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钢结硬质合金模具的热处理工艺及应用

2020-10-16 09:39:24

 钢结硬质合金是用一种或多种碳化物做硬质相,以钢做粘结剂,用粉末冶金方法制成的一种高性能的工程材料,其性能介于模具钢和普通硬质合金之间,既具有普通硬质合金的高硬度、高强度、高热硬性、高耐磨性,又具有模具钢优越的冷、热加工性和良好的韧性,可对其进行切削加工、锻造加工、焊接成形、热处理强化等。热处理后的变形小,可用于制造一般模具钢无法胜任的大型、重载的模具。钢结硬质合金模具材料的广泛应用,将为模具工业的发展带来生机,使模具的使用寿命大幅度提高,加快我国模具工业的发展步伐。


  热处理工艺是提高模具性能和使用寿命的有效途径,对于钢结硬质合金而言,由于钢的基体作用,热处理工艺同样有效。本文将以几种典型钢结硬质合金为例探讨其热处理操作及其应用,以及热处理工艺对模具力学性能和使用寿命的影响。


  钢结硬质合金的基本特点钢结硬质合金的生产方法主要有浸渍法、热压法、热挤压法、热等静压法和液相烧结法(即粉末冶金法)等,目前常用的生产方法是液相烧结法,其原理类似于普通硬质合金的生产方法,也称为粉末冶金法,即先将碳化钛、碳化钨等硬质相粉末和高速钢、合金钢等钢基体粉末及一定量的成形剂粉末混合均匀,再进行压制成形和烧结,然后经过锻造和热处理得到具有不同使用性能的钢结硬质合金制品,如国内生产的GT35、GW50、GW40钢结硬质合金材料等。

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  钢结硬质合金由于组成不同、生产方法不同,其特点亦不相同,一般来说有如下几个基本特点:钢结硬质合金中的硬质相(碳化钨或碳化钛等)一般可占合金总重量的30%——50%,其余部分为钢的基体。由于钢的基体所占比例较大,钢的性质较为明显,因而可进行锻造和热处理等加工工艺。


  经过粉末混合、压制成形、烧结、锻造、切削加工、热处理等工序后,可得到各种规格、各种形状的钢结硬质合金制品,其韧性指标较普通硬质合金有较大程度的改善,硬度可达到60 ——70HRC,经过锻造、切削加工和热处理等工艺处理后,可制成各种复杂的模具,其应用范围将更加广泛。


  钢结硬质合金制品可根据需要进行各种热处理操作,以满足不同模具在使用性能上的要求,特别是经过淬火和回火后,可获得回火马氏体+合金碳化物+均匀分布的硬质相的典型组织,保证了模具材料的强度、硬度、韧性等使用性能要求,同时形成了有效的耐磨面,从而大大提高了钢结硬质合金模具的耐磨性。


  钢结硬质合金的成分可根据模具的使用性能要求和工艺性能要求进行灵活的调整。作为钢结硬质合金基体和粘结相的钢种可以根据具体需要进行大范围的改变,这种改变有利于在满足模具使用要求的前提下,有效地降低生产成本提高生产效益。


  钢结硬质合金模具与合金钢模具相比,虽然价格较高,但模具的使用寿命会提高十几倍到几十倍;可以减少模具用量以及更换模具所需的时间;可以采用镶嵌的方式在模具的关键部位使用,从而降低生产成本提高产品的加工质量及加工精度。


  对于有特殊要求的模具和耐磨件,如在要求耐磨的同时又要求耐蚀、耐热、导热、耐氧化等性能时,可通过调整粘结相的基本类型,使其具有不锈钢、耐热钢、耐磨钢、高速钢等特性,同时兼有较好的韧性,以满足不同场合的使用要求。


  钢结硬质合金的锻造及热处理工艺由于钢结硬质合金内部的组成特点,决定了其必须进行必要的加工后才能使用,一开始钢结硬质合金必须进行锻造,以增加材料的密度,使碳化物分布均匀,并有效地提高钢结硬质合金的韧性;通过对钢表1结硬质合金进行热处理,改善碳化物在其内部的分布状况,得到所需的显微组织和力学性能。


  锻造钢结硬质合金中含有较多的碳化钛、碳化钨等高熔点碳化物,基体的连续性较差,常出现孔隙、疏松、夹杂、偏析、发裂、碳化物颗粒不均匀或偏聚等,影响钢结硬质合金的性能。通过锻造不仅可以成形,更重要的可以使硬质相弥散均匀地分布于钢的基体中,降低合金碳化物的偏析倾向,促使粗大、尖角状碳化钨、碳化钛等圆化、细化,消除碳化物的“桥接”,焊合孔隙,提高致密度,增加基体的连续性,改善内部显微组织,提高钢结硬质合金的强度、刚度与冲击韧度,充分发挥钢结硬质合金的潜力。实践证明,锻造可有效地提高钢结硬质合金模具的力学性能。钢结硬质合金GT35与TIMW50的锻造加热温度及锻造前后退火状态下的力学性能。


