶強化作用。(2)提高鋼熱強性(3)抗氫侵蝕的作用。(4)提高鋼的淬透性。6、鴇的作用(1)提高強度(2)提高鋼的高溫強度。(3)提高鋼的抗氫性能。(4)使鋼具有熱硬性。因此，鴇是高速工具鋼中的主要合金元素。7、銳的作用(1)提高鋼的熱強性。(2)顯著改善焊接性能。8、鈦的作用(1)改善鋼的熱強性；(2)提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性(氫使?jié)B碳體在高溫下石墨化)因此，鈦是高溫元件所用的熱強鋼中的重要合金元素。9、花的作用(1)細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。(2)有極好的抗氫性能。(3)提高鋼的熱強性10、硼的作用；(1)提高鋼的淬透性。(2)提高鋼的高溫強度。11、鋁的作

4、用(1)用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細化晶粒，抑制低碳鋼的時效，改善鋼在低溫時的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度；(2)常把鋁加入耐熱鋼中，提高鋼的高溫抗氧化性能。缺點：用鋁量過多，將促進鋼的石墨化傾向。用鋁量過多，將降低鋼的高溫強度和韌性。12、稀土元素(Xt、REE:脫氫、脫硫和消除其它有害雜質(zhì)；大幅度提高不銹耐酸鋼的耐蝕性。一、合金元素對鋼性能的影響1 .對鋼力學性能的影響(1)強化鐵素體大多數(shù)合金元素能溶于鐵素體，產(chǎn)生固溶強化(2)形成合金碳化物合金碳化物比滲碳體具有更高的硬度、耐磨性，且熔點高，不易分解。細小的合金碳化物能大大提高鋼的強度和耐磨性，但不增加脆性一一稱彌散強化。彌散：指微

5、小粒子在材料微觀組織中的分布。彌散強化：在材料中加入硬質(zhì)顆粒并均勻分布，提高材料強度。金屬的強化方法：固溶強化、彌散強化、沉淀強化、細化晶粒強化、相變強化等。細化晶粒晶粒越小，鋼的強度和韌性越好。2 .合金元素對鋼的加工性能的影響(1)對鑄造性能的影響合金元素一般會降低鑄造時金屬的流動性，增加偏析傾向，使鋼的鑄造性能變差。(2)對鍛造性能的影響在鍛造時塑性降低，變形抗力增加，鍛造性能明顯下降。(3)對焊接性能的影響碳、磷、硫等元素會加劇鋼的淬硬和冷裂傾向，焊接性能惡化。鈦、皓、花、銳可改善焊接性能?？偟恼f來，合金鋼的焊接性不如碳鋼。對熱處理工藝性的影響提高淬透性一一合金元素最重要的作用是提高了

6、鋼的淬透性。提高回火穩(wěn)定性(淬火后回火時抵抗硬度下降的能力)。淬透性(P28):是指鋼在淬火時獲得淬硬深度的能力，也就是獲得馬氏體的能力。鋼淬火時，表面的冷卻速度最快，愈到中心冷卻速度愈慢，在距表面某一深處的冷卻速度小于該鋼的臨界冷卻速度（或稱馬氏體臨界冷卻速度一一能夠得到馬氏體的最低冷卻速度），則淬火后將有非馬氏體組織出現(xiàn)。鋼的淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度，在相同條件下，該速度越小，生成越多的馬氏體。而鋼的臨界冷卻速度取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性。固溶于奧氏體中的合金元素（除鉆以外），均程度不同地增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性（C曲線右移），使鋼的淬透性增加。簡言之：增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性一一降低馬

7、氏體臨界冷卻速度一一提高鋼的淬透性影響鋼材淬透性的主要因素：鋼材的化學成分、淬火方法（加熱方法、加熱溫度、冷卻介質(zhì)的特性、冷卻方式）、零件的形狀尺寸等。（5）對切削加工性能的影響合金鋼的強度及韌性一般較高，使切削抗力增加，斷屑變難，切削性能一般比碳鋼差。3.合金元素使鋼獲得特殊性能（1）提高耐蝕性在鋼表面形成致密穩(wěn)定的氧化膜，使鋼提高耐蝕性。（2）提高耐熱性耐熱性包括應(yīng)溫抗氧化性和高溫強度.西方面的涵義。銘、硅、鋁三元豪形京致密高熔點氧化膜，能增加鋼的抗高溫氧化能力。鈦、鋁等合金元素使鋼在高溫下不易塑性變形，提高了鋼的高溫強度，使鋼有較高的熱強性。（3）提高熱硬性及耐磨性合金元素提高了鋼的回火

