模具失效与防护第三章

第三章模具的选材及热处理据调查表明，模具失效的因素中，模具的材料和热处理是影响寿命的主要因素，其比例约占70％。模具的失效因素第一节模具材料概述一、模具材料的分类1.按模具类别的不同分：冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、其它模具材料。2.按材料的类别分：二、模具选材的一般原则三、模具选材的具体考虑因素（一）模具的工作条件因素1.载荷的受力大小、速度（冲击状况）受力大，材料要求强度高；冲击大，则韧性要求好。2.工作温度模具的工作温度不同，材料的抗热性能要求也不同。3.腐蚀情况腐蚀严重时，要考虑不锈钢类材料。（二）模具的失效因素（三）模具所加工的产品因素1.产品批量的大小2.产品质量的高低3.产品的材质（四）模具的结构因素1.模具的大小2.模具的形状3.模具的不同组件、不同部位1）不同组件模具组成：工作零件与辅助零件。工作零件：直接与加工材料接触，要求材料性能比辅助零的高。2）不同部位工作部位（型面或刃部）：硬度、耐磨性、抗热性等要求更高。非工作部位（模体）：硬度、耐磨性、抗热性等可适当降低，但要保证一定的强韧性，有时可采用表面强化或组合、镶嵌结构。（五）模具的制造工艺因素（六）模具的设计因素1.不同模具采用不同结构材料2.低级材料强化处理四、模具材料的发展趋势1.由于压力加工工艺迅速发展、新工艺不断出现、对模具的各种要求越来越高，所以对模具材料的性能要求也越来越高。2.近年来，模具热处理新技术，特别是表面强化处理工艺发展很快，出现用碳钢及低合金钢等低级材料进行表面强化处理代替高合金钢的动向。3.根据生产发展需要和本国资源情况，模具钢号不断筛选精简、补充更新。4.当前模具材料以工具钢为主，也使用高强度结构钢、粉末冶金材料、有色金属和塑料等。第二节冷作模具的选材及热处理一、冷冲裁模材料及热处理1.工作条件主要受冲击力、剪切力。而模具的刃部可看成特殊的剪刀，承受冲击、剪切、弯曲和挤压（冲头），并产生强烈摩擦。2.失效形式主要为磨损、崩刃失效。3.性能要求要求高的硬度、高的耐磨性，一定的韧性，较高的抗弯强度和高的断裂抗力。（一）薄板冷冲材模（板厚≤1.5mm）1.传统模具材料1）小批量（1000件以下）冲裁软料薄板选材：碳素工具钢T8A、T10A，甚至锌合金或加镶钢皮刃口的锌合金。2）中批量（103～105件）生产的中负荷模具选材：低合金工具钢，如9Mn2V、9CrWMn、CrWMn、GCr15等钢种。3）大批量（106件）选材：可选用高耐磨的Cr12型模具钢，负荷较大的易损小冲头趋向于选用承载能力更高的高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。4）生产批量特大时选材：硬质合金，YG10X、YG15等。2.新型模具用钢（1）高耐磨微变形中铬模具钢主要钢种：Cr5Mo1V、Cr6MoV、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV等。Cr5Mo1V、Cr6MoV：应用：广泛用于各种五金冷冲模以及承受较大冲击的大型复杂冲裁模。Cr4W2MoV模具钢：应用：主要用来替代Cr12型模具钢制造硅钢片冲裁模，并提高其使用寿命。Cr2Mn2SiWMoV模具钢：应用：主要用于制造轻载精密复杂冷冲模。（2）高耐磨高强韧模具钢钢号：Cr6W3Mo3V（代号GM）、Cr8MoWV3Si（代号ER5）。a.成分特点：C、Cr含量比Cr12型模具钢有较大幅度的减少，并加入一定量的W、Mo、V等合金元素，钢的成分配比合理。b.组织特点：热处理组织为高强韧基体和均匀分布的细小碳化物。c.性能特点：强韧性、硬度、耐磨性均优于Cr12型模具钢。应用：可用来制造要求高耐磨同时又要求高韧性的模具。（3）高强韧低合金模具钢钢号：6CrNiSiMnMoV（代号GD）应用：用这些钢制作细长或薄片凸模，复杂、大型、薄壁凸凹模等，可有效地解决崩刃、断裂等早期失效问题，显著提高冲裁模的使用寿命。（4）火焰淬火模具钢钢号：7CrSiMnMoV（代号CH）应用：可用于制造多孔位、形状复杂的薄板冲裁模、切边模和整形模。3.