第五章模具材料

1第五章模具材料2按模具类别分：冷作模具、热作模具、塑料模具。按材料类别分：钢铁材料、非铁材料、塑料等。第一节模具材料概述模具材料分类：3热加工工艺性能、冷加工工艺性能、热处理工艺性能第一节模具材料概述模具材料的性能要求（一）使用性能：（二）工艺性能：硬度和耐磨性、强度和韧性、抗热性能（热强性、热硬性、热稳定性、热疲劳性、抗粘着性）4模具的选材原则使用性能工艺性能供应经济性第一节模具材料概述5第一节模具材料概述模具选材的具体考虑因素（一）模具工作条件：承受载荷、速度（冲击）、工作温度、腐蚀（二）模具的失效因素：磨损、腐蚀、断裂、塑性变形。（三）模具所加工的产品产品批量大小、产品质量要求、产品材质（四）模具结构模具大小、模具形状、模具的不同组件（不同部位）、模具制造工艺、模具设计6第一节模具材料概述模具材料的发展方向（1）模具性能要求模具材料由低级材料向高级材料发展。（2）模具表面强化处理的应用日益广泛。（3）新钢种不断出现、旧钢种逐渐淘汰。（4）模具材料由钢铁材料扩展到有色金属、硬质合金、非金属材料（橡胶、塑料、陶瓷）。7冷作模具钢是在常温下使金属材料变形的模具用钢。冷作模具的种类很多，包括冲裁模、冷挤压模、冷镦模、拉伸模等。第二节冷作模具钢冷作模具钢的应用8第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(一)冲裁模冲裁模主要用于各种板料的冲切成形，按其功能不同可分为落料模、冲孔模、切边模等。9第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(一)冲裁模1.工作条件冲裁模的工作部位是刃口。冲裁时，刃口部受到弯曲和剪切力的作用，还要受到冲击。同时，板料与刃口部位产生强烈的摩擦。10第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(一)冲裁模2.失效形式冲裁模的正常失效形式主要是磨损，刃口由锋利变圆钝。有时会因热处理不当等造成崩刃和凸模折断等非正常失效。3．性能要求依据上述分析，冲裁模的主要性能要求是高的硬度和耐磨性，足够的抗压、抗弯强度和适当的韧性。11第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模主要包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模。利用这些模具可使板材或棒材延伸并压制成一定形状的产品。12第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模拉深模13第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模弯曲模14第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模胀形模15第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模1．工作条件模具工作时受载较轻，但模具表面受到强烈的摩擦。凹模主要受到径向张力的作用，凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力的作用。2．失效形式成形模具的主要失效形式是磨损，而拉拔模除了严重磨损外，在温度和压力作用下，还会产生“粘附”（咬合）。16第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点二、拉拔模及成形模3．性能要求对拉拔模的主要性能要求是高的耐磨性、硬度及良好的抗咬合性。对成形模的耐磨性、硬度要求稍低，但要求较高的韧性。17第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点三、冷镦模冷镦模是在冲击作用下使金属棒料在模具型腔内冷变形成形的模具。主要用于紧固件、滚动轴承、滚子链条、汽车零件的成形。1．工作条件冷镦模具工作条件差，受到强烈冲击，室温下，材料变形抗力大。凸模承受巨大冲击压应力，且冲击频率很高。凹模的型腔表面和凸模的工作表面还受到剧烈的冲击性摩擦。18第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点三、冷镦模2．失效形式冷镦模的主要失效形式是：凸模镦粗、局部变形或折断；凹模开裂，模口胀大等。3．性能要求凸模、凹模均要求有足够的硬度、强度和韧性。一般凸模要求硬度为60-62HRC，凹模要求硬度为58-60HRC。