（材料加工工程专业论文）大截面预硬型塑料模具钢3cr2mnnimo切削加工性能研究.pdf

圭塞查堂堡圭兰奎 查墼亘堡堡型望整堕墨塑! 壁! 坚! 塑坚! 望! ! 垫三丝墼笙塞 摘要 本文对大截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 和世界先进同类钢种 ( a s s a b 7 1 8 ) 进行了对比性研究，结果发现二者的切削加工性能存在明显差距。 结合金相组织观察，t e m 和s e m & e d x 分析，3 c r 2 m n n i m o 钢加工性能欠佳的主 要原因在于钢中非金属夹杂物及组织中存在的成分偏析。本文利用t h e r m o c a l c 软件对预硬型塑料模具钢的成分与工艺进行了优化设计，很大程度上降低了钢中 氧化铝夹杂含量，基本消除了组织中的成分偏析，从而明显改善钢的切削加工性 能。此外，初步研究了采用正火加高温回火工艺代替常规调质工艺的可行性。本 论文的主要研究结果如下： 1 、钢中非金属夹杂物是影响切削性能的主要原因，硬质点a 1 2 0 3 夹杂物严重损坏 切削加工性能，而软性相m n s 夹杂物则有利于切自u 加工性能的改善，消除或 改性硬质点氧化物夹杂是改善3 c r 2 m n n i m o 钢切削加工性能的主要手段。 2 、利用t h e r m o - c a l c 软件对3 c r 2 m n n i m o 钢进行成分优化设计，可降低钢中氧化 铝夹杂的含量，从而减少刀具磨损量，降低切削力，明显改善了钢的切削加工 性能。 3 、采用锻前高温均匀化扩散退火，即在1 2 0 0 + _ 1 0 。c 下保温1 0 个小时，可以基本 消除钢中的成分偏析，提高了3 c r 2 m n n i m o 钢的表面加工质量。 4 、3 c r 2 m n n i m o 钢在9 1 0 。c j e 火后高温回火的热处理制度下，切削加工性能良好， 该工艺可有效避免厚度较小的模块发生开裂。 关键词：大截面预硬型塑料模具钢切削加工性能t h e r m o c a l c 软件非金属夹 杂物 圭堡奎堂翌主兰苎 查墼重蔓堡型望垫蔓墨塑茎璺些型型堕塑塑塑三竺丝! ! 型 a b s t r a c t t h e p r o p e l t i e so fp r e - h a r d e n e dp l a s t i c m o u l ds t e e l s3 c r 2 m n n i m o a n da s s a b 7 1 8 f o r l a r g es e c t i o n a r e c o m p a r e da n ds t u d i e d i t i ss h o w nt h a tt h em a c h i n a b i l i t yo f 3 c r 2 m n n i m oi sm a r k e d l yl o w e rt h a na s s a b 7 1 8 e m p l o y i n gm i c r o s c o p y 、t e ma n d s e m & e d xa n a l y s i s m e t h o d s ，t h ek e y f a c t o l st oa f f e c tt h e m a c h i n a b i t i t y o f 3 c r 2 m n n i m os t e e la r et h en o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si ns t e e la n dt h es e g r e g a t i o no fa l l o y e l e m e n t si nm i c r o s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , b ym e a n so ft h et h e r m o - c a l cs o f t w a r e ，t h e c o m p o s i t i o na n dh e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u eo fp r e - h a r d e n e dm o u l ds t e e lf o rp l a s t i ca r e o p t i m i z e d ，t h ec o n t e n to fa l u m i n u mo x i d ei n c l u s i o n s a r em a r k e d l yr e d u c e da n dt h e s e g r e g a t i o no fa l l o ye l e m e n t si nm i c r o s t r u c t u r ei sa v o i d e d ，t h u sd i s t i n c t l yi m p r o v e d t h e m a c h i n a b i l i t yo f3 c r 2 m n n i m o s t e e l i na d d