常见模具材料及热处理

模具基本知識講義常見模具材料及熱處理常見模具材料及熱處理常見模具材料常見模具材料及熱處理沖模二廠常用的模具材料如下﹕1.SS41(JIS)2.SKD11(JIS)3.YK30(SK3)4.SKH-9(JIS)5.PD206.DC53(JIS)7.SKD618.A3鋼9.鎢鋼10.45鋼等常見模具材料及熱處理SS41(JIS)為日本鋼材牌號,相當於中國的A3鋼.屬於低碳機械構造用鋼.該鋼材含碳量為0.30%,不能進行熱處理,硬度不高;塑性較好,強度較低,機械加工性能好,可以滿足模具中非成形模板性能要求.該鋼材適用於模具結構中的打背板,上托板,下托板,上墊腳,下墊腳,上模座,下模座,墊板和夾板等受力不大的模板和零件.常見模具材料及熱處理SKD11(JIS)該鋼材冷作模具合金工具鋼.相當於中國的Cr12MoV,是一種高C,高Cr型合金鋼.各元素含量為1.45%~1.70%C,11.00~12.50%Cr,0.40~0.60%Mo,0.15~0.30%V.高碳保証獲得過飽和的馬氏體(該組織很硬),以確保高硬度,高耐磨性和一定的熱硬性(鋼材在高溫如500攝氏度仍能保証足夠的硬度).鉻可以極大地增加鋼的耐磨性能,同時還大大改善了鋼的淬透性(鋼材淬火後能獲得外部較硬,心部較軟的現象稱為淬透性.淬硬的越多表明淬透性越好).鉬釩不僅增加回火的穩定性,尚可細化晶粒,改善碳化物不均勻性,從而提高鋼的強度和韌性.其正常工作時地硬度為HRC58~64.適用於受力較大的模具成形模板.如上打板(通常熱處理HRC52)和下模板(通常熱處理HRC58).常見模具材料及熱處理YK30(SK3)該鋼材為日本牌號,含碳量較高,屬於碳素工具鋼.YK30是SK-3的改良鋼種,具有較SK-3更佳的強韌性和硬化能,同時還有易加工性能,且具有一般高碳鋼的高硬度和高耐磨性.各元素含量為:1.00~1.10%C,0.8~1.10%Mn,0.2~0.6%Cr.熱處理後硬度為HRC50,用於局部受力較大的模板(采用一般的鋼板會產生較大的變形),如模具的上下墊板,夾板,打板等.常見模具材料及熱處理SKH-9(JIS)為合金工具鋼,相當於中國的W6Cr4Mo5V2合金工具鋼.由於含有鎢元素,使其具有熱硬性,同時提高了鋼的回火(熱處理的一種,常為減少或消除內應力)穩定性.釩與碳形成碳化物硬度高達HRC83.因此,該鋼材硬度較高,熱處理後硬度可達到HRC65.但脆性大,塑性差,不易進行切削加工.適用與作直徑小於3.0的沖子材料.常見模具材料及熱處理熱處理基本知識1金屬結構及合金化兩種或兩種以上元素相互作用時形成合金,合金中組元原子相互作用的情形可能有:固溶體:異類原子能以不同的比例混合,形成與某一組元相同的晶體結構,如置換式,間隙式化合物:異類原子能以固定的比例混合,形成與組金屬材料強化途徑A固溶強化:合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體時,合金的強度及硬度一般會得到提高,基體塑性則不降低.少量多元B沉淀強化:過飽和固溶體分解析出彌散相,引起合金強化C冷變形強化:金屬材料在再結晶溫度以下的變形,會引起強度升高,而塑性降低.D第二相相強化:超過極限溶解度的部分形成過剩的第二相,其強化效果與過剩相性能的本身有關;還與其形態/大小/數量及分布關(彌散強化).E細晶強化:基體相晶粒細化及過剩相晶粒細化,晶粒越細,單位體積內的晶界面積越大,對位錯運動的阻力越大,因而強度及塑韌性越高.