常用模具材料及熱處理

1、第二章 常用模具材料及熱處理v1 常用模具材料 v2 模具熱處理v3 模具表面強(qiáng)化處理1常用模具材料v模具材料主要是滿足特定要求的鋼材。也有一些其它類型的材料。v鋼：炭鋼（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼）v合金鋼（合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、不銹鋼）牌號(hào)v普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用其屈服強(qiáng)度表示，即“Q”。如Q235（相當(dāng)于舊牌號(hào)A3）。v優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用其平均含碳量的萬(wàn)分率表示，如20鋼、45鋼、40鋼等。v碳素工具鋼的牌號(hào)用其平均含碳量的千分率表示，如T8、T10(A)。 合金鋼的編號(hào)原則 v“數(shù)字+合金元素符號(hào)+數(shù)字”。最前面的數(shù)字表示平均含碳量：結(jié)構(gòu)鋼用萬(wàn)分率，兩位數(shù)字；工具

2、鋼用千分率，一位數(shù)字。含碳量很高時(shí)不表示。合金元素符號(hào)后的數(shù)字表示平均百分含量，小于1.5時(shí)可不標(biāo)出。v合金元素含量1.5-2.5標(biāo)為“2”，2.5-3.5標(biāo)“3”，以此類推。一.常用模具材料 v可用于制造模具的材料種類繁多，包括各種碳素工具鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料等。v.碳素合金工具鋼v含碳量：0.7-1.4v主要牌號(hào)：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。v特點(diǎn)：價(jià)格便宜、切削性能好。淬火后有較高硬度和耐磨性，淬透性低，淬火時(shí)必須急冷，變形開裂傾向大、回火穩(wěn)定性差，紅硬性低（250C）v適用范圍：尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、負(fù)荷小、冷作模具。 合金工具鋼

3、v低合金工具鋼：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMOv含合金量：總量為1-3v特點(diǎn)：淬透性和淬硬性均較好。耐磨性，紅硬性較高?；鼗鸱€(wěn)定性好，熱處理變形小。vCrWMn鋼：（各種中小型冷作模具）v鎢形成的碳化物硬度很高，鎢能細(xì)化晶粒，提高韌性。淬火后殘留奧氏體較多，故變形小。 9Mn2V鋼：（沖裁模、彎曲模） v釩（V）的加入能顯著細(xì)化晶粒和提高韌性。錳的含量一般控制在2。v9SiCr鋼：（搓絲板、滾絲模）v250C回火時(shí)有回火脆性。較高的淬硬性和較好的回火穩(wěn)定性。淬透性優(yōu)于9Mn2V。GCr15鋼：v常用的軸承鋼，具有較高的淬透性和耐磨性。v鉻的加入有

4、利于提高淬透性、細(xì)化碳化物并使其分布均勻。v5CrMnMOv 鋼：（彎曲熱態(tài)模、切邊模）v5CrNiMov中碳低合金鋼，典型熱作模具鋼。強(qiáng)度高，韌性好。v淬透性好，抗回火性好，導(dǎo)熱性和耐熱疲勞性好，耐磨性好。高合金工具鋼： vCr12型鋼：v包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金鋼、工具鋼、萊氏體鋼v淬透性高、淬火硬度極高、熱變形小。vCr12鋼的含碳量較Cr12MoV高，碳化物多但分布不均勻性嚴(yán)重。vCr12鋼的強(qiáng)度和韌性比Cr12MoV低。D2鋼是近年用來(lái)替代Cr12MoV鋼的新鋼種。D2鋼的碳化物數(shù)量增多顆粒較細(xì)。3Cr2W8V鋼和H13鋼（4Cr5MoV1Si）、H11鋼（4Cr5Mo

5、VSi）鎢系低碳高合金鋼。 vH13鋼除強(qiáng)度略低于3Cr2W8V鋼外，其它力學(xué)性能均優(yōu)于3Cr2W8V鋼，是其替代鋼種。較好的氮化性能。v較小的熱膨脹系數(shù)，較好的耐磨性和紅硬性，良好的導(dǎo)熱性。熱處理變形小、但高溫韌性差。 3Cr3MoW2V鋼：代號(hào)HM1適合于急冷急熱條件下工作。 v5Cr4W5Mo2V鋼：代號(hào)RM2v4Cr3Mo3W4VNb鋼：代號(hào)GRv高溫性能良好，熱作模具鋼。8Cr2MnWMoVS鋼： v適用于精密塑料模。空冷微變形，易切削。調(diào)質(zhì)狀態(tài)硬度HRC40-50。調(diào)質(zhì)后切削即可直接適用，不存在熱處理變形。v7CrSiMnMoV鋼：v高強(qiáng)度和韌性好，焊接性能好。適合于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)