8、穩(wěn)定性。二合金鋼的分類和牌號（一）合金鋼的分類（課本P39）1按合金元素的含量分類j低合金鋼合金元素總量5%中合金鋼合金元素總量5%10%高合金鋼合金元素總量10%2按用途分類.合金結(jié)構(gòu)鋼J合金工具鋼特殊性能鋼如不銹、耐蝕和耐熱鋼專用鋼用于專門用途，如滾珠軸承鋼、彈簧鋼。（二）合金鋼的牌號1合金結(jié)構(gòu)鋼例：60Si2CrA表示W(wǎng)c=0.6%Wsi=2%、Wcr<1.5%）。A表示質(zhì)量等級（含S、P量）以兩位數(shù)字表示碳含量的萬分數(shù)標出合金元素含量的百分數(shù)；若含量小于1.5%,不標。2合金工具鋼（量具刃具用鋼、冷作模具鋼、熱作模具鋼）例：9SiCr表示W(wǎng)c=0.9%、Wsi<1.5%Wc

9、r<1.5%勺合金工具鋼。當鋼中的W（K1%寸，用一位數(shù)字表示含碳量的千分數(shù)；當鋼中的WO1%寸，不標含碳量。標出合金元素含量的百分數(shù)；若含量小于1.5%,不標。3高速工具鋼不標出含碳量，只標出其他合金元素含量的百分數(shù)。例：W18Cr4V表示W(wǎng)w=18%Wcr=4.0%Wv<1.5%勺高速工具鋼。4不銹鋼和耐熱鋼表示方法與合金工具鋼相同。例：3Cr13o表示平均Wc=0.3%Wcr=13%勺不銹鋼。5滾珠軸承鋼滾珠軸承鋼在編號前標以“G”字，其后為銘（Cr）+數(shù)字例：GCr15SiMn表示W(wǎng)cr=1.5%Wsi<1.5%Wmn<1.5%滾動軸承鋼。含銘量以千分數(shù)標示。其

10、他元素仍按百分數(shù)表示。（原因：銘是滾珠軸承鋼中最重要的元素）6合金鑄鋼例：ZGMn13表示W(wǎng)mn=13%'平均含鉆量的百分數(shù)）的高銳耐磨鋼小結(jié)：牌號前的數(shù)字都是指含碳量；對結(jié)構(gòu)鋼，含碳量以萬分數(shù)表示，對工具鋼，含碳量以千分數(shù)表示（大于1%不標出）；合金元素的含量都以百分數(shù)表示（小于1.5%,不標出）；滾珠軸承鋼的銘Cr例外。反之，若鋼號前的數(shù)字是兩位，則為結(jié)構(gòu)鋼；一位或沒有數(shù)字，則為工具鋼。三合金鋼的性能及熱處理方式（一）合金結(jié)構(gòu)鋼1低合金結(jié)構(gòu)鋼含有少量合金元素，具有較高強度。用途：主要用來制造各種強度要求較高的結(jié)構(gòu)件，如船舶、車輛、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。熱處理：與碳素

11、鋼類似。低合金結(jié)構(gòu)鋼中，16Mnft具有代表性。16M皿二十世紀三十年代發(fā)展起來的世界上第一種低合金高強度鋼，是目前我國用量最多,產(chǎn)量最大的一種低合金高強度鋼。（只含鎰的鋼也可歸類于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼）2合金滲碳鋼屬于表面滲碳硬化的合金結(jié)構(gòu)鋼，用以制造滲碳硬化零件。用途：滲碳鋼常用在受沖擊和磨損條件下工作的一些機械零件，如汽車、拖拉機上的變速齒輪等。要求表面硬、耐磨，而零件心部則要求有較高的韌性和強度以承受沖擊。滲碳鋼的熱處理：滲碳一一淬火（一次淬火或二次淬火）一一低溫回火。例：20CrMnTi鋼齒輪的加工工藝路線：下料-鍛造-正火-加工齒形上滲碳，淬火,低溫回火-磨齒。3合金調(diào)質(zhì)鋼采用調(diào)質(zhì)處理，