i t i o ni ti sa t t e m p t e dt os t u d yt h ef e a s i b i l i t y o f n o r m a l i z i n gp l u sh i g ht e m p e r i n gt r e a t m e n ti np l a c e o f q u e n c h i n g a n d t e m p e r i n g t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、n o n m e t a l l i ci n c l u s i o n si ns t e e lm a r k e d l ya f f e c tt h em a c h i n a b i l i t y , a l u m i n u mo x i d e i n c l u s i o n sd a m a g et h em a c h i n a b i l i t yo fs t e e la n dm a n g a n e s es u l f i d es o f tp h a s e s b e n e f i tt oi m p r o v et h em a c h i n a b i l i t yo fs t e e l e l i m i n a t eo rm o d i f yt h ea l u m i n u m o x i d ei n c l u s i o n si st h ek e ym e a n st oi m p r o v et h em a c h i n a b i l i t yo f3 c r 2 m n n i m o s t e e l 2 、a i d e d b y t h e r m o c a l c s o f t w a r e ，t h e c o m p o s i t i o n o f3 c r 2 m n n i m os t e e li s o p t i m i z e d a n dt h ec o n t e n to fa l u m i n u mo x i d ei n c l u s i o n si sr e d u c e d s ot h ew e a rl o s s o ft o o la n dc u t t i n gf o r c ei sr e d u c e d ，t h u sm a r k e d l yi m p r o v e dt h em a c h i n a b i l i t yo f t h es t e e l 3 、b ym e a n so fh i g h - t e m p e r a t u r eh o m o g e n i z a t i o nt r e a t m e n tb e f o r ef o r g i n g ，t h a ti s k e e p i n g1 2 0 0 1 0 f o rt e nh o u r s ，t h es e g r e g a t i o no fa l l o ye l e m e n t si nt h e m i c r o s t m c t u r eo fp r e 。h a r d e n e dm o u l ds t e e li sa v o i d e da n dt h eq u a l i t yo f w o r k i n g s u r f a c ei si m p r o v e d i i 上海大学硕士论文大截面预硬型塑科模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 4 、n o r m a l i z i n g a tt h et e m p e r a t u r eo f9 1 0 c h i g l l t e m p e r i n g r e s u l t si nt h e a c c e p t a b l e m a c h i n a b i l i t y a n d e f f i c i e n t l y a v o i d st h ec r a c k i n gi ns m a l lt h i c k n e s sm o d u l e k e yw o r d ：p r e h a r d e n e dp l a s t i c 。m o u l ds t e e lf o rl a r g e - s e c t i o nm o u l d m a c h i n a b i l i t y t h e r m o c a l cs o f t w a r en o n m e t a l l i ci n c l u s i o n i l l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名；! 