热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外,还受到高温及周期性的急冷急热的作用,因此,评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标,它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。
热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命,抗热疲劳性能高的材料,萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多;机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后,在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时,每一应力循环的扩展量;断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料,其中的裂纹如要发生失稳扩展,必须在裂纹前端具有足够高的应力强度因子,也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下,在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹,如果模具材料的断裂韧性值较高,则裂纹必须扩展得更深,才能发生失稳扩展。
也就是说,抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命;而裂纹扩展速率和断裂韧性,可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。因此,热作模具如要获得高的寿命,模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。
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就国内外使用的模具钢材而言,模具钢密度一般都在7.85左右,通常模具钢是锻造件,密度在8000-8400千克/立方米。不同模具钢材中加入的合金元素比例不一样,模具钢密度会有小范围的差别。
密度是物质的特性之一,每种物质都有一定的密度,不同物质的密度一般是不同。因此我们可以利用密度来鉴别物质。所以我们可以根据密度公式ρ=M/V,计算出任意一种模具钢的密度。
根据密度公式:ρ=m/v,也就是说决定模具钢质量和体积的因素决定了模具钢密度。那么从微观的角度来讲的话,就是分子量和分子间隙共同决定物质的密度。体积、大小、质量、压强、压力和温度影响物质密度,虽然物质密度物质的本身属性,它是一定的,但是物质有各种状态,当物质形成态的转化的时候,密度才会变化。比如水,升温可导致水的气化,密度变小,加压又可以使水蒸气从新凝结为液态水,密度变大。
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热作模具钢的特性:3Cr3Mo3W2V代号HM1,1970年代研制的HM1钢,在热稳定性、抗热疲劳性等方面均有所提高,该钢种已纳入GB 1299—85的国家标准模具钢号,它具有良好的抗热疲劳性能、抗回火稳定性能和良好的冶炼、锻造、热处理及机械加工工艺性能,是国内综合性能优良、符合我国资源条件的**韧性热作模具新钢种,在高温性能方面明显优于H13钢。热作模具钢的应用实例:
(1)铝和铜合金压铸模、热挤压模具等,使用寿命可比3Cr2W8V提高1~4倍。
(2)适用于高温、高负荷、急热急冷条件下的压力机锻模、轴承热锻凹模、成型滚锻模。
(3)**度和高热强钢的精密锻造模。热作模具钢具有优良的强韧性、较高热强性、耐磨性、回火稳定性、耐冷热疲劳性能,冷热加工性能好,工作温度700℃以上,该钢通用性强。
决定模具使用寿命重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力,要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨损主要是机械磨损、氧化磨损和熔融磨损三种类型。为了改善模具钢的耐磨性,就要既保持模具钢具有高的硬度,又要保证钢中碳化物或其他硬化相的组成、形貌和分布比较合理。对于重载、高速磨损条件下服役的模具,要求模具钢表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜,保持润滑作用,减少模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损,又能减少模具表面进行氧化造成氧化磨损。所以模具的工作条件对钢的磨损有较大的影响。
耐磨性可用模拟的试验方法,测出相对的耐磨指数,作为表征不同化学成分及组织状态下的耐磨性水平的参数。以呈现规定毛刺高度前的寿命,反映各种钢种的耐磨水平;试验是以Cr12MoV钢为基准进行对比。
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美国是早在工具钢中列出塑料模具**钢的国家,以P来表示为主,共分为五类。
◆ 渗碳型塑料模具钢:P1,P2,P3,P4,P5,P6。这类钢含碳量很低,主要是美国早期及用挤压成型制模法,要求冷塑性好,有高的挤压性能,成型后表面渗碳淬火提高表面硬度,使用寿命长。
◆调质型塑料模具:P20,P21。塑料模具中P20的用量很大,已成为主体,大多数在预硬状态时使用。
◆ 中碳合金工具钢用于热固性塑料模。钢号有H13,而L2和S7,O1和A2也有应用。这一类的特点是:
(1)基本属二次硬化金钢,500-600oC时的热强性好。
(2)含铬较高,大气腐蚀性好。
(3)淬透性极好,适用于大模块。
◆不锈钢用于耐蚀性要求高的塑料模,主要钢号有420,414L,440,416。
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热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外,还受到高温及周期性的急冷急热的作用,因此,评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标,它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。
热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命,抗热疲劳性能高的材料,萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多;机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后,在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时,每一应力循环的扩展量;断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料,其中的裂纹如要发生失稳扩展,必须在裂纹前端具有足够高的应力强度因子,也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下,在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹,如果模具材料的断裂韧性值较高,则裂纹必须扩展得更深,才能发生失稳扩展。
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