12、即淬火+高溫回火。用途：綜合力學性能好，用于受力較復雜的重要結(jié)構(gòu)零件。分類：按淬透性的高低，分為三類：低淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種是40Cr,廣泛用于制造一般尺寸的重要零件，如軸、齒輪、連桿螺栓等。中淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種為40CrNi,含有較多的合金元素，用于制造截面較大、承受較重載荷的零件，如曲軸、連桿等。高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種為40CrNiMoA多半為銘鍥鋼。銘、鍥的適當配合，可大大提高淬透性，并能獲得比較優(yōu)良的綜合機械性能。用于制造大截面、承受重負荷的重要零件，如汽輪機主軸、壓力機曲軸、航空發(fā)動機曲軸等。調(diào)質(zhì)鋼的熱處理：以40Cr鋼制造拖拉機上的連桿、螺栓，其工藝路線為：下料一鍛造一退火

13、一粗機加工一調(diào)質(zhì)一精機加工一裝配。預備熱處理采用退火（或正火），其目的是改善鍛造組織，消除缺陷，細化晶粒；調(diào)整硬度、便于切削加工；為淬火做好組織準備。調(diào)質(zhì)采處理用830c加熱、油淬，得到馬氏體組織，然后在525c回火。4合金彈簧鋼a）性能要求具有高的彈性極限（即具有高的屈服點或屈強比），高的疲勞極限與足夠的塑性和韌性。b）成分特點含碳量一般為0.450.70%。含碳量過高，塑性和韌性降低，疲勞極限也下降。含硅及鈕、銘、磯和鴇等。加入鈕、硅主要是提高淬透性，同時也提高屈強比。硅、鈕元素的不足之處是硅會促使鋼材表面在加熱時脫碳，鈕則使鋼易于過熱。因此，重要用途的彈簧鋼必須加入銘、研、鴇等。它們不僅

14、使鋼材有更高的淬透性，不易脫碳和過熱，而且有更高的高溫強度和韌性。彈簧鋼的熱處理:根據(jù)彈簧鋼的生產(chǎn)方式，可分為熱成型彈簧和冷成型彈簧兩類。熱成形彈簧一一加熱時成形，然后淬火+中溫回火具有很高的屈服強度和彈性極限，并有一定的塑性和韌性。冷成形彈簧一一通過冷拔（或冷拉）、冷卷成型，然后低溫回火不必進行淬火處理低溫回火目的是定型處理（消除內(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)定尺寸）C加熱到250300C,保溫一段時間，從爐內(nèi)取出空冷彈簧經(jīng)熱處理后，一般進行喧丸處理，使表面強化并在表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，以提高疲勞強度。（二）合金工具鋼包括：量具、刃具用鋼和模具鋼等。1低合金工具鋼含碳量一般為0.751.50%。常加入的合金元素有

15、硅、鈕、銘、鑰、鴇、磯等。熱處理工藝：鍛造一一球化退火（預備熱處理）一一淬火M氐溫回火（最終熱處理）2高速鋼含較多的碳，保證淬硬性。含較多的鴇，提高鋼的紅硬性。銘元素Cr：提高風的淬透性；形成碳化物強化相一一相變強化；Cr在高溫下可形成C2Q,起到氧化膜的保護作用。鈾元素V.vhc白勺親和力很強，在高速鋼中形成碳化物（V。，它有很高的穩(wěn)定性和硬度，呈彌散狀析出一一彌散強化。高速鋼的熱處理:高速鋼淬透性好，在空氣中冷卻就可得到馬氏體組織。鑄造刀具：反復的壓力熱加工（一般選擇多次軋制和鍛壓）鑄造后不能熱處理，否則易變形。鍛造刀具：鍛造一一球化退火一一高溫淬火一一高溫回火（高溫使較多的WV元素溶入奧