吐至日期丝墨2 ： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名u 7聊虢钮蹴旦尘 上海大学硕士论文 大截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 第一章前言 1 1 塑料模具钢材料现状 当前，工业技术迅速发展，技术革新的周期越来越短，为了降低产品成本， 提高产品质量和生产率，提高材料利用率，国内外制造工业广泛的采用各种无切 削、少切削工艺，如精密冲裁、精密锻造、压铸、冷挤压、热挤压等以模具压制 成型的新工艺代替传统的切削加工工艺。现在家用电器行业约8 0 的零部件依靠 模具加工，机电工业7 0 以上的零部件采用模具加工，塑料制品、陶瓷制品、建 材制品的5 5 也采用模具成型。因此，许多工业产品质量的提高，成本的降低， 产品更新换代的速度往往取决于模具的精度、质量、制造周期和使用寿命。所以 美国提出“模具是工业发展的基石”，日本模协提出“模具是促进社会繁荣的动力” 【1 】o 随着我国塑料制品工业的迅速发展，对塑料模具钢的需求量及性能要求越来 越高。资料显示1 2 3 4 】：塑料模具钢在国内市场每年的消耗总量超过1 0 0 ，0 0 0 t ，广 泛应用在电子、石化、汽车、仪表等工业领域，传统的钢种已不能满足新产品新 工艺发展的需求。近年来为适应塑料制品生产的需要，塑料模具钢褥到迅速发展， 其产品种类日益齐全，质量水平不断提高，标准也日渐完善。 有关信息报导：属于新产品开发所需关键模具( 例如5 6 c m 以上的彩色电视机 壳体塑料模具) ，目前有相当一部分大型、精密、复杂、长寿命模具需要进口 5 1 。 据不完全统计，仅珠江三角洲近百家塑料模具厂( 包括中外合资厂) ，每年从国外 进e l 高级塑料模具钢材3 0 0 0 5 0 0 0 t 。其价格高达5 8 6 万元t 6 j 。因此为适应市 场需求，必须大量生产各种规格的( 最好是已纳入国标及部标的) 优质塑料模具 铜，以物美价廉提高市场竞争能力，逐步阱国产钢材取代昂贵的进口钢材。 目前塑料已成为工业和民用产品生产的一种主要原料。在塑料制品生产成本 中，成型模具的质量对塑料制品的质量和生产成本有着极为重要的影响。采用性 能优越的优质专用塑料模具钢可以提高塑料模具的质量和寿命，有利于获得优质 塑料制品。发达国家十分注意提高塑料模具的使用寿命和模具质量问题，并形成 了专用塑料模具钢系列，其分类如图1 - 1 所示。其中，渗碳钢、冷挤压成型钢用于 上海大学硕士论文太截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 形状简单，尺寸程度要求不高、表面粗糙度要求一般的塑料制品模具：整体淬硬 型钢用于对磨损性要求较高的模具，如压制复合强化塑料( 玻璃纤维强化塑料等) 的模具；耐腐蚀钢用于制造腐蚀性较强的塑料( 如聚氯乙烯及阻燃塑料等) 成形 用模具；时效硬化钢多用于制造形状复杂的精密模具；无磁钢可用来压制磁性塑 料制品，日本发展了一些加钒的高锰奥氏体组织的无磁性模具钢，通过碳化钒的 沉淀硬化作用，可以使钢的硬度达到h r c 4 0 以上【7 】a 对型腔复杂、要求精密的塑料模具，为避免其热处理变形，国外一般采用预 硬型塑料模具钢，如美国的p 2 0 ，瑞典的7 1 8 ( 改型p 2 0 ) 。它们的预硬硬度为h r c 2 8 3 5 ，在此硬度下可直接进行车削、铣削、钻孔、绞孔、雕刻等加工，精加工后直 接交付使用，从而保证了模具的精度【8 】。近年来，塑料制品工业日益向着大型，复 杂，精密的方向发展，如洗衣机内桶，电冰箱内腔，甚至全塑汽车覆盖件及工业 用塑料制品件等，其尺寸均在6 0 0 1 0 0 0 m m 以上。这类塑料制品不仅有着较大的 外形尺寸，而且要有美观的商品外形条件，这无疑对塑料制品模具用材料提出了 更高的要求。一般塑料模具钢应具备以下性能： 1 ) 材料高度纯洁、组织均匀致密，偏析少，无网状及带状碳化物，无孔 洞疏松及白点等缺陷。 2 ) 热处理过程应有较少的氧化、脱碳及畸变倾向，尺寸稳定性好。 3 ) 淬透性高，热处理后应具有高的强韧性，高硬度和高的耐磨性，等向 性能好。 4 ) 预硬后应具有良好的切削加工性。 5 )有良好的热加工工艺性能。 6 ) 有良好的镜面抛光性、花纹图案蚀刻性。( 这2 种特性主要取决于钢的 硬度、纯洁度、组织致密性、均匀性和等向性) 7 ) 有良好的耐氟氯腐蚀性和耐热性。 鉴于预硬型塑料模具钢的使用条件，在上述诸性能中，抛光性能和切削加工 性。占极为重要的地位。 2 上海大学硕士论文太截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 1 2 预硬型塑料模具钢简介 在各类塑料模具钢中，预硬化塑料模具钢的生产工艺与其它精密模具钢相比 较为简单，通用性强，而且它在供货状态直接加工成模具可以避免热处理后模具 的变形开裂，从而保证了尺寸精度，并能缩短制模周期，降低成本。 塑料 模具钢 渗碳钢 冷挤压成型钢( 成形后渗碳) r 易切削 预硬化钢t 一般切削， 高碳工具钢r 含硫钢 ( 整体淬硬)，低碳马氏体时效钢 耐腐蚀钢io 低硫钢 jr 含硫钢 时效硬化钢1 低镍时效钢 lo 低硫钢 。无磁钢 图卜l 塑料模具钢的分类【9 i 预硬型塑料模具钢以p 2 0 钢为代表。它是一种低杂质含量的合金结构钢，其化 学成分( 质量分数) 为：c0 2 8 o ，4 0 ，m n0 6 0 1 0 0 ，s i0 2 0 0 ，8 0 。