主要手段有;變質處理變形及再結晶壓鑄加難熔質點作為非自發晶核等3金屬材料之熱處理工藝退火:消除殘余內應力/成份不均勻/組織不穩定等缺陷固溶處理:對於第二相在基體相中的固溶度隨溫度降低而顯著減小的合金,將其加熱至能全部溶入固溶體的溫度,保持一定時間后,以快於第二相自固溶體中析出速度冷卻,獲得過飽和固溶體的過程.C時效:過飽和固溶體處于不平衡狀態,因而有發生分解和析出過剩溶質原子(呈第二相形式析出)的自發趨勢,使合金的強度/硬度升高,但塑性及抗蝕性下降.常見模具材料及熱處理改善鋼的性能,通常采用兩個途徑:1.調整鋼的化學成分,加入合金元素(如鎂,鉬,鎳等),即合金化;2.實施鋼材的熱處理.熱處理是通過加熱,保溫,冷卻之操作方法,使鋼的組織結構發生變化,以獲得所需要的性能之加工工藝.常見模具材料及熱處理鋼的熱處理根據加熱和冷卻方法不同,大致分為:1.普通熱處理(通常稱為四把火即退火,正火,淬火,回火.也是最常用的熱處理方法)2.表面熱處理(如表面淬火和化學熱處理等).在日常機械加工過程中,時常需要進行熱理.熱處理可以是機械加工過程的中間環節,也可以是使機械零件達到規定技術要求的最終工序.常見模具材料及熱處理退火所謂退火，就是將金屬或合金加熱到適當溫度，保溫一定時間，然後隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝，其實質是將鋼加熱奧氏體化后進行珠光體轉變。.退火方法:常用的退火方法有完全退火(重結晶退火)、球化退火、去應力退火、再結晶退火、擴散退火和等溫退火等幾種。球化退火:使鋼中碳化物球狀化而進行的退火工藝。常用的球化退火有普通球化退火和等溫球化退火兩種，工藝主要用於模具、量具和刃具鋼等。常見模具材料及熱處理正火所謂正火就是將鋼材或鋼件加熱到合適的溫度，保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝。2.正火之主要應用:(1).對於一些含碳量較高的鋼材,改善其組織結構,為以後熱處理(如:球墨化處理)作準備.(2).對含C量0.4%的中、低碳鋼可用正火代替退火作預先熱處理,獲得合適的硬度,便於切削加工;(4).含C量在0.4~0.7%的不太重要的工件可在正火狀態下使用，即作為最終熱處理。常見模具材料及熱處理退火與正火之目的1.軟化鋼材以便切削加工;2.消除殘余應力,防止工件變形,開裂;3.細化晶粒,改善組織結構,提高鋼的機械性能;4.為最終熱處理作準備退火與正火之區別1.加熱溫度不同,一般正火加熱溫度高於退火加熱溫度2.正火與退火最明顯不同在於正火冷卻速度稍快.常見模具材料及熱處理淬火將工件加熱一定溫度後,保溫一段時間後,取出工件使其快速冷卻的操作方法.淬火之目的一般都是為獲得馬氏體(一種非常硬的晶體結構),提高工件的機械性能,如硬度和耐磨性.淬火介質1.油(礦物油)如10號機油2.水3.鹽水4.鹼浴常見模具材料及熱處理回火所謂回火就是鋼件淬硬后，再加熱到稍低於淬火溫度，保溫一定時間，然後冷卻到室溫的熱處理工藝。回火目的：(1).合理地調整力學性能，使工件滿足使用要求；(2).穩定組織，使工件在使用過程中不發生組織轉變，從而保證工件的尺寸、形狀不變；(3).降低或消除淬火內應力，以減少工件的變形並防止開裂。3.