1.4.2.4提高45钢镜面加工性能的途径
镜面加工性能(也称拋光性能)是塑料45钢的重要技术指标。生产透明塑料制品,尤其是光学仪器(如透镜等),对于模具的镜面加工性能要求很高。但严格地讲,没有专用牌号的镜面加工用的塑料45钢。提高45钢镜面加工性能的途径一般有如下几种。
A钢材的冶金质量
钢中非金属夹杂物、气泡、氧化物、硫化物等是影响45钢镜面抛光质量和研磨时形成针眼和孔洞的主要原因。因此,凡是表面粗糙度要求很严的塑料模具,一般不得采用加硫的易切钢;即使不是易切削钢,若钢中氧化物、硫化物夹杂含量较高,在研磨过程中也容易脱落形成针孔。所以,采用真空冶炼、电渣重熔、炉外精炼等工艺,可以有效地提高钢的纯净度,从而提高钢材的镜面加工性能。
B钢材组织的不均匀度
钢材组织的不均匀度是影响其镜面加工性能的另一个重要因素。显微区域组织不均匀,例如带状偏析等可能使得钢材在镜面加工时出现很细的发纹和研磨斑、坑等缺陷,为了防止偏析,必须掌握好出钢后的浇注技术和钢锭的结晶质量,另外要进行充分的锻造,以保证钢材的致密度,如果能进行均匀化热处理或电渣重熔冶炼,也可以有效地减少这种偏析,从而提高钢的镜面加工性能。
钢的硬度高,对镜面抛光性能有好的影响。
C拋光技术
拋光技术对于表面粗糖度的影响很大。例如,在预研磨和最后研磨时应避免钢材表面可能弓|起组织变化的温度的影响。因此,除
炼过程中,可采用吹氩搅拌,以加速夹杂物的上浮;采用合成渣和复合脱氧剂等,强化有害杂质向渣子的转变过程。实践表明,采用炉外精炼(如真空冶炼、电渣重熔或喷粉冶炼等)是降低钢中非金属夹杂物最有效的方法。(3)在浇注过程中,采用保护气体浇注或真空浇注,并在钢锭模内选用适当的保护渣等,以防止钢水的二次氧化。(4)为了减少或避免出现皮下气泡,冶炼时采用的原材料应干燥,且在浇注时钢液脱氧良好,改善浇注条件[58]。其次是在锻造时制定正确的锻造工艺,采用先进的锻造设备,熟练地掌握操作技术是减少角裂、表面裂纹、表面结疤的关键。例如锻造Crl2型45钢,必须采用多火次小变形的锻造方法。砧子圆角半径不能太小,进料量要控制在Z/A=0.6〜0.8,若进料量太大(Z//i>1)则易产生内部对角线裂纹及表面横向裂纹和角部裂纹。操作要按照“两轻一重、两均匀”的要领进行,要勤倒棱,以防棱角处温降快导致金属塑性下降而在锻造时产生开裂。锻造时一旦出现角裂应及时清除,否则裂口将逐渐扩大。若在成品坯上仍有角裂存在,应将其清理干净,且清理处要平坦圆滑,否则在下次热加工时容易产生折叠甚至开裂。表面裂纹的种类很多,在Crl2型钢的锻造中时常发现三角形或人字形裂口,和控制角裂一样,适当控制进料量与压下量,掌握好锤击力度及钢料温度的变化,如钢料有升温现象时要适当减轻打击力和放慢打击速度,甚至稍停片刻再进行锻造,有利于减少这种裂纹的产生。
C提高钢材尺寸精度
我国45钢材的尺寸公差与国外先进水平有比较大的差距,.钢材的外观质量差,尺寸精度低,锻材两端多呈马蹄形或馒头形,热轧材的弯曲度有的达6mm/m,冷拔材有的也达3mm/m,模块有的切斜,垂直度差。
为保证钢材的尺寸精度、生产率和成材率,国外广泛采用精锻机和快锻机生产合金45钢锻材和模块。精锻机在工作时4个锤头同时锤击钢材,使得钢材在锻造过程中不受拉应力的作用,锻造的速度快,一般可一火成材。表面质量好,尺寸精度高,其生产的
(1) 可磨削性好,特别是对于可磨削性能差的高钒工45钢,由于碳化物的细化,可磨削性显著改善。
(2) 韧性好,由于粉末冶金工45钢组织细小均勻,显著地改善了钢的韧性、抗弯强度等性能指标。
(3) 等向性好,由于粉末冶金工45钢组织均匀,基本上不会出现各向异性,与一般冶金工艺生产的工45钢比较,横向性能得到显著改善。
(4) 热处理工艺性能好,由于碳化物颗粒细小,淬火时保温时间可大为缩短(比一般冶金工艺生产的工45钢缩短1/2—1/3)。由于组织均勻,萍火变形量减小,也降低了出现淬火裂纹的可能性。