19第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点四、冷挤压模冷挤压是使金属在强大的近于静挤压力的产生塑性变形而形成制品或零件。20第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点四、冷挤压模1.工作条件金属的冷挤压成形，受到强烈的三向压应力的作用，变形抗力大。模具不仅受到强大的挤压力作用，而且还受到坯料塑变流动的剧烈摩擦，冷挤压时产生较大的温升。21第二节冷作模具钢各类冷作模具的特点四、冷挤压模2.失效形式冷挤压凸模的失效形式主要是断裂、塑性变形及磨损；凹模的主要失效形式是胀裂及磨损。3．性能要求冷挤压模必须具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模要求硬度为60-64HRC，凹模要求硬度为58-62HRC。由于冷挤压时产生较大的温升，所以还应具有一定的冷热疲劳抗力和热硬性。22第二节冷作模具钢冷作模具正常的失效形式是磨损。常会因变形(包括弯曲、镦粗、塌陷、模孔胀大等)、崩刃、开裂而出现早期失效。冷作模具用钢应该具有高强度、高硬度、高耐磨性和足够的韧性。一般凸模要求硬度为50-60HRC。冷作模具钢的性能要求23第二节冷作模具钢冷作模具钢通常以高碳为主，以满足高强度、高硬度、高耐磨性要求，为了提高淬透性和耐磨性，适当添加一些碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等。冷作模具钢的成分特点24第二节冷作模具钢冷作模具钢的类型25第二节冷作模具钢冷作模具钢的分类冷作模具用钢按化学成分分类，可以分为碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬和高碳中铬钢及高速钢。26第二节冷作模具钢碳素工具钢常用钢种有T7A、T8A、T10A、T12A等.主要优点：（1）成本低：价格便宜，来源方便。（2）加工性能好：与其他冷作模具钢相比，锻造工艺性较好，易退火软化，便于加工制成模具。（3）热处理后有较高的硬度和一定的耐磨性。27第二节冷作模具钢碳素工具钢主要缺点：(1)淬透性低：模具截面尺寸大于15mm，水冷也不能淬透。属低淬透性冷作模具钢。(2)热硬性、耐磨性差，淬火变形大，易产生淬火裂纹，使用寿命低。用途：因此碳素工具钢只适合制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的模具。28第二节冷作模具钢T10A应用最普遍。T10A、T12A钢过热倾向较小，淬火晶粒较细，并有过剩碳化物，因此经热处理后钢的强度较高、耐磨性较好。T10A钢还能保证足够的韧性，而T12A钢过剩碳化物过多，颗粒较粗、分布不均，易使钢的力学性能降低。T8A钢由于没有过剩碳化物，因此过热倾向大，淬火加热时晶粒易粗化，韧性和耐磨性差，所以冷作模具制造很少采用。T7A钢，钢的耐磨性不如T10A，但有较好的韧性，所以韧性要求较高的冷作模具可以选用。29第二节冷作模具钢碳素工具钢模具的制造及热加工工艺过程:锻造-----退火-----粗加工-----预调质处理或去应力处理-----精加工------最终热处理（淬火+低温回火）热处理工艺见表5-6、表5-7、图5-1。30第二节冷作模具钢碳素工具钢锻造工艺:31第二节冷作模具钢T10A、T12A钢锻造时，必须严格控制终锻温度和锻后的冷却速度，如果终锻温度过高，冷却速度过缓，易析出二次渗碳体，从而增加模具淬火开裂、磨削裂纹及使用时出现脆断的倾向。碳素工具钢锻造工艺:32第二节冷作模具钢退火和正火经改锻后的模具毛坯必须进行球化退火，形成粒状珠光体，以便于切削加工，并为淬火作好组织准备。当钢坯锻后出现粗大或严重网状碳化物时，应先进行正火后再进行球化退火。碳素工具钢33第二节冷作模具钢碳素工具钢34第二节冷作模具钢碳素工具钢淬火和回火35第二节冷作模具钢碳素工具钢淬火：淬火温度760-820C。如果淬火温度过高，增加淬火变形、开裂的危险，并导致淬火马氏体粗大，钢的韧性下降。如果淬火温度过低，钢的硬度和耐磨性降低。如果适当提高淬火温度，可以增加淬硬层深度。因此，对于直径较小、易淬透的小型模具，可以采用较低的淬火温度；对于较大型模具，应适当提高淬火温度。淬火组织为隐晶马氏体+碳化物（M3C）36第二节冷作模具钢碳素工具钢回火：根据模具的尺寸大小和形状复杂程度，碳素工具钢模具淬火分水冷、油冷、分级淬火等。