第二讲 模具材料及热处理

第二讲模具材料及热处理常用模具材料模具材料的一般性能要求及选用原则模具常用热处理冷作模具钢及其热处理塑料模具钢及其热处理其他模具材料的热处理常用模具材料模具用途广泛，工作条件差别大，制造模具的材料范围很广。目前，冲压模、塑料模、压铸模、粉末冶金模的材料以钢为主，有些模具还可采用低熔点合金和非金属材料等。模具用钢主要性能要求：硬度和耐磨性（最重要的模具失效形式，决定模具寿命）可加工性能（模具零件形状复杂，要求热处理变形小）强度和韧性（足够的强度承受高压，冲击载荷等要求高韧性）淬透性、抛光性、耐腐蚀性（塑料及添加剂的腐蚀作用）。模具材料的性能对模具寿命有决定性的影响，根据模具的结构和使用情况，合理选用制模材料是模具工程师的重要任务之一。模具热处理及表面强化是模具制造中的关键工艺，是保证模具质量和使用寿命的重要环节，实际使用证明，在模具失效中由于热处理不当引起的占很大比例。模具用钢按用途可分为三大类：冷作模具钢：制作金属在冷态下变形的模具，包括：冷冲模、冷挤压模、冷镦模、粉末压制模。要求高硬度、高耐磨性及足够强度和韧性。热作模具钢：制造经过加热的固态或液态金属在压力下成型的模具，包括：热锻模、压铸模。要求高温下足够的强度、韧性和耐磨性及高热疲劳抗力和导热性塑料模具钢：制造各种塑料模具。塑料品种多，要求差别大，其模具材料范围广。主要要求工艺性能高（热处理变形小、抛光性好、耐腐蚀）选用一般原则：满足使用性能要求、良好的工艺性能、适当考虑经济性模具材料的性能要求及选用原则模具材料的一般性能要求包括：力学性能、高温性能、表面性能及经济性。模具的用途不同，在性能上侧重点也不同，如冷冲模对耐磨性和淬透性要求高，塑料模要求材料可加工性和抛光性好。常用模具材料牌号对照表类别中国钢号通用钢号钢材特性塑胶模具钢3Cr2MoP20（美国）预硬塑胶模具钢3Cr2NiMo718（瑞典）超预硬塑胶模具钢4Cr13S136（瑞典）抗腐蚀塑胶模具钢1CrNi3NAK80（日本）镜面塑胶模具钢3Cr17MoM300（奥地利）耐腐蚀塑胶模具钢五金模具钢CrWMnSKS3（日本）不变形油钢Cr12MoVSKD11（日本）耐磨韧性铬钢热作模具钢4Cr5MoSiV18407（瑞典）SKD61（日本）H13（美国）通用热作模具钢模具常用热处理工艺模具材料热处理：在钢厂内完成，保证钢材质量，如基本力学性能，金相组织要符合国家标准或行业标准。特点是大型工业炉中大批量生产。模具零件热处理：在模具制造厂完成，或专业热处理厂完成。特点是小批量或单件生产，工艺复杂多样，设备精良。热处理工艺方法，分预备热处理和最终热处理。常用方法有：正火、退火、淬火、调质、渗碳及氮化等，见表。模具热处理包括模具材料热处理和模具零件热处理。冷作模具钢及其热处理冷作模具钢的主要性能要求：高变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳、抗黏着性能常用材料包括：碳素工具钢，T10A，T12A低合金钢，9Mn2V、CrWMn、9SiCr、GCr15高合金钢，Cr12、Cr12MoV合金钢主要特点：含C量高、含较多合金元素、合金元素降低钢的马氏体相变点Ms冷作模具主要用于金属或非金属材料的冲裁、拉伸、弯曲等工序。工作零件承受拉压、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等多种机械力作用。主要失效形式：断裂、堆塌、磨损、黏着（咬合）、啃伤、软化等冷作模具钢侧重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性为主。冷作模具钢及其热处理冷作模具钢热处理特点：加热方式(预热或阶梯式升温）、加热介质（采用控制气氛炉、真空炉）、冷却方式（较缓和的冷却方式以减少变形）、表面处理（深冷处理、渗氮）、工序间防护（及时清理）碳素工具钢的热处理：用于要求不太高的小型简单冷作模具工作零件，（T8A,T10A)，T10A应用最普遍，强度和韧性较高。