粉末冶金工45钢的性能与一般冶金工艺生产的工45钢质量的对比见表1-42。
表1-42不同工艺方法生产的工45钢质量对比
质量、性能 |
一般方法生产 |
粉末冶金法生产 |
铸态 |
锻轧态 |
|
碳化物偏析 |
E |
C |
A |
显微组织 |
碳化物尺寸 |
E |
C |
A |
|
奥氏体晶粒度 |
E |
c |
A |
热处理工艺性 |
热处理变形热处理缺陷 |
A
A |
c
c |
A |
韧性 |
轴向.横向 |
E
E |
c
c |
A |
疲劳强度 |
E |
c |
A |
腐蚀疲劳 |
E |
c |
A |
可磨削性 |
E |
c |
A |
注:A—优秀;B—良好;C一中等;D—较差;£一差。
由于粉末冶金工艺的突出优点,近十几年来粉末冶金工45钢的产量、品种都发展很快,不仅用于生产一些标准钢号的工45钢,而且发展了一些用一般工艺方法难以生产的专用高碳、高合金
粉末冶金工45钢钢号。表1-43列出国外粉末冶金45钢的代表性钢号。其中一些高碳高钒45钢,如CPM10V,CPM9V,ASP60等,由于钢中有大量弥散的高硬度的MC型碳化物,其耐磨性能介于一般高合金冷作45钢和耐磨的硬质合金之间,由于粉末冶金45钢的韧性好,制成的模具使用寿命可以与一些硬质合金模具相近。粉末冶金高合金45钢具有较好的切削加工性和耐磨削性能,多用于制造一些要求耐磨性高、形状比较复杂的、工作条件苛刻的长寿命模具。
表1-43国外粉末冶金模具用钢化学成分w/%
CPM9V, |
1.78 |
5.25 |
1.30 |
9.00 |
S0.03 |
53〜55 |
CPM10V, |
2.45 |
5.25 |
1.30 |
9.75 |
S0.07 |
60〜62 |
CPM440V, |
2.15 |
17.50 |
0.50 |
5.75 |
|
57〜59 |
Vanadis4 |
1.50 |
8.00 |
1.50 |
4.00 |
|
59〜63 |
当然由于粉末冶金45钢的生产工艺和装备比较复杂,生产成本往往要比采用一般冶金工艺生产的45钢成倍提高,在选用时要综合考虑。
B钢结硬质合金
钢结硬质合金是20世纪50年代国际上开始发展的一种新型模具材料,60年代中期,我国试制成功,随即得到比较迅速的发展。钢结硬质合金是以钢为粘结相,以碳化物(主要是碳化钛、碳
化钨)做硬质相,用粉末冶金方法生产的复合材料。其微观组织是细小的硬质相,弥散均匀分布于钢的棊体中。
作为粘结相的钢基体,可以分为碳素钢、工45钢、不锈钢、高锰钢、高温合金和特种合金等。由于粘结相的钢种不同,赋予钢结硬质合金一系列不同的性能,如高强度、抗冲击、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗热震、磁性和非磁性等。
钢结硬质合金是介于钢和硬质合金之间的边缘材料,具有以下优异的特性。
(1) 工艺性能好:具有可加工性和可热处理性,是一种可加工、可热处理的特种硬质合金。在退火状态下可以采用普通切削加工设备和刀具进行车、铣、刨、钻等机械加工。可以锻造,可以焊接。与硬质合金比较,可以显著地降低生产成本,且具有更大的适用范围。
(2) 良好的物理、^学性能:钢结硬质合金在淬硬状态具有很高的硬度。由于含有大量弥散分布的高硬度硬质相,其耐磨性可以与模具常用的高钴硬质合金相近。与高合金45钢比较,具有较高的弹性模量、耐磨性、抗压强度和抗弯强度。与硬质合金比较,则有较好的韧性。具有良好的综合力学性能。
钢结硬质合金还具有较高的比强度,较低的密度(TiC系),良好的自润滑性,较低的摩擦系数,优良的化学稳定性,与钢相近的热膨胀系数等一系列优良的特性,适用于制造模具。