硬质合金和钢结硬质合金1）硬质合金a.承受较小冲击的冷冲模，可选用YG10X，其硬度88.5HRA，抗弯强度1700MPa；b.承受中等冲击的冷冲模，可选用YG15，其硬度87.5HRA，抗弯强度2000MPa；c.承受较大冲击的冷冲模，可选用YG20C，其硬度86HRA，抗弯强度2600MPa。2）钢结硬质合金特点：性能介于高速钢和硬质合金之间。它既有高硬度、高耐磨性、高弹性模量的特点，又有较高的抗压，抗弯强度和韧性，还可以进行锻造、焊接各种机加工和热处理，能够做出较复杂的模具。常用钢号：GT35、TLMW50、GW50等。冷冲模常用钢结硬质合金（二）厚板冷冲裁模1.传统模具用钢钢号：常用传统钢种有T8A、9SiCr、60Si2Mn、5CrW2Si、6CrW2Si、Cr12Mo1V1、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。a.T8A特点：强韧性和淬透性较高，但过热敏感，承载能力较低。应用：它只能用于小批量加工软坯料中厚板的冲裁模。b.铬钨硅系列低合金工具钢钢号：9SiCr、60Si2Mn、5CrW2Si、6CrW2Si。性能：较高的韧性和一定的耐磨性。c.高耐磨铬钨钒钢、Cr12型模具钢应用：要求大批量加工产品的重载冲裁模，可用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2钢制作凸模，用Cr12MoV或Cr12Mo1V1钢制作凹模。2.新型模具用钢（1）降碳高速钢型模具钢钢号：6W6Mo5Cr4V（代号6W6），是在高速钢W6Mo5Cr4V2的基础上降低C、V含量得到的新钢种。性能：保持较高硬度和耐磨性的同时，明显提高抗弯强度、塑性和冲击韧度。（2）基体钢型冷作模具钢钢号：6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）和7CrMo2V2Si（代号LD）。65Nb钢：a.成分及组织特点：b.性能特点：既具有较高的耐磨性，又具有较高的强韧性。c.应用：可用于重载冷冲模以及冷挤压模、冷镦模。LD钢：成分特点：含碳量和合金元素含量高于65Nb钢，铬含量较高。应用：适于制造各种重载冷作模具，并提高其寿命。（3）基体钢型冷热兼用模具钢钢号：5Cr4Mo3SiMnVAl（代号012Al）和6Cr4Mo3Ni2WV（代号CG-2）。应用：它们用于中厚板冲裁模和和其它冷作模具，均能有效地防止脆性崩裂，从而提高使用寿命。也可以用来制造热作模具。（三）精冲模特点：工作间隙很小，坯料变形区处于很大的三向压应力状态。因而承受的压力和摩擦力比一般冲裁模大，对模具材料的要求以抗压强度和耐磨性为主。常用材料：Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr4W2MoV、W6Mo5Cr4V2。（四）冷冲裁模的热处理工艺特点工艺：通常采用淬火＋低温回火。目的：以保证硬度通常在58HRC以上，同时还要配合以足够的韧性。二、冷挤压模材料及热处理1.工作条件工作时，物料承受强烈的三向压应力作用，金属发生剧烈的流动，变形位移大。2.失效形式冷挤模主要会产生变形、磨损、冲头折断（因偏心弯曲）等失效。3.性能要求要求模具有高的强度和硬度，并有一定的韧性，以防冲击折断。4.常用材料（一）碳素工具钢与低合金模具钢1.T10A钢应用：只能用于小批量加工软料（如软铝合金）的正挤压模。2.60Si2Mn钢（弹簧钢）应用：它可用作加工批量小，受力小的正挤压冲模，寿命在5000件左右。3.CrWMn钢应用：主要用于制造形状复杂、精度高、载荷不很大的冷挤压凹模。（二）Cr12型模具钢钢号：Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1。应用：常用于制造冷挤压模。尤其是拉深型冷挤压模和承受较大比压的模具零件。（三）高速钢钢号：主要是W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。应用：较大批量冷挤压铝合金、中小批量冷挤压钢料时，常选用高速钢制作模具。