c r1 4 0 2 0 0 ，m oo 3 0 o 5 5 ，p 、s o 0 3 i ”j 。p 2 0 钢具有使用性能稳定，加工性能良好， 经渗碳和氮化处理后表面粗糙度低等优点。但在制作大截面模块时，其淬透性低， 截面硬度不均匀，切削加工性能差，大大影响了模具质量。因此许多国家在p 2 0 基 础上又研制了一系列衍生钢种，如表1 1 所示，在保证性能的前提下使其应用范围 得以拓宽。其中，n i 、b 的加入可以提高其淬透性而s 、c a 的加入可以改善其切削 加工性能。有资料表明1 1 3 ，1 5 1 ，加n i 的p 2 0 改进型a s s a b 7 1 8 钢除具有p 2 0 钢的优点外， 在大型截面上的硬度均匀性及淬透性大为提高。另外，鉴于预硬型塑料模具钢在 机械加工上的困难，在钢液中加入s 、c a 、p b 及稀土元素等冶炼易切削钢也是一直 以来的研究热点1 6 1 1 7 1 。比如，在钢液中加入s 可与m n 形成易切削相，它不仅在机 械加工过程中起到缺i l l 断屑的作用，而且还有润滑作用，使钢的切削加工性能得 钢 钢 体 汜 氏 金 贝 合 冷 徽 空 r一1l 钢 钢 质 质 调 调 非 rli，、l 上海大学硕士论文太截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 到明显改善。 由于预硬型塑料模具钢采用的热处理方式为淬火加高温回火，相当于调质处 理。通常它的淬火加热温度为8 4 0 8 6 0 ，油冷淬火后硬度为5 0 5 4 h r c ，回火 温度为6 0 0 6 5 0 ，回火后的硬度为2 8 3 6 h r c ，其淬火组织一般为板条马氏体 表1 - 1p 2 0 系列部分钢种及化学成分f 1 1 - 1 5 | ( w t ) 和片状马氏体的混合物，残余奥氏体量很少。而回火后得到回火索氏体组织。为 了适应塑料模具向大截面、复杂型腔、高精度、低表面粗糙度方向发展的要求， 提高淬透性，改善机械加工性能和等向性显得尤为重要。研究表明【1 8 1 ，选用最佳 的合金成分可以使钢具有良好的淬透性。结果显示，合金元素按提高不析出铁素 体淬透性的次序排列应为：n i 、c r 、m n 、m o 和c 。 应当指出的是，其中c r 能有效地延长奥氏体的孕育期，减缓奥氏体的分解速 度，从而提高钢的淬透性，但过高的c r 易与钢中的碳形成稳定的碳化物，加热时 不易溶解反而可能促进过冷奥氏体的分解；m n 是扩大奥氏体相区的元素，可显著 降低钢的a ，l 温度和奥氏体的分解温度，m n 又是弱碳化物形成元素，因此不会引 起淬火温度的增加，但m n 有使钢在加热过程中晶粒粗化的倾向，增加钢的回火脆 性；m o 除有益于淬透性的提高之外，它与钢中的杂质元素具有较大的亲和力，在 晶内形成稳定的化合物析出，能起到净化晶界的作用从而抑制回火脆性的发生。 资料表明1 1 1 】，德国生产的4 0 c r m n m 0 7 ( 即1 2 3 1 1 ，其化学成分相当于p 2 0 钢) 可 4 上海大学硕士论文太截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 制造厚度达4 0 0 m m 的模具，而加入约1 的n i 之后，即4 0 c r m n n i m 0 8 6 4 ( 1 2 7 3 8 ) 其淬透厚度高达1 0 0 0 m m ，由此进一步证实n i 的加入可显著提高钢的淬透性。 1 3 预硬型塑料模具钢的加工性能及其影晌因素 所谓切削加工性能，即从原料加工至成品时切割金属的相对难易程度。近些 年来，各国对钢材的可切削性( 切削加工性) 越来越重视，在改进钢材的力学性 能和物理、化学性能的同时，均力图改善钢材的可切削性。其主要原因可能有以 下几点： 1 、切削加工生产量的扩大。随着汽车、拖拉机、机床等需要大量切削加工的工业 部门的迅速发展，用于切削加工的钢材数量大大增加，尽管无切削的成型工艺 也在不断发展，但切削加工仍然会在相当长的时间内占据重要地位。因此，钢 材的可切削性受到了普遍应有的重视。可切削性的提高，能在厂房、设备等不 变的情况下增加产品数量并提高质量。可以预料，随着切削加工生产的不断发 展，对钢材的可切削性必将提出更高的要求。 2 、切削加工的高速度化。高的切削速度将带来高的生产效率。硬质合金及陶瓷等 刀具材料的发展，为实现高速切削创造了良好条件。高速切削般会导致刀具 的消耗与重磨次数的增加，这意味着生产成本的提高。要想不增加刀具磨损而 实现切削加工的高速化，就只有设法改变钢材的可切削性方可。例如采用易切 削钢替代普通结构钢来加工汽车零件，可在不增加刀具磨损的情况下提高切削 速度7 0 1 0 0 ，生产效率提高6 0 9 0 。从而实现了切削加工的高效率、 低成本与低消耗。 3 、切削加工的自动化与无人化运转。在汽车和机床l , i k e ，单轴与多轴自动机床 的应用越来越广泛，用来加工各种标准件与小零件。自动化要实现一人多机管 理，甚至全自动无人管理。如果钢材在切削处理性( 如排盾能力) 和刀具磨损 等方面达不到所要求的良好性能，则自动化或无人化加工就难以实现。 4 、切削加工的精密化。