由于具有以上特性,钢结硬质合金首先大面积地应用于制^各种冷作模具,与一般45钢相比,它可以使模具的使用寿命成10倍的大幅度提高;与硬质合金比较,又具有韧性好、加工工艺性能好、生产成本低等一系列的特点,经济效益极为显著,逐渐成为一种重要的模具材料。
用于模具的钢结硬质合金,硬质相主要采用碳化钛或碳化钨,钢的基体主要采用含铬、钼、钒的中高碳合金工具钢或高速钢。我国生产的模具用的钢结硬质合金典型的化学成分见表144。
表1-44模具用钢结硬质合金化学成分w/%
牌号 |
TiC |
WC |
C |
Cr |
Mo |
V |
W |
Fe |
GT35 |
35 |
|
0.5 |
2.0 |
2.0 |
|
|
余量 |
R5 |
35〜40 |
|
0.6/10.8 |
6.0/13.0 |
0.34).5 |
0.1/0.5 |
|
余量 |
TLMW50 |
|
50 |
0.5 |
1.25 |
1.25 |
|
|
余量 |
GW50 |
|
50 |
0.6 |
0.55 |
0.15 |
|
|
余量 |
GJW50 |
|
50 |
0.25 |
0.50 |
0.25 |
|
|
余量 |
D1 |
25〜40 |
|
0.4/10.8 |
2/4 |
|
0.5/1.0 |
10/15 |
余量 |
T1 |
25-40 |
|
0.6/0.9 |
2/5 |
2/5 |
1.0/2.0 |
3/6 |
余量 |
几种模具用的钢结硬质合金在不同热处理状态下的金相组织见表1-45。常用于制造模具的几种钢结硬质合金物理性能见表1-46;热膨胀系数对比见表1-47,其淬火状态硬度见表1-48。
表1-45模具用钢结硬质合金不同热处理状态下的金相组织
牌号 |
烧结状态 |
退火态 |
淬火态 |
回火态 |
低温回火 |
高温回火 |
GT35 |
TiC+贝氏体 |
TiC+珠光体 |
TiC+马氏体 |
TiC+回火马氏体+碳化物 |
TiC+索氏体(或屈氏体)+碳化物 |
GR5 |
TiC+马氏体+M7C3 |
TiC+珠光体+m7q
+M23Q |
TiC+马氏体+M7Cs |
TiC+回火马氏体+
m7q |
TiC+索氏体+M7C3+M23Q |
TLMW50 |
WC+珠光体+复合碳化物 |
WC+珠光体+复合碳化物 |
WC+索氏体 |
WC+回火马氏体+复合碳化物 |
WC+索氏体+复合碳化物 |
GW50 |
WC+珠光体+复合碳化物 |
WC+珠光体+复合碳化物 |
WC+索氏体 |
WC+回火马氏体+复合碳化物 |
WC+索氏体+复合碳化物 |
续表1-45
牌号 |
烧结状态 |
退火态 |
淬火态 |
回火态 |
低温回火 |
高温回火 |
GJW50 |
WC+马氏体+复合碳化物 |
WC+马氏体+复合碳化物 |
WC+马氏体十残留奥氏体 |
WC+回火索氏体 |
WC+索氏体 |
D1 |
TiC+屈氏体 |
TiC+珠光体+复合碳化物 |
TiC+马氏体+残留奥氏体 |
5001C回火态
TiC+回火马氏体+复合碳化物 |
T1 |
TiC+屈氏体 |
TiC+珠光体+复合碳化物 |
TiC+马氏体+残留奥氏体 |
500X:回火态
TiC+回火马氏体+复合碳化物 |
表1-46TiC+珠光体+复合碳化物合金物理力学性能
牌号 |
密度/g*cnT3 |
硬度(HRC) |
抗弯强度①/MPa |
冲击值① |
临界温度/C
AclAc3 |
退火态 |
淬回火态 |
GT35 |
6.40/6.60 |
39〜46 |
68—72 |
1400/1800 |
6 |
740770 |
R5 |
6.35/6.45 |
44~48 |
70〜73 |
1200/1400 |
3 |
780 |
TLMW50 |
10.21/10.37 |
35〜40 |
66〜68 |
2000 |
8 |
761788 |
GW50 |
10.20/10.40 |
38〜43 |
69〜70 |
1700/2300 |
