第5章模具加工件材料概述

5.1常用冲压件材料5.1.1常用冲压件材料的化学成分和力学性能5.1.2冲压用材料的合理选择5.2常用塑件材料及性能5.2.1概论5.2.2塑料的分类5.2.3塑料的性能5.2.4塑料一般选材第5章模具加工件材料概述目录一般来说，产品设计和工艺人员遇到下列情况时，都会涉及加工件材料选用问题。(1)设计新产品时，根据产品的技术经济指标，对零部件的作用、受力情况和工作条件以及工艺要求选用材料。(2)改进产品或仿制产品时，在原产品和仿制品的基础上提出改进方案，根据改制和仿制的要求选用合适的材料。(3)进口产品国产化时，对样品进行技术分析和性能试验，选用性能与之相当的新材料。(4)改变工艺流程时，选择代用材料。在生产过程中，采用新材料、新工艺、新技术和节能降耗都涉及材料的变更问题。(5)原材料供需发生问题时，为确保生产的顺利进行，需要进行临时或长期材料变更。因此，合理选用材料是保证产品使用性、工艺性、经济性的基础。钢中有60%~70%是板材，其中大部分是经过冲压制成的成品。冲压件：汽车的车身、底盘、油箱、散热器片以及锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁心硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。冲压可加工各种类型的产品，小到钟表的秒针，大到汽车的纵梁、覆盖件；冲切厚度已达20mm以上，加工尺寸幅度大，适应性强。随着冲压技术的快速发展及应用行业要求的不断提高，人们越来越关注冲压材料。5.1常用冲压材料5.1常用冲压材料5.1.1常用冲压材料的化学成分和力学性能5.1.1.1常用冲压材料板料、带料及块料，型材及管材。材料类别：黑色金属、有色金属和非金属三大类。1.黑色金属：①普通碳素钢钢板如Q195，Q235钢钢板等。②优质碳素结构钢钢板常用牌号有08，08F，10，20钢钢板③低合金结构钢钢板常用的如Q345(16Mn)，Q295(09Mn2)钢钢④电工硅钢片和电工纯铁如DW470-50(冷轧无取向硅钢片),DQ133-30（冷轧有取向硅钢片）,DR510-50（热轧硅钢片）,DT1（1号电工纯铁），DT2（2号电工纯铁）书上说是电工硅钢片错误⑤不锈钢钢板如1Cr18Ni9Ti，1Cr13钢钢板等2.有色金属：包括紫铜板、黄铜板、锡磷青铜板、铍青铜板、铝板、钛合金板、镁锰合金板等。3.非金属：包括纸胶板、布胶板、皮革、塑料板、橡胶板、纤维板、云母板等。主要用于轻工业和建材业相应的产品中。5.1.1.2化学成分和力学性能1.黑色金属的化学成分和力学性能表5-1优质碳素结构钢的化学成分(GB/T5213-2001和GB/T710-1991)钢号化学成分(质量分数)/%CSiMnPSNiCrCuAl08Al≤0.08≤0.030.35~0.45≤0.020≤0.03≤0.01≤0.03≤0.150.02~0.0708F0.05~0.11≤0.030.25~0.50≤0.040≤0.04≤0.25≤0.10≤0.25—080.05~0.120.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.04≤0.25≤0.10≤0.25—100.07~0.140.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.04≤0.25≤0.15≤0.25—150.12~0.190.17~0.370.35~0.65≤0.040≤0.04≤0.25≤0.25≤0.25—200.17~0.240.17~0.370.35~0.65≤0.040≤0.04≤0.25≤0.25≤0.25—在上述钢号中用量最大的是08钢，其有沸腾钢与镇静钢之分。08F沸腾钢钢板价格低廉，表面质量好，但偏析比较严重，且有“应变时效”倾向，对于冲压性能要求高，外观要求严格的工件不适合；08Al镇静钢钢板价格较高，但性能均匀，“应变时效”倾向小，适用于汽车、拖拉机覆盖件的拉深。