第9章模具钢的冶炼ppt课件.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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.

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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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注的自耗电极表 面，存在一层氧化物薄层。其中包括FeO、Si02、MnO、Cr203等氧化物。重熔时，这一层氧化膜熔人熔渣，将增加钢中含氧量与夹杂物数量。(5)降低电渣重熔渣层上方氧分压重熔时，可在渣层上方用氩气或氮气进行 保护。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,3.钢液喷粉处理

18、降低模具钢中非金属夹杂物利用惰性气体作载体，通过专用喷粉装置将CaF2-CaC2粉剂喷人感应炉内，对 钢液进行脱氧与脱硫，达到精炼的目的。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,9.3.4模具钢中硫和磷含量的控制1.硫、磷对模具钢性能的影响模具钢中，磷和硫在钢液凝固过程中，分别以低熔点共晶 沿晶界析出，产生晶界脆化，降低钢的塑性。局部磷、硫偏析区会产生裂纹，降低 钢的力学性能。(1)磷、硫含量对模具钢热疲劳性能的影响随着钢中磷、硫含量的降低，钢中热 裂纹数量和裂纹平均长度均明显的下降。(2)磷、硫对模具钢冲击軔度的影响磷、硫能降低热作模具钢的冲击韧度。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,2.降低模

19、具钢中含硫量的措施及脱硫能力的分析双联法冶炼模具钢时，可能采取的脱硫措施及其脱硫率，以及所能达到的含硫 量列于表9-16。表9-16双联法冶炼中、高碳模具钢时的脱硫能力,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,3.高碳高铬冷作模具钢喷粉脱硫(1)钢液喷粉设备喷粉用的粉剂装人喷粉罐6内，载体氩气自氩气瓶11经减压后进人喷粉嘴3,将罐内粉剂经钢管2，以一定压力喷人钢液进行脱硫反应。喷粉时，感应炉1的顶 部设一防喷溅罩，喷粉用钢管自罩顶开孔伸人钢液。钢管为耗品。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,(2)喷粉脱硫的原理由氩气作载体吹人钢液的CaC2-CaF2粉剂，在高温下 CaC2发生分解，析出金属钙同硫结

20、合(3)喷粉脱硫的操作要点1)粉剂的准备。2)输送用气体。3)喷吹时间和粉剂用量4)喷粉脱硫的操作安全。(4)喷吹过程钢液化学成分的控制熔清后除去熔化期炉渣，造新渣以萤石为 主，加质量分数为30%左右的石灰，形成流动性良好的薄渣层。提升钢液温度到 1560 1580，取样品进行化学分析后，准备喷粉脱硫。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,4.中碳热作模具钢的喷粉脱硫喷粉脱硫是简便有效的脱硫方法，在中碳、高碳低合金钢的脱硫中得到有效的 利用。这种脱硫方法完全可以用于中碳热作模具钢。5.电渣重熔降低模具钢中含硫量（1）电渣重熔的脱硫效果 通过高CaF2-A1203渣系和CaF2-Al203-Ca0

21、渣系重熔之后，钢中含硫量大幅度下降，脱硫率达到 30%60%。热作模具钢的脱硫率达到40%60%，随着原始钢中含硫量的升高，脱硫率增加。经过电渣重熔钢中硫化物夹杂明显下降，颗粒被细化。（2）电渣重熔过程钢中含磷量的变化中、高合金钢和热作模具钢，经电渣重 熔之后，钢中含磷量呈增加趋势。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,6.高碳高铬模具钢的强还原渣脱磷以下内容介绍强还原性CaC2-CaF2渣脱磷工艺。（1）强还原渣脱磷的基本原理1）渣中CaC2高温分解反应。在渣层上空强还原性或中性气氛下，当钢渣温度 达到1500 1600时，CaC2将发生以下分解反应：(CaC2)(g)=Ca(g)+2 C反应

22、产物碳被钢液吸收，轉参与脱磷反应。2)钙与钢液中磷的化合反应。钙与磷按下式反应形成磷化钙：3Ca(g)+2 P=Ca3P2(L)3)脱磷产物磷化钙上浮进人炉渣。Ca3P2(L)=(Ca3P2)(L)4)将含有磷化钙的炉渣、从炉内清除出去，并进行氧化处理。因为，Ca3P2 与水接触后会产生剧毒气体PH3，对人体造成危害。必须对炉渣进行吹氧处理分解 Ca3P2。氧化反应如下：(Ca3P2)(s)+4O2(g)=P2O5(s)+3CaO(s),9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,(2)强还原渣脱磷的操作步骤脱磷的操作过程1)对钢液进行深度脱氧和脱硫。2)造强还原脱磷渣。3)渣层上空保持还原性或中性气氛

