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铝材挤压模具材料的化学成份分析

来源:大沥铝材商务网  作者:*  日期:2011-1-17
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  引用:铝型材热挤压模具的断裂问题进行了失效原因分析及工艺分析 .利用回归正交设计法安排了 8组工艺实验 ,测试了钢材的断裂韧性 (KIC) ,冲击韧性及其硬度 ,并建立了上述指标与主要热处理工艺参数间的数学表达式 .在此基础上 ,对现行的生产工艺进行了改进 ,消除了热挤压模具的早期断裂 ,并使其使用寿命显著提高 。
  铝材挤压模具钢材的化学成分及其作用
  ⒈挤压模具的碳(C):钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

  ⒉常存杂质元素
模具钢材除含碳以外,还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氢(H)等元素。这些元素并非为改善模具钢材质量有意加入的,而是由矿石及冶炼过程中带入的,故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响,为了保证模具钢材的质量,在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。

  ⑴硫(S):硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素,使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性;硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中,FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150~1200℃以上,所以当钢材在锻造和轧制等热加工时,由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂,这种现象称为“热脆”。含硫量愈高,热脆现象愈严重。硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢:S<0.02%~0.03%;优质钢:S<0.03%~0.045%;普通钢:S<0.055%~0.7%以下。在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。

  ⑵磷(P):磷是由矿石带入钢中的,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称\"冷脆\"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏;含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢:P<0.025%;优质钢: P<0.04%;普通钢: P<0.085%。

  ⑶挤压模具的锰(Mn):锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的MnS,一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力,能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣,从而改善钢的品质,特别是降低钢的脆性,提高钢的强度和硬度。因此,锰在钢中是一种有益元素。一般认为,钢中含锰量在0.5%~0.8%以下时,把锰看成是常存杂质。技术条件中规定,优质碳素结构钢中,正常含锰量是0.5%~0.8%;而较高含锰量的结构钢中,其量可达0.7%~1.2%。

  ⑷硅(Si):硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去,因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%~0.37%,沸腾钢中只含有0.03%~0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影响不大。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1-4%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。硅量增加,会降低钢的焊接性能。

  ⑸挤压模具的氧(O):氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和进行脱氧,但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式,使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

  ⑹氮(N):氮能提高钢的强度,低温韧性和焊接性,增加时效敏感性。铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮,在放置较长一段时间后或随后在200~300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出,并使钢的硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理,使氮固定在AlN、TiN或VN中,可消除时效倾向。

  (7)挤压模具的氢(H):钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现,在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点;在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点,使用时会发生突然断裂,造成不测事故。因此,化工容器用钢,不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时,氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时,氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出,就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力,这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹,即白点。

  ⒊为了合金化而加入的合金元素,最常用的有硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、硼(B)、铜(Cu)、铝(Al)、稀土(Xt)等。现分别说明它们在钢中的作用。

  ⑴挤压模具的硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂,所以镇静钢含有0.15-0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1-4%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。硅量增加,会降低钢的焊接性能。硅在钢中的作用:①提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低;②硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比;③耐腐蚀性。硅的质量分数为15%一20%的高硅铸铁,是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成一层SiO2薄膜,从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点:使钢的焊接性能恶化。

  ⑵挤压模具的锰(Mn):在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30-0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11-14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。锰在钢中的作用:①锰能提高钢的淬透性;②锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用;③锰对钢的高温瞬时强度有所提高。缺点:①含锰较高时,有较明显的回火脆性现象;②锰有促进晶粒长大的作用,因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服;③当锰的质量分数超过1%时,会使钢的焊接性能变坏;④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。

  ⑶挤压模具的铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢,耐热钢的重要合金元素。铬在钢中的作用:①铬可提高钢的强度和硬度;②铬可提高钢的高温机械性能;③使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性;④阻止石墨化;⑤提高淬透性。缺点:①铬是显著提高钢的脆性转变温度;②铬能促进钢的回火脆性。

  ⑷镍(Ni):镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。镍在钢中的作用:①可提高钢的强度而不显著降低其韧性;②镍可降低钢的脆性转变温度,即可提高钢的低温韧性;③改善钢的加工性和可焊性;④镍可以提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。

  ⑸挤压模具的钼(Mo):钼能使钢的晶粒细化,提高淬透性和热强性能,在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变)。结构钢中加入钼,能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红硬性。钼在钢中的作用:①钼对铁素体有固溶强化作用;②提高钢热强性;③抗氢侵蚀的作用;④提高钢的淬透性。缺点:钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。

  ⑹钨(W):钨熔点高,比重大,是贵重的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工具及锻模具用。钨在钢中的作用:①提高强度;②提高钢的高温强度;③提高钢的抗氢性能;④是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。

  ⑺钒(V):钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。钒在钢中的作用:①热强性;②钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。

  ⑻钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力;降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。钛在钢中的作用:①钛能改善钢的热强性,提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度;②并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上,在珠光体低合金钢中,钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此,钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。

  ⑼挤压模具的铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。铌在钢中的作用:①铌和碳、氮、氧都有极强的结合力,并与之形成相应的极为稳定的化合物,因而能细化晶粒,降低钢的过热敏感性和回火脆性;②有极好的抗氢性能;③铌能提高钢的热强性
  ⑽硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。硼在钢中的作用:①提高钢的淬透性;②提高钢的高温强度。强化晶界的作用。

  ⑾铜(Cu):铜能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。

  ⑿铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。铝在钢中的作用:①用作炼钢时的脱氧定氮剂,细化晶粒,抑制低碳钢的时效,改善钢在低温时的韧性,特别是降低了钢的脆性转变温度;②提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究;4%AI即可改变氧化皮的结构,加入6%A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时,其抗氧化性能有更大的提高。例如,含铁50%一55%、铬30%一35%、铝10%一15%的合金,在1400C高温时,仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用,近年来,常把铝作为合金元素加入耐热钢中;③此外,铝还能提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。缺点:①脱氧时如用铝量过多,将促进钢的石墨化倾向;②当含铝较高时.其高温强度和韧性较低。

  ⒀挤压模具的钴(Co):钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料。

  ⒁挤压模具的稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很象“土”,所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土,可提高耐磨性。

  总之铝材挤压模具材料的化学成份的搭配非常重要也很关键。因此在铝型材挤压模具的设计时注意选材
  模具钢化学成分的检测
  1、碳硫元素的检测:LC-CS3系列高速碳硫分析仪,LC-CS5系列高速碳硫分析仪,LC-CS6系列高速碳硫分析仪,LC-8A型电脑高速碳硫分析仪
  2、非碳硫元素的检测:LC-BS系列智能多元素分析仪,LC-8B型电脑多元素分析仪
  3、模具钢全元素检测:LC-8型电脑多元素联测分析仪做全分析或是指定元素的分析,如C、S、Si、Mn、P、Cr、Mo、V、Ti、Ni、W等中的全部或几项。
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