（1）化学成分对冲压性能的影响表5-208钢主要化学成分对冲压性能的影响元素名称对冲压性能的影响C增加Fe3C的数量，提高钢板的抗拉强度和屈服强度，降低塑性，使冲压性能恶化，特别是当Fe3C出现于晶界时，对冲压性能的不利影响更大Si溶于铁素体中，强化铁素体作用大，增加强度，降低塑性，含硅量越低越好，深冲压钢板不能用硅脱氧Mn直接影响不大，锰和硫形成MnS夹杂物，其数量和形态对冲压性能有影响P显著增加强度和脆性，并有偏析倾向，易于形成带状组织，这些都对冲压性能不利S形成硫化物，其数量、形状和分布对冲压性能有很大影响，数量多、且呈细长条状分布的硫化物对冲压性能不利Al是镇静钢的最终脱氧剂，可与氮形成氮化铝，显著降低钢板的“应变时效”倾向，容易得到“饼形”铁素体晶粒，改善冲压性能。钢中铝的最佳含量为wAl=(0.03~0.05)%（2）金属组织对冲压性能的影响表5-3优质碳素结构钢铁素体晶粒度的标准与拉深级别钢板状态钢号及拉深级别ZF，HFFZS08Al05F，8F，10F08b，15F，20F，08，10,15,2005F，08F，10F，15F，20F，08b，08，10，15，20冷轧6，7，8或“饼形”6，7，8，9或“饼形”6，7，86，7，8，95，6，7，,8，9注：(1)08Al镇静钢按其冲压性能分为三级：ZF-拉深最复杂工件；HF-拉深很复杂工件；F-拉深复杂工件。(2)其他深冲薄钢板(包括热轧板)按冲压性能分级为：Z-最拉深件；S-深拉深件；P-普通拉深件。表5-4优质碳素结构钢的杯突实验冲压深度(GB/T5213-2001和GB/T710-1991)mm钢板厚度钢号及级别08Al08，08F10，15，20ZFHFFZSPZSEr(杯突实验深度)不小于0.50.60.70.80.91.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.09.59.810.310.610.811.211.311.511.711.812.0—————9.39.610.110.510.710.811.011.211.311.411.611.812.012.112.212.39.19.49.910.310.510.710.911.1ll_311.411.511.711.912.012.112.29.09.49.710.010.310.510.811.011.211.311.511.611.811.912.01Z.18.48.99.29.59.910.110.410.610.811.011.211.411.611.711.811.98.08.58.99.39.69.910.210.410.610.811.011.211.411.511.7ll_88.08.48.68.89.09.2——————————7.47.88.08.28.48.6——————————杯突试验(Erichsentest)评价金属薄板成形性的试验方法,又称埃里克森试验(Erichsentest)或埃氏杯突试验.试验时，用球头凸模把周边被凹模与压边圈压住的金属薄板顶入凹模，形成半球鼓包直至鼓包顶部出现裂纹为止。如图所示，试验用φ20mm的硬钢球或半球凸模4，将金属板料2压入内径27mm、圆角半径0．75mm的凹模1，板料边缘在凹模和压边圈3之间压紧。试验时，金属板料被凸模顶成半球鼓包。取鼓包顶部产生颈缩或有裂纹出现时的凸模压入深度作为试验指标，称为杯突值或IE值或Er值，以mm为单位。杯突值越大，说明材料的胀形成形性能越好。表5-5优质碳素结构钢的力学性能(GB/T5213—2001和GB/T7101991)钢号级别厚度/mmσb/MPaσs/MPaδ5/%σs/σb不小于08AlZFHFF全部全部1.21.21.2260~330260~340260~350260~350260~35020021022022024044423942420.660.70———08FZSP≤4280~370280~390280~390—343230—08ZSP≤4280~400280~420280~420—323028—10ZSP≤4300~420300~440300~440—302928—2.