第9章模具钢的冶炼

第9章模具钢的冶炼主讲人：姚春发高工9.1模具钢概况•9.1.1模具钢的含义•模具钢按照用途，可分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢三类。不同类别模具钢的含义如下。•1.冷作模具钢的含义•在常温下，用于制造金属冷塑性变形、压力成形、冷剪切的模具或刃具用钢，如冷冲剪、冷挤压、剪切、滚压、冷镦锻等所用的模具和刃具用钢，称为冷作模具钢。•2.热作模具钢的含义•在髙温下（约高于400℃），用于制造金属热塑性变形、热压力成形、热剪切的模具或刃具用钢，如热锻造、热挤压、压力铸造、热剪切等模具或刃具用钢，称为热作模具钢。•3.塑料模具钢的含义•在腐蚀介质环境中，用于制作塑料制品成型加工使用的模具，称为塑料模具钢。9.1模具钢概况•9.1.2模具钢的基本特性•1.耐磨性•代表模具钢耐磨性能的指标是钢的硬度。模具钢的硬度越高，模具的耐磨性越好。•2.强度和韧性•模具钢应具有高的屈服强度和冲击韧度。强度和靭性是保持模具在巨大的冲击应力和压应力的联合作用下，不变形、不开裂的重要条件。•3.高温抗氧化性能•模具钢的抗氧化性能，主要取决于钢中含铬量。随着含铬量增加，钢的抗氧化性能提高，耐氧化温度相应增高。9.1模具钢概况•4.疲劳强度•模具钢的疲劳强度，主要取决于钢中非金属夹杂物的数量、结构、形态尺寸和分布状况等，同时还受到钢中杂质元素的影响。•5.抛光性能•模具钢的抛光性能主要取决于钢的纯净度。具体来讲，要求钢中非金属夹杂物的数量少、粒度小、分布均匀。对钢的抛光性能影响较大的是球状氧化物和氧化铝类型的夹杂物。减少这些夹杂物的数量具有重要意义。•6.加工性能•模具钢要求具备良好的热加工塑性、冷机械加工性能、热处理和焊接工艺性能等，以便于制成形状复杂、精度较髙的各种模具。9.1模具钢概况•9.1.3模具钢的化学成分9.2模具钢中合金元素的作用•9.2.1冷作模具钢中合金元素的作用•1.碳元素的作用•碳是冷作模具钢中最重要的核心强化元素，钢中含C0.60%~2.30%(质量分数）。•（1）形成碳化物保持钢的耐磨性能碳主要同钢中的Cr、W、V形成具有高熔点、高硬度和稳定的碳化物，通过热处理呈弥散状在基体组织中均匀析出，获得很高的硬度以保持模具钢的高耐磨性能。•(2)降低钢的韧性和加工性能碳对冷作模具钢的不利作用是降低钢的塑料和冲击韧度。随着钢中含碳量的升高，钢的塑性、籾性和冷热加工性能下降。9.2模具钢中合金元素的作用•2.铬元素的作用•冷作模具钢按含铬量分为中碳低铬、髙碳低铬、高碳高铬三种。含铬量（质量分数）低铬小于7.5%髙铬为11%~13%。•（1）形成碳化铬，提高钢的耐磨性能•（2）提髙钢的淬透性，随着钢中含铬量的增加，冷作模具钢的淬透性提商，显著地改善了钢的热处理工艺性能。•3.钒元素的作用•冷作模具钢中含钒量（质量分数）为0.10%~2.20%,钒是重要的碳化物形成元素。•（1）提高钢的耐磨性能，钒是强碳化物形成元素。•（2）细化钢的起始晶粒度，冷作模具钢中，含钒量（质量分数）小于0.50%时，钒在钢中主要以氮化物VN的形式存在。•（3）增加耐回火性和析出硬化效果，钢中以VC形式存在的钒，可以提高钢的耐回火性，增大回火后组织和性能的稳定。9.2模具钢中合金元素的作用•4.钨元素的作用•（1）形成钢回火时二次硬化钨在冷作模具钢中，以同碳、铁形成复合碳化物(W,Fe)6C的形式存在于钢中。•（2）改善钢的热处理工艺性能含钨量（质量分数）为0.50%~1.00%时，钨能提高钢的淬透性。•（3）使钢中一次碳化物晶粒粗化含钨较高的冷作模具钢，钢液凝固时容易析出粗大的M6C碳化物。粗大碳化物沿晶界分布，降低了钢的髙温塑性，给钢的热加工带来困难。9.2模具钢中合金元素的作用•5.钼元素的作用•（1）提高淬透性和耐回火性钼与铬、钨元素相似，能提髙冷作模具钢的淬透性，有利于获得性能均勻的模具。另外，钼有利于提高钢的耐回火性。•（2）形成碳化物提高耐磨性能钼与钨同属强碳化物形成元素。在冷作模具钢中以M2C、M6C的形式存在，在细化钢的晶粒、钢的二次硬化与提高耐磨性能等方面，起着重要的作用。9.2模具钢中合金元素的作用•9.2.2热作模具钢中合金元素的作用•1.碳元素在热作模具钢中的作用•碳在热作模具钢中的含量（质量分数）为0.35%~0.65%,远低于在冷作模具钢中的含量。