23、。4）促进钢渣界面的脱磷反应。5）结束脱磷操作。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,（3）钢液化学成分的控制强还原渣脱磷过程中，钢液化学成分的变化如图所示脱磷期间，钢液中铬、锰含量不变，硅含量微升；磷、硫含量下降，碳含量明显升高。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,（4）影响强还原渣脱磷效果的因素 采用CaC2-CaF强还原淹脱磷时，为了取 得良好的脱磷效果，应重视下列问题。1）渣中CaF2含量（质量分数）应保持在20%30%，主要起降低渣熔点和磷化钙的活度，提高脱磷效率的作用。2)渣中MgO(质量分数）含量应小于 10%,其他不稳定氧化物如FeO、MnO、Si02的含量应尽量低控。MgO含量

24、（质量分 数）超过10%会显著降低脱磷率。3)碳化钙的使用量应同钢中含碳量相适 应。4)原始含磷量与脱磷率的关系。5)脱磷炉渣的吹氧处理与钢液回磷。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,9.3.5稀土元素改善模具钢的性能热作模具钢中加人少量稀土元素，可以起到改善碳化物和夹杂物的形态、细化 钢的晶粒、净化和强化晶界等作用，从而提高模具钢的力学性能。1.稀土元素细化晶粒的作用少量稀土元素还能抑制高温奥氏体晶粒长大，使淬火后钢的组织更 加均匀和细化。最终提高了钢的强度和韧性。2.稀土元素净化晶界作用稀土元素 可以降低有害杂质元素在晶界中的含量，对晶界起到净化作用。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,9

25、.3.6模具钢钢锭的冷却与退火处理模具钢钢锭包括模铸钢锭和电渣重熔钢锭，都必须重视钢锭的冷却与退火。否 则将会造成不必要的损失。1.钢锭的脱模与缓冷大部分模具钢属于中、高碳合金钢。钢液在锭模内凝固阶段产生很大的体积收 缩，高碳高铬模具钢会达到10%以上。巨大的体积变化将产生很大的收缩应力。凝固后，钢锭自高温冷却过程中，又发生组织转变而产生很大的应力。2.模具钢钢锭的退火处理钢锭的退火处理是一项重要的生产工序。对于模具钢钢锭尤其重要。通过退火 处理达到以下三个目的：1）消除钢锭内部积蓄的内应力，减少内部产生裂纹或开裂的几率。2）降低钢锭表面金属硬度，便于钢锭修整与清除表面缺陷。3）改善钢锭凝固过

26、程中，产生的结晶组织缺陷和杂质元素的偏析。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,9.3.7真空感应炉与电渣重熔双联法冶炼模具钢为了适应塑料模具钢的发展，要求提高模具用钢的纯净度，降低钢中非金属夹 杂物含量；提高钢的致密度，减少疏松和偏析。为此，真空感应炉结合电渣重熔的 双联法，将成为高纯净塑料模具生产的最佳工艺选择。1.镜面塑料模具钢对冶金质量的要求（1）钢中非金属夹杂物含量要低夹杂物中脆性夹杂对模具抛光性能影响最 大，其次是塑性硫化物夹杂。（2）钢的致密性要高镜面塑料模具用钢，要求钢的低倍组织致密；钢中杂质 元素形成的疏松、偏析少；碳化物偏析少；碳化物细小分布均匀（3）钢的硬度要高而均匀模具钢

27、硬度高低，取决于钢中含碳量和碳化物形成 元素含量。硬度均匀与否，则决定于碳化物在钢中分布的均匀性。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,2.真空感应炉冶炼镜面塑料模具钢的操作要点真空感应炉冶炼，以3Cr2NiMnMo(718)为例，介绍操作要点。(1)冶炼用原材料的选择冶炼原材料包括：原料纯铁、铬铁、钼铁、电解 镍、电解金属锰、增碳材料等。要求原材料清洁少锈蚀，磷、硫和夹杂物含量低。(2)降低钢中氧和非金属夹杂物含量钢中溶解氧的含量极低，绝大部分是以 氧化物夹杂形式存在。降低钢中非金属夹杂物采取的措施如下：1)加强熔化期钢液脱氧操作。2)加强精炼期内碳脱氧操作。3)浇注自耗电极应采用挡渣器，防止

28、少量熔渣进人电极棒锭。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,(3)精炼期操作要点熔化期末钢液沸腾平静后，冶炼转向精炼。首先，提高 钢液温度和冶炼真空度。当温度达到1560 1580，真空度达到l3Pa时，冶炼 进人精炼期。其操作要点如下：1)取分析试样。2)控制钢液精炼时间。3)调整碳、硅、锰等元素含量。(4)钢液的预熔渣脱硫将预先熔化制备的含CaO=80%(质量分数）、CaF2=20%(质量分数）脱硫渣粉（05mm)约0.2%加入钢液表面，搅拌钢液进行 脱硫。,9.3模具钢的冶炼工艺与操作要点,3.镜面塑料模具钢电渣重熔操作要点（1）降低钢中非金属夹杂物的措施钢中非金属夹杂物，对镜面塑料模具钢的 抛光性能和模具表面粗糙度产生极为不良的影响。（2）提高电渣重熔镜面塑料模具钢的脱硫率钢中含硫量对模具表面粗糙度带 来极为不良的影响。,