碳素工具钢淬透性差，常规淬火后淬硬层1.5～3.0mm。低合金钢的热处理：俗称油淬钢，这类钢一般淬火温度较低，在油中冷却，变形小，尺寸稳定性好。主要有：鉻钨锰钢(CrWMn，9CrWMn)，锰钒钢(9Mn2V)，高碳鉻钢（Cr2），鉻硅钢(9SiCr)高合金钢的热处理：主要是高鉻高碳钢，淬透性极高，具有微变形性，也叫微变形钢，是高级冷作钢。代表钢号Cr12，Cr12MoV，Cr12W，Cr5MoV等火焰淬火冷作模具钢的热处理：为简化大型、特大型冷作模具的生产过程而专门研制的，其热处理特点是：淬火温度范围很宽（880--1150℃），适合手工操作；淬透性很高，空冷后表面硬度高，芯部性能也好；淬火变形倾向性小。应用较普遍的是：7CrSiMnMoV（日立金属HITACHI）SKD11(56.00元/公斤)是一种耐磨性能较佳的通用冷作模具钢.有着良好的淬火性,并且淬火变形量小。用途:此钢易于车削,并宜制锋利刀口,剪刀,圆锯,冷或热作修整模,滚简边,螺丝纹,线模,铣刀,冲压模,圆形滚边,制电力变压器心冲模,切割钢皮轧刀,钢管成型滚简,首筋匠滚简,特殊成型滚简,精密规,形状繁杂之冷压工具,治金,锡作模,塑胶模,螺钉打头模等.冷作模具钢与热作模具钢的区别：冷作模具钢侧重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性为主。热作模具钢对硬度要求适当，侧重于红硬性，导热性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、红硬性为主。塑料模具钢及其热处理塑料模具钢的主要特点：范围广：从普通钢到专用钢。专用钢已自成体系，钢号前加SM性能要求严格，热处理难度大，要求可抛光性和镜面质量避免变形耐腐蚀易切削性塑料模具钢及其热处理各种钢型的热处理预硬化型塑料模具钢的热处理易切削预硬化型塑料模具钢的热处理非合金中碳塑料模具钢的热处理渗C型塑料模具钢的热处理耐腐蚀型塑料模具钢的热处理时效硬化塑料模具钢的热处理塑料模具钢及其热处理预硬化钢泛指钢厂已进行最终热处理（淬火回火）的钢材。典型预硬化塑料模具钢为：SM3Cr2Mo.其热处理工艺为：840--880℃淬火，油冷，600--650℃回火，空冷，供应硬度32HRC。对应的美国钢材为P20，德国钢40CrMnMo7，日本HPM2。P20钢渗Ｃ后热处理工艺为：820--870℃淬火,150--260℃回火，空冷，渗Ｃ层硬度达58-64HRC。德国钢40CrMnMo7淬透性比SM3Cr2Mo好，加工性、抛光性更好。塑料模具钢及其热处理易切削预硬化钢在保证原有性能前提下，添加一种或几种易切削合金元素。典型材料有：8CrMnWMoVS(8CrS)，含S易切削钢，热处理硬度达40—42HRC时，其切削加工性相当与退火态的T10A钢（200HBS），可抛光性和光刻浸蚀性好。典型热处理：800±10℃退火，保温2-4h，降温到700-720℃，保温4-6h，炉冷，硬度=229HBS，880-920℃淬火，空冷，硬度63HRC，160-200℃回火，空冷，硬度=58HRC。高韧性易切削钢：5CrNiMnMoVSCa塑料模具钢及其热处理非合金中碳塑料模具钢是冶金质量（纯洁度）更高的中碳碳素结构钢，含C量在0.4%—0.6%。典型材料有：SM45、SM50，同类日本钢号是S45C—S58C。其热处理工艺与常规工艺无异，对于小型、精度要求不高的塑料模具零件，首选此钢种。渗C型塑料模具钢：对受冲击大的塑料模具零件，要求表面硬心部韧，采用渗C钢。一般零件采用20Cr。对表面质量要求很高的零件采用专门钢种：12CrNi3A。塑料模具钢及其热处理耐腐蚀型塑料模具钢用于制造对金属有腐蚀作用的塑料制品模具零件。典型钢种有：Cr13、9Cr18等可强化马氏体不锈钢。其热处理与一般不锈钢制品热处理相同。时效硬化型塑料模具钢：对于形状复杂、高精度、长寿命的塑料模具零件为减少热处理变形和提高模具零件的精度保持性采用时效硬化钢。模具零件在固溶处理后变软（28-34HRC），便于加工成型，然后再时效硬化，获得所需综合力学性能。