•（1）提高钢的韧性和强度,。热作模具钢中，碳主要用于同铬、钼、钨、钒、铌等元素形成复合碳化物M6C和M2C、MC,起强化作用。•（2）降低钢的高温性能。随着钢中含碳量的增加，碳降低髙温抗氧化性能、高温热稳定性、高温疲劳强度，以及抗热裂纹等性能。9.2模具钢中合金元素的作用•2.铬元素在热作模具钢中的作用•铬是热作模具钢中重要的合金元素。铬在钢中的含量（质量分数）为0.50%~5.50%•(1)提高钢的耐热性能•铬在高温下，在模具工作表面形成一层Cr203保护膜，保护金属不继续氧化，抑制高温工件的热侵蚀，提高模具的使用寿命。•（2）铬的其他作用•铬能提高钢的淬透性、强度、靭性等。9.2模具钢中合金元素的作用•3.钒元素在热作模具钢中的作用•提高高铬热作模具钢的高温硬度•随着含钒钢高温硬度的提高，钢在高温下的耐磨性能明显增加，使模具的使用寿命得到延长。钒在细化晶粒、防止高温晶粒粗化和提高耐回火性等方面所起的作用，与在冷作模具钢中相同•4.钨、钼元素在热作模具钢中的作用•钨主要以碳化物WC的形式存在于钢中。其作用是使钢在高温时具有高的硬度，增强高温耐磨性能。•钨同钼共同作用，使热作模具钢在高温下，具有髙的强度、硬度和耐回火性。•钼在钢中的作用热作模具钢中，含钼量（质量分数）为0.20%~3.5%。主要作用是提高钢的高温组织稳定性、增加变形抗力，减少模具变形量，延长模具的使用寿命。9.2模具钢中合金元素的作用•9.2.3塑料模具钢中合金元素的作用•1.铬元素在塑料模具钢中的作用•1）提高钢的耐蚀性•2）提高钢的耐磨性能•2.镍在塑料模具钢中的作用•（1）调节模具钢的组织结构•（2）降低钢的退火硬度以利于加工•（3）提高钢的淬透性•（4）抑制钢加热时晶粒粗化9.2模具钢中合金元素的作用•3.铜在塑料模具钢中的作用•少数镜面塑料模具钢中，加人质量分数为0.80%~3.00%的铜，其作用如下：•（1）改善钢的耐蚀性铜能降低钢的电极电位，提高耐蚀性，特别利于改善耐点蚀性能。•（2）改善钢的切削加工性能铜能改善钢的切削加工性能，有利于模具精加工，提高加工精度和表面质量。9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•9.3.1模具钢冶炼工艺的选择•1.模具钢的冶金质量控制重点•（1）准确控制钢的化学成分化学成分的控制要点包括：碳化物形成元素与含碳量的平衡与控制；钢中硅、锰元素含量的控制；沉淀硬化钢中铝、钛元素的控制；降低合金元素的偏析等。•（2）钢中碳化物和晶粒度的冶金控制高碳高合金模具钢中，一次碳化物的细化和分布均匀性的控制；晶粒度大小及其均勻性的控制等。•（3）钢中非金属夹杂物的控制降低夹杂物的数量，控制夹杂物的形态，细化夹杂物的尺寸。减少夹杂物对钢的疲劳强度、高温裂纹、表面抛光性能等影响。•（4）降低有害杂质在钢中的含量为了提高模具钢的纯净度，以改善钢的塑性和韧性等性9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•3.模具钢的冶炼工艺选择•常用的冶炼工艺方法有：中频感应炉冶炼、真空感应炉冶炼，以及由这两种冶炼方法与电渣重熔组合的双联法等。•（1）中频感应炉冶炼模具钢的特点用于冶炼模具钢时，中频感应炉冶炼具有以下特点。•1）能经济有效地回收模具钢返回料。•2）降低模具钢中的磷、硫含量。•3）便于控制模具钢的化学成分。•4）生产费用低。•5）冶金产品质量存在的问题。9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•（2）真空感应炉冶炼模具钢的特点用于冶炼模具钢时，真空感应炉冶炼具有以下特点。•1）钢中非金属夹杂物含量低。•2）降低钢中气体含量，提高钢的纯净度。•3）准确地控制钢的化学成分。•4）冶金产品质量存在的问题。•5）生产费用高。9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•（3）电渣重熔模具钢的特点电渣重熔是二次精炼手段，在模具钢生产中得到比较广泛的应用。电淹重熔模具钢具有以下特点。•1）降低钢中非金属夹杂物含量。•2）改善碳化物的不均匀性。•3）改善钢锭表面质量，提高成材率。