碳素工具钢淬火后存在较大内应力，必须及时低温回火（180-200C），通常在油炉或硝盐中进行。回火温度根据硬度要求而定，回火时间一般为1-2h。37第二节冷作模具钢高碳低合金工具钢常用牌号有9Mn2V、CrWMn、9SiCr、GCrl5等。该钢种碳含量在0.8％以上，是在碳素工具钢基础上发展起来的，加入少量合金元素Cr、W、Mn、Si、Mo、V等，提高合金的淬透性，减小淬火变形、开裂，形成特殊碳化物，细化晶粒，提高回火稳定性。这类钢的韧性、耐磨性、热硬性都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。淬火变形比碳素工具钢小，属低变形冷作模具钢。38第二节冷作模具钢高碳低合金工具钢淬透性：25-70mm，甚至80-100mm.用途：适用于制造尺寸较大，形状较复杂，精度要求较高的模具。39第二节冷作模具钢（1）9Mn2V钢主要性能特点9Mn2V钢的主要化学成分是：C：0.85-0.95%，Mn：1.70-2.00%。碳含量高是为了保证钢经热处理后具有高硬度、高耐磨性；锰是为了提高钢的淬透性。由于锰含量高易引起钢的过热，因而同时加入少量的钒，以细化晶粒，克服锰的过热倾向。淬透性低，油淬时临界淬透直径为40mm。40第二节冷作模具钢（1）9Mn2V钢热加工工艺1.锻造：始锻温度为1130-1160C，终锻温度为800-850C，空冷至650-700C转入炉灰中冷却。2.退火：加热温度为750-770C，保温3-5h；等温温度为650-700C，保温4-6h。3.淬火：淬火温度为780-840C，为了获得优良的强韧性，宜采用800C淬火；若希望工件获得最大的淬硬层深度时，则可选取820-840C淬火，淬火硬度为62-63HRC。采用油冷，形状复杂的模具可用热油冷却或硝盐浴分级淬火。41第二节冷作模具钢（1）9Mn2V钢热加工工艺4.回火：回火温度在160-180c，空冷。回火硬度为60-62HRC。回火温度为200-300C范围产生回火脆性。应用用于制造冷冲模、弯曲模、落料模等。用它代替T10A钢，不仅可以减小热处理变形，还可大大提高模具寿命。对于中小模具，该钢还可以代替CrWMn钢。42第二节冷作模具钢（2）CrWMn钢主要性能特点：由于同时含有W和Mn，CrWMn钢具有高的淬透性。生产中，模具尺寸在Φ40－５0mm以下时，在油中即可淬透。又由于含有W，在淬火及低温回火状态下含有较多的钨的碳化物，硬度高，耐磨性良好。W还能细化晶粒，改善钢的韧性并减小过热敏感性。43第二节冷作模具钢（2）CrWMn钢热加工工艺1.锻造：加热温度为1100-1150C，始锻温度为1050-1100C，终锻温度为800-850C。锻后应采用空气吹冷，以防止形成网状碳化物，尤其是大规格的钢材。2.退火和正火：加热温度为790-830C，等温温度为700-720C，退火后的组织比较均匀，退火后的硬度为207-255HBS。如果锻造质量不高，出现严重网状碳化物或粗大晶粒时，必须在球化退火之前进行一次正火，正火加热温度930-950C，然后空冷。44第二节冷作模具钢（2）CrWMn钢热加工工艺3.淬火和回火淬火温度为820-840C，油冷，硬度为63-65HRC。模具要求韧性较高而硬度要求不低于55HRC时，可采用下贝氏体等温淬火。回火温度一般为160-200C，为了克服回火脆性，应尽量避免在300C附近回火。45第二节冷作模具钢（2）CrWMn钢应用CrWMn钢的淬透性、淬硬性、强韧性、耐磨性及热处理变形倾向均优于碳素工具钢，主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载冲裁模，轻载拉深、弯曲、翻边模。46第二节冷作模具钢高碳高铬和高碳中铬工具钢低合金冷作模具钢的性能虽然优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性、变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的要求。对于形状复杂的重载冷作模具，必须采用性能更好的模具钢。47第二节冷作模具钢高碳高铬钢典型的钢号是Cr12和Cr12MoV，其组织和性能很相似，常统称为Cr12型钢。成分特点：高碳(1.3～2.3％)、高铬(11-13％)。属于高碳高铬莱氏体钢。48第二节冷作模具钢高碳高铬钢的性能特点：1）经热处理后，组织中含有大量弥散分布的铬的碳化物颗粒M7C3，使钢具有很高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力仅次于高速钢；2）淬透性高