12 |
745790 |
GJW50 |
10.20/10.30 |
35〜38 |
65〜66 |
1520/2200 |
7.1 |
760810 |
D1 |
6.90/7.10 |
40〜48 |
69〜73 |
1400/1600 |
|
780 |
T1 |
6.60/6.80 |
44〜48 |
68〜72 |
1300/1500 |
3〜5 |
780 |
①淬火状态的性能。
表1-47常用钢结硬质合金的线(膨)胀系数ct/C^1
温度范围/c |
GT35 |
R5 |
TLHW50 |
GW50 |
T1 |
20〜100 |
6.09X106 |
8.34X10'6 |
6.72X10'6 |
8.90X10'6 |
8.37X10-6 |
20〜200 |
8.43X10'6 |
9.16X10一6 |
8.06X10-6 |
9.10X10-6 |
8.54X10—6 |
20〜300 |
10.04X106 |
9.95x106 |
8.65xl(r6 |
9.34X10'6 |
9.68X106 |
20~400 |
10.37X106 |
10.53X10-6 |
9.07X10_6 |
9.40X10'6 |
10.38X106 |
20〜500 |
11.22X10-6 |
10.71X10-6 |
9.62X10-6 |
9.52X10-6 |
10.86X10-6 |
20〜600 |
11.51X10-6 |
10.82X10"6 |
10.15X10'6 |
9.70xl(T6 |
11.25X10-6 |
20〜700 |
11.83X10-6 |
11.13X10'6 |
10.65X10"6 |
9.86XKT6 |
11.48X10_6 |
表1-48模具常用钢结硬质合金的热处理制度
牌号 |
退火温度A: |
淬火温度/C |
保温时间/min*mm_1 |
冷却介质 |
淬火硬度(HRC) |
GT35 |
790±10 |
960-980 |
0.5 |
油 |
69〜72 |
R5 |
830±10 |
1000〜1050 |
0.6 |
油或空气 |
70〜73 |
T1 |
830±10 |
1220〜1240 |
0.3〜0.4 |
560X:盐浴油冷 |
72〜74 |
D1 |
830±10 |
1220〜1240 |
0.6〜0.7 |
560t:盐浴油冷 |
72〜74 |
TLMW50 |
810±10 |
1030〜1050 |
0.5—0.7 |
油 |
68 |
GW50 |
800±10 |
1050〜1100 |
2〜3 |
油 |
68〜72 |
GJW50 |
810±10 |
1020〜1040 |
0.5〜1.0 |
油 |
68〜72 |
钢结硬质合金的回火温度,应根据牌号和用途确定。T1、D1的钢结硬质合金,可按照一般高速钢回火工艺,即在550〜600X:三次回火。对CT35合金,当要求高耐磨性时,可采用低温回火,当在受冲击载荷下工作时,可采用高温回火,以提高其韧性。
钢结硬质合金由于兼有钢和硬质合金的特性,首先作为新型模具材料应用于各种冷作模具,如冷镦模具、冷挤压模具、拉伸模具、剪裁模具、压印模具、滚压模具等。也用于部分热作模具,如热挤压模具、热冲模具、压铸模具等。当选用适当时,其使用寿命一般可比45钢提高几倍到几十倍,有时甚至可以接近普通硬质合金制造的模具。已经正式用于制造高寿命的模具。
虽然钢结硬质合金具有良好的耐磨性,但在承受较大的冲击载荷时,韧性尚嫌不足,因此在模具结构上应根据合金的特性采用相应的措施。一般多采用镶套的结构,采用高强度钢制造外套,甚至采用双套或多套结构,过盈装配,比较复杂的模具有时采用拼块结构,以承受或抵消冲击载荷的作用,从而充分发挥钢结硬质合金优异的耐磨性,达到稳定和提高模具使用寿命的目的⑵〜27’60’613。