  GT35与TLMW30的锻造温度及锻造前后力学性能比较牌号始锻温度终锻温度锻前,锻后锻刖ak锻后ak锻前锻后2.2退火钢结硬质合金和模具钢一样可以进行车、铣、刨、磨、钻等切削加工,但钢结硬质合金在烧结状态时,作为粘结相的钢基体通常为马氏体或贝氏体组织,同时钢结硬质合金中还含有30%——50%的碳化钨、碳化钛等硬质相,在锻造后硬度很高,一般为53 ——56HRC,不宜进行切削加工,所以必须进行退火处理,改变其内部组织结构,降低硬度。生产中一般采用等温球化退火,一方面用于改善切削加工性能;一方面为最终热处理做好组织上的准备。退火后钢结硬质合金的显微组织一般为铁素体+球状珠光体+合金碳化物,退火加热时间不宜过长,加热温度不宜过高,以免出现氧化、脱碳、奥氏体稳定化等现象。


  几种常用钢结硬质合金的退火工艺及退火后的硬度牌号退火工艺退火后的硬度HRC 850870C加热、保温4小时在729740C等温34小时炉冷至5roC出炉空冷2.3淬火与回火钢结硬质合金模具的淬火加热过程,同样包含有从低温组织向奥氏体组织转变的过程,淬火后可使钢结硬质合金中的基体组织转变成马氏体+少量的残余奥氏体+硬质相的组织。由于钢结硬质合金中的碳化钛、碳化钨等硬质相的存在,虽然能有效地提高材料的耐磨性,但要求基体必须有一定的强度和硬度来支撑硬质相,防止出现软陷和剥落。所以,必须对钢结硬质合金进行淬火处理,一般可采用普通淬火、分级淬火和等温淬火,其中分级淬火和等温淬火能有效防止模具的变形和开裂,且性能较均匀。8407模具钢


  由于钢结硬质合金中含有较多的高熔点碳化物,过热敏感性较小,奥氏体晶粒不易长大,因此淬火加热温度范围较宽。


  模具的具体加热温度可根据钢结硬质合金的化学成分、模具的使用性能要求以及模具的复杂程度进行选择。一般选择960 ——1100°C均能淬透、淬硬,且晶粒不易长大;以磨损失效为主的和受力较大的模具,淬火加热温度应低一些;对要求热硬性和耐蚀性好的模具,淬火加热温度要选择高一些。由于钢结硬质合金的热导性较差,在淬火加热时一般采用钢结硬质合金淬火后应及时进行回火,通过不同加热温度的回火处理可得到不同的回火组织,消除模具内部的淬火应力,稳定模具尺寸,获得所需的力学性能。由于钢结硬质合金中含有大量的合金碳化物,存在第1类回火脆性,所以应在加热时尽量加以避免。


  钢结硬质合金的回火参数应根据其化学成分、模具的使用性能要求、模具的具体用途等进行确定。


  一般在磨损和受力较大的模具中,需要高硬度、高耐磨性时宜选择低温回火;在受力和受热条件下工作的模具应进行多次的高温回火,以获得较好的强韧性和热硬性;在有冲击载荷作用的模具中应适当提高模具的回火温度,以获得良好的强度与韧性的配合。


  常用钢结硬质合金的淬火。回火工艺及硬度牌号淬火加热温度淬火后硬度(HRC)回火工艺回火后硬度保温1.5小时回火2次2.4表面强化处理钢结硬质合金模具的典型表面强化处理是渗硼处理,它能更充分地发挥钢结合硬质合金的潜力。在模具表面层形成的硼化物,能填充烧结合金的孔隙,提高合金的致密度,改善模具表面的显微组织,提高模具表面层的硬度、耐磨性、热硬性、抗蚀性、抗疲劳性、抗擦伤、抗粘结和抗咬合的性能,大幅度提高钢结硬质合金模具的产品质量和使用寿命。


  GW50钢结硬质合金经渗硼处理并进行正常的淬火与回火,可在模具表面层形成硼化物,渗硼层硬度可达2000——21⑴HV,基体硬度可达65——68HRC,所获得的内部显微组织具有较高的强韧性和较高的综合力学性能,使用寿命可提高2——3倍;GW30钢结硬质合金经渗硼处理后,硬度可达1230硼化物分布均匀,且易于获得指状晶。


  须要注意的是:渗硼处理后工件的尺寸略有增大,一般规律是柱形件涨大10——20%i;平面件涨大6——12Mm;轴孔内外径涨大±6%i.因此,对于要求精度较高的模具,要根据渗硼工件的涨大规律,适当控制加工尺寸。


  应用实例的硅钢片,采用冷作模具钢Gr12钢制造时,模具的使用寿命为2万件;若采用钢结硬质合金TLMW50制造,1030°C油冷淬火,180°C回火后使甩模具的使用寿命可达40余万件,提高寿命20倍以上。


  94mm钢球冷镦模:被加工材料为GC15铬滚动轴承钢,原采用同种材料GC15制造时,模具的使用寿命为2万件;若采用钢结硬质合金GW50°C油冷淬火,180°C回火后使甩其使用寿命为42万件,提高寿命约21倍。


  钢板冲头模:被加工材料为1mm厚的20钢薄钢板,原采用T12A钢制造,模具的使用寿命为0.5万件;现采用钢结硬质合金GT35制造,经960C油冷淬火,200C回火后使用,模具的使用寿命在20万件以上,提高寿命40多倍。


  热作轴压弯模:原采用热作模具钢3C2W8V钢制造,模具的使用寿命为0.5万件;现改为钢结硬质合金BR40制造,其模具使用寿命为2.5万件,提高寿命5倍以上。


  2mm厚的不锈钢薄钢板,原采用冷作模具钢Gr12钢制造,其模具使用寿命为1万件;现采用钢结硬质合金GW50制造,1025C油冷淬火,200C回火后使甩其模具使用寿命为20万件,提高寿命20倍。


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