在精密机械如钟表、仪表、光学仪器以及通讯机械等制造 方面对零件的加工精度与表面光洁度均要求很高。在此情况下，普通钢材就很 难满足要求。如果勉强使用，必然会给零件质量、生产效率或成本带来损失。 上海大学硕士论文太截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 在机械工业日益发展的过程中，上述几方面的要求将会愈加明显与迫切，因 而钢材的可切削性作为重要的工艺性能之一也就越来越明确而突出地表现出来。 大量参考文献【蛉0 0 】证实，尽管车削不属于塑料模具生产的典型加工工序，但 是由于利用车削试验可以方便、廉价和准确地测定磨损标记并且可以得到很高的 再现性，所以通常借助车削试验来检验塑料模具钢的切削性能。 在描述切削加工性能时，必须考虑以下因素：刀具的材料和几何尺寸、刀刃 配置、切削操作、切削加工参数( 切削速度、进给量、切削深度) 及冷却液体。 如果可能，具体切削加工参数中还应包括刀具寿命，才能更准确的确定切削加工 性能。 材料的切削加工性能受化学成分、显微组织、硬度、抗拉强度、淬透性，夹 杂物和加工过程的影响。众所周知，硬度的提高有益于塑料模具钢镜面加工性和 耐磨损性的改善，但这会给机械加工带来困难，对于预硬型大截面模块更是如此， 这势必会影响到模具的制造过程，增加模具的成本。因此，如何有效的改善预硬 型塑料模具钢的机械加工性能一直受到广泛关注m 2 1 2 3 1 。据统计，塑料模具的加 工费用占到了整个模具生产成本的6 0 以上，这充分说明塑料模具钢的可加工性 至关重要，而对于预硬型塑料模具钢来说，切削加工性能的提高迫在眉睫，必须 考虑到影响其加工性能的各种因素。 1 3 1 化学成分的影晌 碳它对可切削性的影响，可联系碳对钢的力学性能的影响来研究。钢中 含碳量在o 8 以下范围内增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这对可切削 性是有正有负具有双重性的，要进一步根据具体含碳量分析，例如，对含碳量小 于o 1 5 的铜，韧性很高，在切削过程中频繁出现积屑瘤，与刀具前面粘结，使 已加工表面粗糙，而排出的切屑又是带状的，很难脆断，造成刀具发热变钝，迫 使切削速度降低，这些说明其可切削性是不好的。当含碳量为o 3 5 左右，硬度 适当的升高，韧性下降，综合力学性能好，切削也容易折断，其可切削性是良好 的。如果含碳量大于0 5 ，则进一步升高了强度、硬度，这种过高的力学性能使 加工困难，可切削性又变劣。可以看出，较低含碳量增d n f i 目的塑性、韧性，较高 上海大学硕士论文 太截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 的含碳量提高钢的硬度、强度，两者对可切削性都不利。 硫它是最有助于改善可切削性的元素，它在钢中以非金属夹杂物硫化锰 的形态呈细微质点分布于金属的基体内，由于硫化锰的可塑性，经过轧压后被延 伸为条状，它与金属基体组织的结合力很弱，加之低的力学性能，造成了金属的 脆性，使切削很易脆断分离，切削产生的热随之被带走，切削速度得到提高。而 切削速度的提高、切削韧性的减低以及硫化锰在切削过程中还有润滑作用，减少 了摩擦、擦伤。从而获得了较平的、光洁的加工表面。所以硫对可切削性是有特 别良好作用。 磷它存在于铁素体的固溶体内，对可切削性的影响也可联系它对力学性 能的影响来研究。钢中含磷量增加，钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。当 含磷量达到0 2 5 时，除强度、硬度略有提高，塑性下降很小外，韧性是剧烈的 下降的，减小到仅为原来的1 3 0 ，使钢的性能变脆，这是由于磷原子与碳原子有 巨大差异，因此使晶格发生很大歪扭。根据这种情况，从改善可切削性着眼，生 产实践证明，将钢中含磷量控制在0 1 5 以下，可造成“加工脆性”，切屑易于分 离，切削速度可提高，加工表面光洁，可切削性良好。当含磷量大于0 2 时，钢 的脆性剧烈增加，可切削性变劣。 锰钥中锰的含量增加，钢的强度、硬度提高，韧性下降，它对可切削性 的影响与碳、硫的影响有关。当钢的含量小于o 2 时，锰的含量在1 5 以下范 围内增加，对可切削性有改善。锰的含量大于1 5 或含碳量增加，可切削性交劣。 锰又能使硫化物形成一种危害性小的形状而改善可切削性。一般而言，钢中含锰 量在0 7 - 1 时可切削性较好。高的含锰量使刀具剧烈磨损。 硅它溶解在铁素体的固溶体内，能提高钢的硬度，提高的程度较磷高、 较锰低。当钢中含硅量小于1 时，在提高硬度的同时塑性下降很小，对可切削性 略有不利。如果硅形成了硬质的、有磨料作用的非金属夹杂物s i 0 2 时，钢的切削 加工便发生困难，因为刀具刃口遇上了这些尺寸粗大的硬的磨料质点很快就被磨 损变钝，故可切削性变劣。此外，含硅量的增加，还能使导热系数下降，这也时 可切削性下降。 铝当含量少时，在钢中形成粗大的非金属夹杂物a 1 2 0 3 ，它和s i 0 2 一样， 硬度高，又磨料作用，会加速刀具的磨损。当含量多时，它会溶入铁素体的固溶 7 上海大学硕士论文 大截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 体内，使刀具切入困难。