塑料模具钢及其热处理马氏体时效硬化钢具有高屈强比、良好切削性能和焊接性能。典型钢种有18Ni在固溶状态下硬度28HRC，480℃时效3h，硬度可提高到43HRC，保温时间更长，硬度可达52HRC。析出硬化型钢是通过固溶处理和沉淀析出第二相而强化，硬度可达37-43HRC。代表性钢号有：25CrNi3MoAl。这类钢冶金质量高，一般采用特殊冶炼，纯洁读好，镜面研磨性好。其热处理分为：第一次固溶（淬火），第二次固溶处理（回火）和时效处理。市场上常用塑料模具钢718塑料模具钢（43元/单位）718塑料模具钢：交货状态已预加硬至HB285-320（HRC30-35）不需要再淬硬，永不变形；可再加硬至HRC40。性能说明:经电炉精炼或电渣重溶钢，适合电蚀（电火花）加工，易镜面抛光；淬透性好，综合力学性能好。主要用于：(1)长期生产或大型塑胶料模具；(2)有镜面抛光要求的大型塑料模具。718H（36元/单位）为真空熔炼之铬-镍-钼合金钢，出厂前已经过淬硬及回火处理，具备下俩各项优点：无淬裂和热处理变形风险无需热处理费用缩短模具制作周期降低模具所需成本（例，无需侨正变形）模具易于修正可施以氮化及火眼硬化处理，以增进模具的表面硬度及耐磨性。718H主要用途：大型长寿命塑胶注塑模，如家电制品，电脑外壳等模具高表面光洁度之塑胶制品模具吹塑模由于硬度高，可用于塑胶模具中之滑块成形工具，压缩-制动模（弯板机模），（视生产需要可施加火焰硬化或氮化处理）构造零件及轴718H钢材特长：抛光性及加工性好,钢材纯洁度高.出厂状态：预硬HB330-370S136(96元/单位)S136－－高耐磨抗腐蚀预硬镜面钢材一勝百（瑞典）ASSABSTAVAXESR(S-136)为高級不锈工具钢、其具备以下的特性：●优良的耐腐蝕性●优良的抛光性●优良的耐磨性●优良的機械加工性●淬火時具有优良的穩定性綜合上列的优点，使得該鋼種具有卓越的生産特性。由於其優良的耐腐蝕性，在塑料模具中使用的好處概述如下：●較低的維修費用模具經過長期使用後，模穴表面仍然維持原先的光滑狀態。模具在潮湿的环境下操作HPM38(日立金属)－－高耐磨抗腐蚀预硬镜面钢材HPM38是13Cr系含Mo不锈钢,经过特殊溶解制造而成有很好的耐腐蚀性.因此,最适合于要求硬度高且对耐腐蚀镜面性要求高的塑胶模具,而且,HPM38热处理尺寸变化极小,适合精密热处理.另外,它的浸蚀性好,有利于模具的保养.主要用于:日用透明産品(家电,医疗,食品)高抛光要求的模具以及耐腐蚀要求的橡胶模具等.如:通讯器材零件,医疗器械零件等.特点：抛光性非常好,耐腐蚀性佳,热处理尺寸极小热作模具钢及其热处理热作模具主要有鍛模、热挤压模、压铸模等主要失效形式：断裂（开裂或机械疲劳裂纹）、塑性变形或型腔堆塌、热疲劳、热磨损和热熔损.热作模具钢的主要特点：除良好的工艺性能外，还要求在不同温度下具有高的强度、韧性、硬度、热稳定性。一般含C量较低，多元合金化（含Cr、W、Mo、Ni、V、Si、Co等）较高韧性热作模具钢：用于制造受冲击载荷较大的热作模具工作零件。典型钢号：5CrNiMo和5CrMnMo。热作模具钢及其热处理高热强性热作模具钢：主要制作压铸模、机锻模的工作零件。要求有较高的热强性、热疲劳性、热熔损、回火抗力、热稳定性。一般含较多Cr、W、Si、Mo、V等合金元素。代表钢号有：4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1(国外牌号H13)、4Cr3Mo3SiV高耐磨性热作模具钢：具有红硬性和良好的热磨损性，有较高的高温强度、高温韧性和热稳定性。代表钢号：3Cr2W8V，含W量高。淬火温度高：1100-1150℃，为减少变形，要缓慢升温，对复杂、大型件应预热其他模具材料的热处理模具用铸铁的热处理：制造大型复杂模具，一般选用球墨铸铁、合金铸铁。典型热处理为正火及高温回火。模具用铸钢的热处理：大型锻模，典型代表ZG5CrMnMo、ZG5CrNiMo等。热处理一般为正火和回火。钢结硬质合金的