回火分類(按照加熱溫度的不同)(1)低溫回火(回火溫度在250℃以下);(2)中溫回火(回火溫度在350℃~500℃);(3)高溫回火回火溫度在500℃~650℃.常見模具材料及熱處理深冷處理：深冷處理就是鋼件淬火冷卻到室溫后，繼續在０℃以下的介質中冷卻的熱處理工藝，也稱為冷處理，是淬火過程的繼續。深冷處理目的：為了最大限度的減少殘余奧氏體(常溫下不穩定組織，容易引起尺吋變吋等)，以進一步提高工件淬火后的硬度和防止在使用過程中因殘余奧氏體的分解而引起的變形，同時強度、硬度和耐磨性都可得到不同程度的提高。模具零件失效原因分析材質模具失效鋼內疏鬆化學成份偏析帶狀組織鋼的鈍靜度差帶狀(網狀)碳化物球化退火質量不好熱處理回火次數不當硬度不當淬火溫度不當加熱速度不當冷卻速度不當保溫時間不當爐內气份不當機械加工表面粗造度差連結角半徑過小磨削損傷電加工質量差加工應力未除去尺寸精度差設計材料纖維取向不合理硬度不合理選材不當配合精度不當有尖角連結角半徑過小厚薄壁差大操作模具預熱溫度不當終鍛溫度偏低冷卻條件不當壓鑄溫度不當(熱鍛溫度)潤滑條件差去應力次數少設備狀況不好模具安裝不當模具失效特征一、冷作模具失效特征:斷裂失效/磨損失效/疲勞失效/塑性變形。二、熱作模具失效特征:1.熱磨損:主要是模具與被加工的紅熱金屬坯料之間的摩擦得不到潤滑，被紅熱的金屬坯料氧化，型腔表面層被回火軟化，而氧化又加劇了磨損,形成無數的摩擦溝痕。2.冷熱疲勞:占失效模具總數的60~70%。冷熱疲勞是模具表面經受反復加熱和冷卻所產生的應力引起疲勞的結果。模具失效特征3.腐蝕:在高溫下受到流體金屬的物理和化學作用，在壓鑄模具表面產生的腐蝕--表面平整，棱角變鈍，嚴重影響鑄件的幾何形狀、尺寸精度和表面質量4.斷裂失效:在壓鑄模當中約占5~10%左右。5.塌陷模具在服役過程中，模腔型面變形下塌，使加工零件呎寸超差，從而造成模具失效。A材質材質錯誤:(1)造成熱處理工藝不當，熱處理后硬度不足;組織過熱、過燒致使工件報廢;(2)影響材質機械性能造成模具過早失效；材料品質差：1材質化學成份與標準不相符；2成份偏析:嚴重共晶碳化物帶狀、網狀偏析、夾雜、液析等；SKH51共晶碳化物不均勻度2級(合格)SLD共晶碳化物不均勻度1.5級(合格)SKH51試樣中部橫向金相照片(不合格)SLD高倍照片，較完好的魚骨狀共晶碳化物(不合格)材質不良開裂案例模板開裂的主要原因是材料內部碳化物分布嚴重不均材質不良所致，而磨削工序進給量過大，亦起促進作用。B.模具結構設計与熱處理:還須注意其熱處理工藝性，因模具斷面尺寸不均勻，形狀結構不合理(如尖角)等。將促成熱處理加工時。因強大的熱處理應力、組織應力雙重作用，而致使開裂之可能。W/E加工時會打破原有應力平衡，應力重新分配時導致模板薄弱處發生開裂。C.熱處理加工操作控制不當YK30、SKS3模板校變形開裂檢討:熱處理校正時間過長、回火前溫度(80℃)偏低、存在回火不及時之疑點;材質經質量追溯均存在質量缺陷。SLD結構復雜件加工中開裂異常原因:冷卻模式選擇不當且工件出油溫度過低；回火不及時及回火入爐溫度過高(450℃)。壓變形時機控制不當；工件結構不對稱且直角太多；裂紋D磨加工的影響基體組織高溫回火燒傷層二次淬火燒傷層E.線切割(W/E)及放電(EDM)加工的影響:金屬表面快速熔化及凝固，形成硬度、組織及性能異常的變質層,最深可達0.1mm,該變質層模具使用壽命將產生較大影響。