模具材料(一)

模具材料及热处理绪论•一、模具材料的作用和地位•成形加工中的重要工艺装备，是机械、电子、轻工、国防等工业生产的重要基础之一。•利用模具可以实现少、无切削加工，从而提高生产效率、降低成本。由于模具成形具有高产、优质、低消耗等特点，因而其应用十分广泛。•占飞机、汽车、拖拉机、机电产品成形加工的60％~70％；占家电产品、塑料制品成形加工的80％~90％。•模具是“效益放大器”•-----用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。目前全世界模具年产值约为600亿美元，我国2005年的模具年产值也达到600亿元。家电模具管件模具汽摩模具模具的使用寿命加工精度模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，将直接影响加工产品的质量和经济效益。而模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素，所以世界各国都在不断地研究和开发新型模具材料模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理地设计模具结构、加强对模具的维护等措施，来稳定和提高模具的使用寿命，防止模具的早期失效。模具材料的使用性能将直接影响模具的质量和使用寿命。模具材料的工艺性能将主要影响模具加工的难易程度、加工质量和生产成本。•二、模具材料的应用与发展•在建国以来的50多年中，我国的模具工业发展迅速，在模具材料的研制与开发、模具的热处理工艺、模具的表面处理技术等各方面都取得了巨大的成就。目前，我国的模具钢产量已跃居世界前列，基本满足了模具制造业的需要。基本情况：我国目前大约有25000多个模具生产厂点，职工约100万人，2005年生产模具总产值530多亿元，2005年度进口模具181.3万美元，出口49万美元，进出口相抵我国目前是世界上最大的模具净进口国。根据统计资料显示“十五”期间前四年模具工业平均每年都以15％以上增长速度发展。•在冷作模具钢：•6Cr4W3M02VNb(65Nb)、•6CrNiSiMnMoV、•7Cr7M02V2Si、•Cr8MoWV3Si。•较高的强韧性、耐磨性以及良好的综合工艺性能，可用于冷挤压模、冷激模、冷冲模、切边模等冷作模具，并使其使用寿命成倍提高。•在热作模具钢：•3Cr3Mo3w2v(HMl)、3Cr3M03VNb(HM3)、5Cr2W5Mo2V(RM2)、4Cr3Mo3W4VNB(CR)、4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr3M02NiVNbB(HD)、5Cr4Mo3SiMnVAl(N2A1)。•这些钢具有高的热稳定性、高温强度、耐磨性及抗热疲劳性，常用于制造热挤压模、热锻模、热冲压模、压铸模等，使用寿命比5CrNiMo和5CrMnMo钢提高数倍。•塑料模具方面:•Y55CrNiMnMoV(SMl)、•Y20CrN3A1MnMo(SM2)、•5NiSCa、•06Ni6CrMoVTiAl(06Ni)、•25CrNi3MoAl、•Ocrl6Ni4Cu3Nb(PCR)等。•这些钢具有适当的强韧性．热处理工艺简单，变形小，易于切削加工.•挤塑模、压塑模、注射模、吹塑模•普通硬质合金和钢结硬质合金材料正在走向成熟，•冷冲模、拉丝模、冷镦模、无磁模•使用寿命大幅度提高•如采用钢结硬质合金制造的M12冷锻模，使用寿命在100万次以上；采用普通硬质合金材料制造的硅钢片高速冷冲裁模，使用寿命可达上亿次。•模具的表面处理技术•传统的渗碳、渗氯、氮碳共渗、渗硫、渗硼、渗金属等工艺•气相沉积技术•热喷涂技术•激光表面处理技术•离子注入技术•电子束表面处理技术•我国的模具材料和模具表面处理技术与发达国家相比仍存在着一定的差距，模具材料的生产和使用水平还有待提高。•我国模具材料及其处理技术的发展前景十分广阔。应积极开发和引进高性能的新型模具材料，增加模具钢材的品种、规格，形成符合我国资源情况的系列化和标准化的模具材料，以满足不同模具的使用性能和寿命的要求；重视模具的设计、选材、加工、处理、检验等全过程控制，不断降低生产成本，提高经济效益；加强对模具的新技术、新材料、新工艺的研究，发展模具的成套加工精密设备．提高模具生产的整体水平。•三、本课程的性质、教学目标和要求•模具材料是一门专业课程，应学过一些工程材料方面的知识，对材料及热处理、材料成形加工等有初步的了解，本课程对模具选材、加工等进行综合训练，学习模具新材料、新工艺、新技术方面的知识，为模具设计、制造工艺课程打下基础。