有色金属的组织与力学性能（1）铝合金铝合金导热性好，易于成型，具有较好的强度，价格低廉。其中变形铝合金需要经过不同的压力加工方式生产成材，其质量轻、比强度高，是机械工业和航空工业中重要的结构材料。①不可热处理强化型铝合金不可热处理强化型铝合金不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化。它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝。②可热处理强化型铝合金可热处理强化型铝合金通过固溶和时效处理使合金的强度显著提高。这类铝合金品种系列多、用途广，可分为硬铝、锻铝、超硬铝等。硬铝属于铝铜镁锰系合金，主要牌号有LY1，LY2，LY6，LY10，LY11，LY12等。其中LY12是使用最广、强度最高的硬铝，经淬火与时效等处理后其力学性能为σb=460MPa，σ0.2=320MPa，δ=17%，ψ=30%。锻铝属于铝镁硅系合金，其中最重要的品种是LD10，其力学性能为σb=490MPa，σ0.2=380MPa，δ=10%。超硬铝属于铝锌镁铜系合金。在铝合金中强度最高，韧性也很高，具有良好的工艺性能(热塑性和焊接性)。其主要牌号有LC3，LC4，LC6，LC10，LC12等。其中LC6是具有最高强度的铝合金，强度可达600MPa。2.有色金属的组织与力学性能（2）镁合金镁合金的密度：1.8g·cm-3镁合金为变形镁合金和铸造镁合金两大类。变形镁合金的牌号：主要有MB2，MB8，MB15，MB22，MB25等，主要合金系为镁锌锆系、镁锰系、镁锂系、镁铝锌系和镁稀土锆系。镁锌锆系：其中MB15经过固溶淬火和人工时效后，其σb=363MPa，σ0.2=324MPa，δ=9.5%。在镁锌锆系合金中加入少量镉、钕或镧，可进一步强化合金，提高室温和高温强度，改善焊接性能。Mg-6Zn-0.6Cd-1.7Nd-0.7Zr合金，室温下的σb接近400MPa，150℃持久强度σ100=98MPa，是变形镁合金中强度最高的合金之一。镁锰系：良好的耐蚀性和焊接性，其中MB8合金有中等强度和较高的塑性，其力学性能为σb=245MPa，σ0.2==167MPa，δ=18%；而ZM61(Mg-6Zn-1.2Mn)合金是强度最高的挤压合金之一，其力学性能为σb=385MPa，σ0.2=340MPa，δ=8%，与某些高强度铝合金相当。镁锂系：超轻变形合金，属于超轻型结构合金，是目前最轻的金属结构材料，具有极优的变形性能和较好的超塑性能，力学性能为σb=285MPa，σ0.2=206MPa，δ=8%。单相组织的镁锂系合金的强度低，但有良好的冷变形能力，同时可焊接。镁铝钕锌：力学性能为σb=469MPa，σ0.2=428MPa，δ=14%，镁铝钇锌合金的力学性能为σb=497MPa，σ0.2=434MPa，δ=5%。这类镁合金完全达到了高强度铝合金的性能水平。2.有色金属的组织与力学性能（3）钛合金钛合金耐蚀性好、耐热性高，比刚度、比强度高。在所有的金属材料之中，只有最高强度钢的比强度高于钛合金。传统钛合金的屈服强度大多在800~1200MPa之间，其中亚稳β-合金强度最高。对于一些特殊的应用，可以通过三种措施提高钛合金的强度：合金化、加工工艺和复合材料技术。钛合金可根据成分和室温基本组织特点分为α-钛合金、(α+β)-钛合金、β-钛合金和近β-钛合金。这四类合金的成分范围都很宽，合金元素的种类和数量都可在很大范围内变化，可以根据使用要求进行合金设计。各种类型冲压件对材料的力学性能要求表5-6各种类型冲压件对材料的力学性能要求冲压件类型σb/MPa不大于伸长率/%硬度HRB平板件的冲裁6501~584~96冲裁极大的圆角(r2t)做90˚平行于轧制方向的弯曲5004~1475~85浅拉深和成型以圆角半径(r≥0.5t)做180˚垂直于轧制方向的弯曲或做90˚平行于轧制方向的弯曲42013~2764~