16、氏體中，提高刃具紅硬性）Q一次回火二次回火三次回火時間t/min高速鋼的熱處理：分級加熱、分級冷卻、三次回火關(guān)于淬火：淬火前的加熱溫度及回火溫邈空血坡，這樣可以使較多的WV（提高刃具紅硬性的元素）溶入奧氏體中。一由于合金元素含量高，高速鋼的導熱性很差，所以淬火加熱時采用分級加熱。淬火冷卻采用油中分級淬火法。關(guān)于回火：回火一般進行三次，回火溫度560C,每次1s1.5h。第一次回火，只對淬火馬氏體起回火作用，發(fā)生殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變。第二次回火，殘余奧氏體繼續(xù)發(fā)生新的轉(zhuǎn)變，又產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力。第三次回火，殘余奧氏體仍保留有3%4%與此同時，高硬度的碳化物析出量增多，增強“彌散強化”作用（稱“二次硬化”

17、），提高刃具性能。二次硬化：一些含有較多量鴇、鑰、鈾、鈦等元素的高合金鋼，在500600c回火時，高硬度的碳化物以高度彌散的顆粒析出，使鋼的硬度再次升高。二次硬化對要求有較高熱硬性的工具鋼具有重要的意義。3 量具用鋼量具工作時承受外力很小，主要受磨擦而磨損，要求量具有高和硬度，耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。一般都采用含碳量高的鋼，通過淬火得到馬氏體。最常用的量具用鋼為碳素工具鋼和低合金工具鋼。量具鋼在淬火后，尺寸一般會膨脹，常采用長時間的低溫時效處理。球化退火一一淬火M氐溫回火一一時效處理例：用GCU5制作量規(guī)，具工藝路線為：鍛造一球化退火一機加工一粗磨一淬火+低溫回火一精磨一時效一涂油4 模具鋼（略，

18、屬2.7節(jié)內(nèi)容）（三）特殊性能鋼1不銹鋼（1）金屬腐蝕的一般概念腐蝕通常分為兩種：化學腐蝕（化學反應(yīng)）電化學腐蝕（電池作用）電化學腐蝕是金屬被腐蝕的主要原因。提高金屬的抗電化學腐蝕能力，通常采取以下措施：盡量使金屬獲得均勻的單相組織。若金屬是單相組織，在電解質(zhì)溶液中難以形成微電池。（相當于原電池只有只有一個極）如在鋼中加入大于24%勺Ni,會使鋼在常溫下獲得單相的奧氏體組織。加入合金元素提高金屬基體的電極電位。例如在鋼中加入大于13%勺銘Cr,則基體（一般是鐵素體）的電極電位由-0.56V提高到0.2V,不易失去電子，從而提高金屬的抗腐蝕性。加入合金元素，在金屬表面形成一層致密的氧化膜（鈍化膜

19、）又稱鈍化膜，把金屬與介質(zhì)分隔開，防止進一步的腐蝕。銘是丕銹鋼合金的主要元素乙鋼中加入銘，一是提高金屬基體電位，提高鋼的耐腐蝕性能。二是在金屬表面形成一層鈍化膜，阻止腐蝕過程。（2）常用不銹鋼H氏體不銹鋼，鐵素體不銹鋼煲氏體不銹鋼a）馬氏體不銹鋼含碳量為0.10.45%,含銘量為1214%屬于銘不銹鋼。b）鐵素體不銹鋼含碳量低于0.15%,含銘量為1230%也屬于銘不銹鋼。由于含碳量降低，含銘量相應(yīng)提高，鋼的組織接近單相組織，其耐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼。c）奧氏體不銹鋼在含CU8%勺鋼中加入811%勺鍥Ni,屬于鍥不銹鋼，。由于鍥的加入，擴大了奧氏體區(qū)域，得到單相奧氏體組織，因而具有比銘不銹鋼更高耐腐蝕性，是目前應(yīng)用最多的一類不銹鋼。防銹性能：奧氏體不銹鋼>鐵素體不銹鋼>馬氏體不銹