（四）新型模具钢钢号：高耐磨微变形中铬模具钢Cr5Mo1V、Cr6WV、CrW2MoV，降碳高速钢6W6，基体钢65Nb、LD，火焰淬火模具钢CH等。应用：用它们制造易于折断或开裂的细长冲头、顶杆和形状复杂的凹模或凹模芯，要比采用Cr12型模具钢或高速钢提高寿命几倍到几十倍。（五）硬质合金与钢结硬质合金1.硬质合金钢号：YG15、YG20C。应用：用它们制造的重载冷挤压模与模具钢相比，可提高寿命几十倍。2.钢结硬质合金钢号：GT35、TLMW50等。应用：更多地用于制造冷挤压凸模、凹模或凹模镶块等。三、冷镦模材料及热处理四、冷拉深模材料及热处理（一）冷拉深模的特点1.工作条件2.失效形式在拉深外观要求光滑的各种工件时，模具主要由于咬合失效。黏附是拉深过程中常出现的问题，是造成模具咬合失效的重要原因。3.性能要求模具应具有高的强度和耐磨性，在工作时不发生黏附和划伤，具有一定的韧性及较好的切削加工性能，并要求热处理时模具变形小。（二）冷拉深模选材原则选材主要考虑：模具的工作条件、尺寸大小和生产批量。（三）不同拉深模的选材1.拉深铝、铜合金板料及薄钢板的拉深模1）当生产批量不大时选材：碳素工具钢、低合金工具钢和锌合金。T8A、T10A钢：用于简单圆筒浅拉深件。9Mn2V、CrWMn钢：用于成形复杂的浅拉深件。锌合金：用于小批量加工大直径软薄板拉深件。2）当生产批量很大时选材：Cr12MoV钢、硬质合金、钢结硬质合金等。2.拉深较厚钢板及变薄拉深、反拉深的拉深模1）生产批量较小时：可选用T10A、T12A、CrWMn等钢。2）生产批量较大时：可选用SiMnMo、Cr5Mo1V、Cr6WV、Cr12MoV等钢。3）生产批量很大时：应选用硬质合金、钢结硬质合金。3.拉深耐热钢、不锈钢、高镍合金钢钢板的拉深模选材：首选铝青铜；其次是Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1钢；再次是T10A钢镀铬及合金铸铁淬火回火；当生产批量很大时，可采用硬质合金。4.各种中、大型拉深模选材：这类模具均可选用球墨铸铁或合金铸铁制造，经表面淬火、低温回火后使用。5.单件、小批量生产样机拉深件模具选材：这类模具可采用玻璃纤维增强的聚酯、环氧树脂、酚醛树脂等制造。（四）冷拉深模选材实例拉深凸凹模1）某拉深凹模选材：用Cr12MoV钢制作模具。失效形式：模具在工作中，易产生拉毛和粘附。防止措施：为了防止拉毛和粘附，应设法提高模具的表面硬度和抗粘着性能。热处理工艺：采用1050°C加热油淬，500°C2h回火3次，再在450～480°C低温离子渗碳5h，表面洛氏硬度达93HR15N。2）液化气钢瓶封头冷拉深模具钢瓶拉深模具结构示意图1－冲头2－压料板3－模圈4－模圈座5－顶柱6－工件选材：冲头采用冷硬铸铁或45钢制造，使用中未发生问题。拉深模圈3曾先后采用灰铸铁、ZG35Mn、T8钢、Cr12钢等材料制造，寿命均不高（低于1万件）。主要失效形式为磨损和粘料。采用高强度球墨铸铁QT500-7制作模圈后，其寿命明显提高，提高幅度与热处理工艺有关。热处理工艺：模具先经缓慢预热，再升温至880～900°C加热，经保温后出炉空气预冷，待其棱角稍少见暗红色时立即淬入盐水冷却，待模具温度降至550°C左右（约需60s）立即转入油中冷却，待模具温度降至250°C左右（约需5min）再转入180～200°C的热油中等温（QT500-7的Ms点为250°C左右），2～3h后将油温降至160～180°C继续等温5～7h出油空冷。性能：QT500-7球墨铸铁模具经过以上热处理后，可获得高强度和较高韧性，硬度为55～58HRC。同时，它的耐磨性也较高，模圈的工作寿命可达16万件以上。第二节热作模具的选材及热处理一、热作模具的分类（一）按加工形式分（1）热冲切模具：（2）热变形模具：（3）压铸模具：（二）按模具所加工材料分（1）加工金属材料模具：（2）加工非金属材料的模具：二、热作模具的工作条件、失效形式及性能要求（一）热作模具工作时的受热压铸模一次压铸过程中模具表面的温度梯度（二）模具的温升对材料的组织和性能的影响1.当温度低于模具材料的Ac1。1）温度低于回火温度，组织性能基本稳定。2）温度高于回火温度时，使回火组织继续变化，力学性能