•1)常见模具的失效分析方法。•2)熟悉常用的模具材料、热处理工艺及模具的表面处理技术。•3)明确模具材料、热处理工艺及表面处理技术与模具使用性能、生产成本、经济效益之间的关系。•4)掌握常用的冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料以及其他模具材料的牌号、主要成分、性能特点具材料及热处理方法。•5)熟悉各类常见的模具表面处理方法，并能进行合理选用。•理论性和实践性强•钢的热处理原理与工艺•合金钢第一章模具失效与使用寿命•模具失效----模具丧失正常的使用功能，不能通过一般的修复方法使其重新服役的现象。•正常失效•非正常失效(早期失效)•正常失效比较安全，而非正常失效常造成人身或设备的恶性事故，并造成经济上的损失，因此应尽量加以避免。•模具使用寿命(也称为模具正常寿命)-----模具在正常失效前生产出的合格产品的数目。•若其使用过程中经过多次修模，则模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维护等各指标的综合体现。第一节模具的失效分析•一、模具的损伤与失效•过量塑性变形、表面损伤、开裂与断裂、冷热疲劳、腐蚀等损伤破坏后，将会失去原有功能，以致不能正常服役，这些现象均称为失效。•冷冲裁模刃口的过度磨损或崩刃；•热挤压冲头的镦粗变形；•热锻模出现冷热疲劳裂纹等。•模具的失效一般都存在一个变化过程•如断裂失效：表面产生缺陷---表面微裂纹---裂纹扩展---最后断裂。•模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象但没立即丧失服役能力的现象称为模具损伤。模具在工作时，不同部位承受不同的作用力和不同的温度变化，可能同时出现多种不同的损伤形式，各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。•例如：•磨损沟痕成为疲劳裂纹的萌生之处，加快疲劳裂纹的萌生速度，若磨损沟痕探而尖，则义本身可成为一次断裂的起裂点；扛模具太面出现冷热疲劳裂纹后．表面粗糙度严重恶化，会进一少加剧模具的磨损：此外，在冷热疲劳裂纹的底部，会由于应力集中的出现而加速机械疲劳裂纹的盟生，加速疲劳断裂。显然，损伤是模具破坏的起源，损伤的累积可导致模具的失效。•非正常失效(也称早期失效)------模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命产生的失效•非正常失效发生在模具使用的初期，主要是由模具设计和制造过程中的缺陷引起的，失效出现的几率很高，且随着模具使用期限的延长而迅速降低。•正常失效-------模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏而出现的失效•模具经过使用初期的考验后即进入正常的使用阶段。在理想的情况下，模具未达到正常使用寿命就不会发生失效。但由于工作条件的变化、操作者的使用水平、管理者的失误等原因而造成的某些损伤，也将导致模具的失效，但这种失效几率很低。在模具经过了长期使用后，出于使用损伤的大量累积，致使模具发生失效，即达到了模具的使用寿命极限。•注意做好经常性的检查、维护和保养工作，可有效地推迟正常失效的到来，有助于提高模具的使用寿命。•二、模具失效的分类•还有以下常见的分类方法。•1．过量变形失效主要包括过量弹性变形失效、过量塑性变形(如局部塌陷、局部镦粗、型腔涨大等)失效、蠕变超限等。•2．表面损伤失效主要包括表面磨损(如粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、疲劳磨损等)失效、表面腐蚀(如点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀等)失效、接触疲劳失效等。•3．断裂失效主要有塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效、应力腐蚀断裂失效等。•三、模具的失效机理分析•（一）磨损失效•磨损----由于模具表面的相对运动，而从模具的接触表面逐渐失去物质的现象。•磨损失效----模具在工作中会与坯料的成形表面相接触，产生相对运动而造成磨损，当这种磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能正常工作。