因此，钢中的铝是使可切削性变劣的。 镍它对可切削性的影响很大，溶入铁素体的固溶体内，使钢的强度增加 的同时提高了韧性，热强性增加，导热系数下降，使可切削性变劣。当镍的含量 大于8 时，就形成了奥氏体钢，加工硬化倾向大，可切削性就更劣。 铬它对可切削性的影响从刀具耐用度指标来看是变劣的，但不及镍大。 它既溶入铁素体的固溶体内，又形成碳化物，因而发生着互相矛盾的影响。当含 量不大于0 5 是时，可略去不计。高铬的钢因为强度、硬度增加，可切削性下降。 但即使含量达到1 3 ，也不会形成奥氏体钢。从光洁度指标来看，铬能降低韧性， 容易得到好的表面质量。 钼它会使钢的硬度增加，塑性下降。当含量在0 1 5 。0 4 范围内，对可切 削性略有改善。大于0 5 ，热强性增高，导热系数下降，使可切削性降低。在淬 火硬度较大的钢中，增加钼含量可切削性得到改善。 铜它溶入铁素体的固溶体内，使钢的可切削性略有下降。 1 3 2 组织的影晌 1 3 2 1 基体组织的影响n ” 钢的基体组织有：铁素体、渗碳体、珠光体、索氏体和屈氏体、马氏体、奥 氏体、魏氏组织、带状组织等，它们对钢的可切削性的影响，分述；n t ： 铁素体 铁素体是碳溶于n f e 的固溶体。在铁素体的固溶体中，不仅含有碳，还含 有硅、锰、磷以及其它合金元素。它的力学性能决定于固溶体中所存在的元素的 数量，大致为h b = 5 0 9 0 、o 。：1 8 6 2 4 5 m p a 、6 = 4 0 5 0 、1 l r ：6 0 7 5 。可 以看出，铁素体的硬度很低，韧性很高。切削加工时，虽然切削力小，刀具不易 被损伤，但是由于切屑易与刀具前面粘结，受到的热磨损很大，这就迫使切削速 度下降。而粘结生成的积屑瘤，又造成了工件表面质量的恶化。因此铁素体的可 切削性并不好。但是，随着晶粒度粗化或通过冷变形手段，韧性将显著下降，可 切削性会得到改善。 渗碳体 8 占童查兰堡圭堡苎 查塑亘堡堡型望塑蔓墨塑! ! 堡坚! 坚! 坚! 塑塑塑三丝堑堕 渗碳体是铁和碳的化合物( f e 3 c ) 。在渗碳体中，也可溶入铁、铬、锰等其它 元素。当铁溶入后，硬度降低。而铬、锰等形成碳化物的元素溶入后，硬度增加。 渗碳体的力学性能大致为h b = 7 5 0 8 2 0 、os = 2 9 3 5 m p a 、d o 。因为渗碳体具 有又硬又脆的特征，如钢中含渗碳体量越多，刀具被擦伤和磨钝越严重，可切削 性越恶化。但是，通过热处理方法球化退火后，使渗碳体由网状的、片状的变为 小的，圆的形状混和在软的基体中，在切削过程中变切开为推开，就可改善可切 削性。 珠光体 珠光体是由片状渗碳体和铁素体相间构成的共析物。在几乎不含有杂质的铁 碳合金中当含碳量为0 8 时，得到全部珠光体组织。在含有硅、锰等其它元素的 钢中，含碳量较低也会得到全部珠光体。通过热处理方法，层片状珠光体可转变 为球状珠光体。 珠光体的力学性能随渗碳体的形状、分散度而变化，不同形态珠光体的性能 大致为：普通层片状珠光体o 。= 8 0 4m p a ，6 = 1 5 ；粗大层片状珠光体0 。= 5 3 9 m p a ，6 = 5 ；球状珠光体0 。= 6 1 8m p a ，6 = 2 0 ；细粒球状珠光体0 。= 1 3 0 4m p a ，6 = 1 1 。珠光体的硬度h b = 1 6 0 2 6 0 ，同样是由渗碳体的形态、分散 度所决定。 由于珠光体具有适当的硬度，不高的韧性，如果钢的组织为珠光体+ 铁素体 的量相近时，可切削性良好。 索氏体和屈氏体 具有粗大层片状全部珠光体组织的钢，是在7 1 0 时叵温转变的产物，硬度 约为h b = 2 0 0 左右。随着恒温转变温度的降低，例如在6 5 0 。c 转变时，得到的不是 粗大层片状而是细密组织，层片与层片之间尺寸缩小，层片数目增加，这种产物 称索氏体，硬度约为h b = 3 0 0 左右。又如在5 5 0 c 转变时，得到的组织更为细密， 称为屈氏体，硬度约为h b = 4 0 0 左右。由此看出：珠光体、索氏体、屈氏体所不 同的仅为渗碳体分散程度的区别，实质上同属珠光体类组织，由于渗碳体的高度 分散，造成了高的硬度。 索氏体因为组织的分散度高，韧性小，在进行精加工时可得到良好的表面质 量。但硬度比珠光体高，切削速度下降，约为4 5 号钢( 珠光体+ 铁素体) 的i 2 上海大学硕士论文 丈截面预磋型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 左右。而屈氏体比索氏体有更高的硬度，切削速度更低，约为4 5 号钢的1 3 左右。 当钢中含有少量合金元素，在空气中冷却时，也可形成珠光体。在常化状态 下具有珠光体组织的钢，称为珠光体类钢。 马氏体 被加热到奥氏体状态的钢转变为珠光体、索氏体及屈氏体是一个扩散过程， 其间的差别仅在于析出渗碳体质点的大小不同。而奥氏体转变为马氏体是非扩散 的，没有在形成珠光体类组织时的渗碳体析出现象。在冷却速度达1 5 0 秒及更 高时形成含碳过饱和的铁素体，造成了晶格的巨大歪扭，称为马氏体。马氏体不 容易形成1 0 0 ，总有若干数量的奥氏体残留未变，马氏体具有高的硬度和脆性， 而硬度的高低决定于含碳量。