9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•9.3.2改善高碳高铬模具钢中碳化物的不均匀性•1.高碳、高铬模具钢中碳化物的形成与特点•（1）碳化物的形成与特点高碳高铬钢液的凝固温度范围很宽，即从析出第一个固相质点到完全凝固的温度区间很宽。在此温度区间为碳化物的形成、长大和聚集提供了充足的时间。•（2）碳化物的不均匀性主要指带状碳化物的分布状况。因为网状碳化物在金属变形时，晶粒细化以后，网状碳化物可能会消失。•碳化物不均匀度对模具钢性能的影响，主要表现在以下几个方面•1）降低冷作模具钢的軔性。•2）增加模具钢的异向性。•3）降低模具钢的室温抗拉强度。•4）降低抛光性能，9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•2.控制钢中碳、铬含量改善碳化物的不均匀性•高碳高铬冷作模具钢中，主要碳化物是由碳和铬组成的（Fe，Cr)7C3。因此，控制住钢中碳、铬含量具有重要作用。•（1）钢中含碳量的控制。在高碳高铬冷作模具钢中，并非含碳量越高钢的耐磨性能就越好。耐磨性能不仅取决于碳化物的数量，更重要的是取决于碳化物的存在形态。•（2）钢中含铬量的控制。钢中碳化物的数量主要取决于含碳量。9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•3.通过电渣重熔改善碳化物的不均匀性•电渣重熔钢液的凝固速度是相同尺寸模铸钢锭的5~6倍。钢液的快速凝固，有利于碳化物的颗粒细化和均匀分布。•为使碳化物颗粒细化和分布均匀，在电渣重熔工艺上应采取下列措施。•(1)采用小锭型重熔•(2)低熔化速度浅熔池工艺重熔•(3)选用小的填充比重熔9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•4.感应炉冶炼改善碳化物不均匀性的措施•感应炉冶炼高碳高铬模具钢，浇注钢锭和直径大于100mm的供电渣重熔用自耗电极时，必须采取以下措施来改善碳化物的不均匀性。•(1)选用结构合理的钢锭模。选用钢锭模的原则是加快钢液在锭模中的凝固速度。•(2)实行低温快浇的浇注工艺。高碳高铬模具钢应当采用低温快浇方法，浇注钢锭锭身部分。•（3）钢锭均匀化退火，改善碳化物的不均匀性9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•9.3.3模具钢中非金属夹杂物的控制•1.非金属夹杂物对模具钢的危害•钢中夹杂物对其工艺性能和使用性能带来一定危害。其危害具体表现在以下几个方面。•(1)脆性夹杂物对模具钢的危害•脆性夹杂物是使钢产生裂纹的源头。随其含量的增加，钢的强度和冲击軔度明显下降；钢中裂纹的出现率增大，最终导致钢的耐疲劳性能下降•（2）塑性夹杂物对模具钢的危害塑性•随着钢中夹杂物含量的增加，冲击韧度下降，而冲击靭度的异向性也明显增大。•（3）夹杂物增大模具表面粗糙度9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•2.电渣重熔降低模具钢中非金属夹杂物•电渣重熔去除模具钢中非金属夹杂物的效果是显著的。但是，必须掌握以下工艺参数和操作要点，才能得到良好的精炼效果。•有效降低模具钢中夹杂物的电渣重熔操作要点如下：•（1）冶炼自耗电极时选择合理的终脱氧制度•电渣重熔用自耗电极中氧化物的形态，对重熔过程夹杂物的去除效果有明显的影响。•（2）采用小电渣钢锭和小充填比重熔•与大锭型和大充填比（自耗电极横断面积与结晶器横断面积之比值）相比，小锭型小充填比重熔具有低熔化速度。低熔化速度重熔时，自耗电极末端熔滴细小，钢渣接触的比面积增加，精炼效果增大，有利于去除夹杂物。9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点•(3)降低熔渣中不稳定氧化物含量•电渣重熔模具钢时，大多采用CaF2-Al203-Ca0渣系，其中CaO是因CaF2分解后自然形成的组分。除此以外，熔渣中还含有一定数量的不稳定氧化物，包括FeO、Si02、MnO。这些氧化物在高温下，会引起钢液中易氧化元素的氧化，而增加重熔钢中新的内生夹杂物。•(4)清除白耗电极表面的氧化物•中频感应炉或其他炉型浇