•1．磨粒磨损•工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。•影响磨粒磨损的因素主要有：•磨粒的形状和大小•磨粒硬度与模具材料硬度的比值•模具与工件的表面压力•工件厚度•磨粒的外形越尖，则磨损量越大；磨粒的尺寸越大，模具的磨损量越大，但当尺寸达到一定数值后，磨损量则会稳定在一定的范围内；磨粒硬度与模具材料硬度的比值小于1时，磨损量较小，比值增加到1以上时，磨损量急剧增加，而后逐渐保持在一定的范围内；随着模具与工件表面压力的增加，磨损量会不断增加，当压力达到一定数值后，由于磨粒的尖角变钝面使磨损量的增加得以减缓；工件厚度越大，磨粒嵌人工件的深度越深，对模具的磨损量减小。•减少模具的磨损措施：•提高模具材料的硬度，•对模具进行表面耐磨处理•及时清理模具和工件表面上的磨粒•2．粘着磨损•由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造成粘着点发生断裂面使模具材料发生剥落的现象称为粘着磨损。•降低粘着磨损：•选择与工件材料互溶性小的模具材料•合理选用润滑剂•采用多种表面热处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性质和组织结构，尽量避免同种类金属相互摩擦•3．疲劳磨损•在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表层金属疲劳剥落的现象。•模具和工件的相对运动中，会承受一定的作用力，模具的表面和亚表面存在多变的接触压力和切应力，这些应力反复作用一定的周期后，模具表面就会产生局部的塑性变形和冷加工硬化现象。在那些相对薄的地方，会由于应力集中而形成裂纹源，并在外力的作用下扩展，当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交时，便形成磨损剥落。•材料的冶金质量------钢中的气体含量．非金属夹杂物的类型、大小、形状和分布，特别是跪性较大和带打棱角的非金属夹杂物的存在，破坏了基体的连续性，在循环应力的作用下，会在夹杂物的尖角处形成败力集中，并因塑性变形引起冷加上硬化形成疲劳裂纹。•材料硬度--------一般情况下硬度提高，可以增加模具表面的抗疲劳能力，但硬度过高时又会加快疲劳裂纹的扩展，加速疲劳磨损。•材料的表面粗糙--------使接触应力作用在较小的面积上，形成很大的接触应力，加速疲劳磨损。•提高模具的抗疲劳能力：•选择合适的润滑剂•在常温状态下，通过对模具表面进行喷丸、滚压等处理，使模具的工作表面产生一定的残余压应力。•4．其他磨损•(1)气蚀磨损；•由于金属表面的气泡发生破裂，产生瞬间的高温和冲击，使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象称为气蚀磨损。•(2)冲蚀磨损：固体和液体的微小颗粒以高速冲击的形式反复落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到损失，形成麻点或凹坑的现象。•高速冲击模具表面的液体微粒，落下时会产生很高的应力，一般可以超过金属材料的屈服强度或强度极限，使模具表面材料发生局部塑性变形或局部断裂。那些速度不高的液体微粒进行反复冲击后，也会使模具表面出现疲劳裂纹，因而形成麻点和凹坑，导致冲蚀磨损。•3)腐蚀磨损：•在工作过程中，模具表面与其周围的环境介质发生化学或电化学反应，以及模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。•（二）断裂失效•模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。•断裂是最严重的失效形式。•按照断裂的性质：脆件断裂和韧性断裂；•按照断裂路径：沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂；•按照断裂机理：一次性断裂和疲劳断裂等。•由于模具材料多为中、高强度钢，塑性相对较差，断裂时没有或仅有少量的塑性变形发生，因而经常表现为脆性断裂。•1．一次性断裂-----模具在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂。•(1)沿晶断裂：是指裂纹沿晶界扩展而造成材料脆性断裂的现象。一般情