含碳小于0 1 5 的马氏体硬度不大于h b 4 5 0 ，切削 速度约为4 5 号钢的i 3 左右。含碳大于0 4 5 的钢马氏体硬度达h b 6 0 0 以上，切 削速度约为4 5 号钢的1 1 0 ，可切削性很差。 当钢中含有大量合金元素在空气中冷却时也可形成马氏体。在常化状态下具 有马氏体组织的钢，称为马氏体钢。 奥氏体 在合金钢中，当某些合金元素( 如镲、锰等) 的含量超过一定限度时，就可 在常温下得到奥氏体组织，它的力学性能约为h b - - - - - 1 6 0 、6 = 6 0 。这种低硬度高 韧性的特性，已经是不利于切削加工了，而又加上大量合金元素溶入奥氏体，造 成固溶体的过饱和合金化，切削变形时加工硬化很大，这就更增加了切削加工的 困难。因此，具有奥氏体组织的钢，可切削性是十分低劣的。 魏氏组织 亚共析钢或过共析钢在加热过高，在一定的冷却速度下形成魏氏组织。魏氏 组织除具有粗大晶粒度的特征外，还有使在亚共析钢中的铁素体和过共析钢中的 渗碳体以针状形式穿过珠光体沿晶面构成特殊分布的特征，它破坏了珠光体的连 续性，使韧性下降，对低碳钢而言，造成了最好的可切削性。 带状组织 两相组织以迭层形态出现称带状组织。它是由于枝晶偏析的存在而在轧制后 使枝状延伸成为带状的。在亚共析钢中，表现为铁素体和珠光体的迭层相间，当 迭层的间距小于0 0 2 5 n m ，对可切削性下降的影响不大。问距大于0 】m m ，可切削 1 0 上海大学硕士论文 大截面预硬型塑料模具钢3 c f 2 m n n i m o 切削加工性能研究 性变劣，加工表面粗糙，尤其是在切齿、拉削时，带状组织的不良可切削性应予 重视。 1 3 2 ，2 钢中非金属夹杂物的影响 铁及合金元素生成的氧化物、硫化物、硅酸盐等一般都不具有金属性或者金 属性极弱，正常金属生成的碳化物、氮化物也不具有金属性。在钢中，这些非金 属相成为非金属夹杂物。它们常常有着复杂的成分、结构与性能，并随钢中一系 列化学成分和一系列冶炼过程的条件而变化。可以把钢中常遇到的非金属夹杂物 分为以下几类： 1 ) 氧化物 有简单的氧化物，如f e o 、m n o 、t i o 、s i o 、a h 0 3 、c r 2 0 3 、f e o 、m n o ：也有复 杂的氧化物，如m g o a 1 2 0 3 、m n o a 1 2 0 3 等。氧化物的特点是性脆易断裂，一般无 可塑性，只有f e o 和m n o 有低的可塑性。所以，这些氧化物在钢材轧锻以后，沿 加工方向呈链状分布。氧化物对于加工性能损害很大，常常使刀具因为磨料磨损 而失效。 2 ) 硫化物 钢中常见的有f e s 、m n s 等，它们具有高的可塑性，热加工时沿钢材加工方向 强烈地伸长，是提高加工性能的有利因素，在锻件中，顺延伸方向成长条状存在。 3 ) 硅酸盐 硅酸盐成分复杂，是钢中最常见的一一类非金属夹杂物。硅酸盐夹杂物有易变 形的，如2 m n o s i 0 2 、m n o s i 0 2 ，与硫化物相似，沿加工方向伸长，呈线段状； 也有不易变形的，如各种不同配比的a 1 2 0 3 、s i 0 2 和f e o 等，与氧化物相似，沿加 工方向呈链状分布。定量评级时，脆性硅酸盐以氧化物评级，而塑性硅酸盐以硫 化物评级。还有一类硅酸盐夹杂，经加工后是不变形的，以点( 球) 状存在，称 为点状不变形夹杂物，如s i 0 2 、c a o s i o z 等【2 5 】。 塑料模具钢中的夹杂物主要是硫化物和氧化物及硅酸盐。钢锭中的夹杂物形 态是各种各样的，往往成圆球状或角状体，经过锻造等工艺后，夹杂物同基底金 属一起承受形变应力，而可能产生变形。很多人对夹杂物的形变特性进行了研究。 上海大学硕士论文 大截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 根据形变特性，一般将夹杂物分为三大类： ( 1 ) 由于加工而产生塑性变形的：如硫化物，多数硅酸盐等：在钢锭中，顺延 伸方向成长条状分布。 ( 2 ) 由于加工而成不连续的粒状排列的：主要是铝的氧化物；在钢锭中成链状 或者沿着延伸方向成点状集团式存在。 ( 3 ) 加工中不变形的：大部分氧化物和氮化物等，在钢锭中以不规则的点状存 在。 非金属夹杂在液态金属的各不同阶段及凝固过程中都会出现，以前对液态金 属中夹杂物的形成已有比较深入的研究，但是对钢凝固过程中非金属夹杂的继续 形成缺乏深入了解掌握，目前在钢凝固过程中对非金属夹杂物沉淀析出的计算机 模型研究取得了一定进展。1 2 6 】 众多研究表明f 2 w 0 1 ，夹杂物的类型，含量，颗粒大小、形态及其在基体中的 分布情况均会对钢的性熊产生一定的影响。高硬度、高熔点夹杂物( 如a i z 0 3 等氧 化物夹杂) 对切削性能的危害是不言而喻的，而m n s 等硫化物夹杂可提高钢的易 切削性也早已为研究所证实。不过，对这类易切削相的面积分数，、形态 ( 长宽) 、 尺寸l 和分布对钢切削性能的影响做出评价是近年来的研究成果。要在前人的基 础上提高国产预硬型塑料模具钢( 3 c r 2 m n n i m o ) 的切削加工性能，有必要对钢中 的非金属夹杂有个较详细的了解。 1 ) 硫化物 s i m s 根据铸态硫化物的形态及分布将钢中硫化物分为三类： i 类球状，无规则分布，可以是单纯的硫化物或硫化物和氧化物的复合物。 1 i 类枝晶状，延晶界分布。 i i i 类块状，无规则分布，单相。 b a k e r 和c h a r l e s 认为 0 2 0 0 p p m 时，硫化物为l 类， 0 l o o p p m 时为 i i 类， 0 更低时为类。a a n k s 和g l a d m a n 认为氧含量的降低是i 类向i i 类转化 的根本原因。k i e s s l i n g 认为a i o ，0 5 时，得到i i 类硫化物。 钢中不希望出现i i 类硫化物，要控制钢中硫化物形态，须维持钢中o s 比在 1 2 上海大学硕士论文 大截面预硬型塑料模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性能研究 较高的水准。一种方法是降低硫含量( s 1 0 l o - 4 ) 。1 3 5 1 1 4 塑料模具钢的国内外研究进展 目前，大型塑料模具般采用预硬化钢【3 3 】。它是在钢厂预先热处理到一定硬 度的钢材，然后直接由用户进行切削加工成型，不再进行热处理淬硬。这类钢是 在含0 3 o 5 c 的基础上加入适当的c r 、m n 、n i 、m o 、v 、等元素制成，一般 经过充分锻打后制成模块，预先热处理至要求的硬度后，供使用单位制模。供货 状态的模块整个截面强度均匀，约1 0 0 0 m p a 1 ”。预硬化钢模具的优点是热处理没有 产生变形的危险。另一方面，由于这类钢必须在预硬化状态下加工，耐磨性和抗 压强度必须低于其他模具钢。p 2 0 是国外使用最广泛的预硬型塑料模具钢，p 2 0 的 淬火温度为8 3 0 8 7 0 ，油中淬火，回火温度范围为5 5 0 6 0 0 ，预硬至3 0 3 5 h r c ，p 2 0 钢( 即3 c r 2 ) 已列入我国合金工具钢标准( g b l 2 9 9 - - 8 5 ) 3 7 1 ，并 为一些工厂采用。 为了改善预硬塑料模具钢的切削性能，可加入易切削元素。美国，日本，德 国都发展了一些易切削预硬钢，国外易切削钢主要是s 系【7 l ，也有s s e 系，但s e 价格较贵，s 系易切削钢在低，中速切削条件下具有良好的被切削性，但热变形后 沿变形方向伸长的m n s 增加了钢材的各向异性，显著降低钢的横向塑性和韧性， 在截面增大时，硫化物的偏析比较严重，因此德国开发了经钙处理的塑料模具铜， 但其被切削性能不如含硫钢。 目前世界上许多国家如美国、日本、瑞典等均有专门用于制造塑料模具的钢 材系列，如美国现行的a s t m a 6 8 1 标准中，塑料模具钢为p 系列，包括7 个钢号； 日本大同特殊钢株式会社有1 3 个塑料模具钢号，使用者可以根据所加工的塑料制 品的形状、数量、复杂程度、塑料的种类等因素选择适当的钢材制造模具【2 38 1 。 目前东南亚和港台地区广泛应用的是p 2 0 的改进型即瑞典联合钢公司生产的 a s s a b 7 1 8 钢，其主要差别在于n i 含量。由于n i 含量约1 ，提高了钢的淬透性， 故该钢材淬透厚度可达1 0 0 0 m m ，调质后可在大截面尺寸保持硬度均匀一致，即使 带深腔的模具也可以获得合适的强度和硬度。如德国生产的2 3 1 1 钢( 相当于p 2 0 钢) 可制造厚度达4 0 0 m m 的模具，而加入约1 的n i 之后，即2 7 3 8 ( 相当于7 1 8 上海大学硕士论文 大截面预硬型塑科模具钢3 c r 2 m n n i m o 切削加工性s 研究 钢) ，其淬透厚度高达1 0 0 0 m m n 1 ，同时它对耐塑料制品腐蚀性有好处。对于热塑 性塑料，无论是一般注塑料或流体塑料、耐蚀耐高温塑料，还是生产量从数万件 到数百万件，均可以将a s s a b 7 1 8 钢作为首选的机加工型腔模具材料。它具有优 良的抛光和耐腐蚀性能，良好的机船工性能，可以表面氮化或局部火焰淬火来减 少表面磨损。它不仅可以做注塑模，还可以用来制作挤出模、吹塑模、成型工具、 结构件和轴等，是一种通用性很强的优质塑料模具钢 1 5 j 。 瑞典a s s a b 研究开发的塑料模具材料很多，其中既有多种中碳合金钢，也有 高碳粉末冶金合金钢还有高硬度的铝合金铜钱合金。瑞典的模具钢非常纯净( 有 害元素，夹杂物含量很低，偏析小) ，晶粒细小，达到很高的质量水平【1 3 。 国内常用的塑料模具钢般分为两类。一类是在正火状态下使用的中碳钢， 如国产4 5 ”，进口的$ 5 0 c 和$ 5 5 c ( 相当于5 0 4 和5 5 4 钢) ，其硬度通常在h b l 8 0 2 2 0 ，为避免热处理变形，往往在正火状态下进行冷加工后直接使用，其模具的硬 度低，耐磨性差、模具型腔表面光洁度低，所生产出来的塑料锱品质量差，主要 用于塑料模架及型腔技术性能要求不高的模具；另一类是调质态下使用的p 2 0 系 列钢种。p 2 0 属于中碳c r m n m o 系低合金钢，是美国牌号，相当于国产3 c r 2 m o 钢，其碳含量在0 。3 5 0 4 5 w t 之间，加入c r 、m n 、m o 等合金元素可提高淬透性。 调质处理后，表面与心部的硬度差距比上述中碳钢小得多，其硬度通常在h b 2 8 0 3 3