6、雜的模具零件。 高速鋼 v鎢系高速鋼（W18Cr4V） 鉬系高速鋼（W6Mo5Cr4V2鋼）v在高溫（600C）下仍保持高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和好的韌性。v鋼中含碳量為0.7-0.9，合金元素含量超過(guò)15，屬萊氏體鋼。 v高淬透性，空冷即可淬硬。 高速鋼含有大量粗大碳化物，且分布不均勻，不能用熱處理方法消除之。必須反復(fù)十字鐓拔以打碎粗大碳化物，并使其分布均勻。 v需經(jīng)多次回火，從而使大量殘余奧氏體大部分轉(zhuǎn)為馬氏體，并使馬氏體析出彌散碳化物。（300C左右為回火脆性區(qū)） 硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金v以難熔的金屬碳化物（WC、TiC等）作硬質(zhì)相，以鐵族金屬（Co或Ni）為粘結(jié)相，用粉末冶金

7、方法生產(chǎn)的一種多相組合材料。v鎢鈷（YG）：強(qiáng)度、韌性較高，多用于制造模具。v鎢鈷鈦（YT）：較高的紅硬性和抗氧性。v萬(wàn)能硬質(zhì)合金（YW）：高強(qiáng)度、高硬度。v（成分、性能可見P244表4-2） 鋼結(jié)硬質(zhì)合金 v以合金鋼為基本，金屬碳化物（TiCiWC）作硬質(zhì)相，用粉末冶金方法生產(chǎn)的一種新型模具材料。它是在具有一定強(qiáng)度和硬度的合金鋼基體上，彌散分布許多細(xì)小硬質(zhì)顆粒。v特點(diǎn)：v.具有鋼的可鍛性、可機(jī)加工性、可熱處理等性能，熱處理變形極小。v.淬火后具有硬質(zhì)合金的硬度和剛性。兩大類 :v.碳化鈦（TiC）作硬質(zhì)相；v.碳化鎢（WC）作硬質(zhì)相。v許多性能因基體（粘結(jié)劑）種類不同而不同可作硬質(zhì)合金基體的

8、有鉻鉬鋼、不銹鋼、高速鋼等。v（性能和一般化學(xué)成分見P245表A-3和表A-4） 二.模具鋼材的選用 v模具鋼材的選用及其鍛造或熱處理是模具制造技術(shù)中的關(guān)鍵之一。對(duì)提高模具質(zhì)量和延長(zhǎng)模具壽命有很大的影響。v選用模具材料時(shí)，需要綜合考慮模具的工作條件、性能要求、形狀和尺寸、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等。對(duì)模具材料的性能要求有時(shí)會(huì)遇到矛盾，則需適當(dāng)取舍、協(xié)調(diào)平衡解決。 1.模具材料的一般要求 v包括力學(xué)性能、高溫性能、表面性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性等。v力學(xué)性能：硬度、強(qiáng)度、韌性v高溫性能：高溫強(qiáng)度、抗氧化性、耐熱疲勞性、回火穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小v表面性能：耐磨性、耐蝕性 v工藝性能：切削加工性、電加工性、拋光性、可鍛

9、性、淬透性、熱處理性能、可焊性v經(jīng)濟(jì)性：資源條件、市場(chǎng)供應(yīng)情況、價(jià)格 各種模具工作條件不同，對(duì)材料性能要求也就各有差異。如： v冷沖壓模：高強(qiáng)度、高硬度。v冷擠壓模：高強(qiáng)度（抗壓、斷裂、疲勞強(qiáng)度）、高韌性、高硬度。v熱鍛模：高溫強(qiáng)度、硬度、耐蝕性、高溫回火穩(wěn)定性、抗高溫氧化性、耐熱疲勞性、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性高。 塑料模：較高的強(qiáng)度和硬度、較高的耐蝕性、良好的電加工性、良好的拋光性、較高的導(dǎo)熱性、可焊性、切削加工性。 v橡膠模：耐蝕性、耐熱性、可拋光性、一定強(qiáng)度和硬度。v陶瓷模：高硬度、耐熱性、可拋光性、一定強(qiáng)度和韌性。v玻璃模：耐熱性、耐蝕性、耐磨性、導(dǎo)熱性、一定強(qiáng)度和韌性。 表A-6 常用

10、模具鋼的性能特點(diǎn)及用途鋼材性能特點(diǎn)用途10、20易擠壓成形，滲碳及淬火后耐磨性稍高、熱處理變形大、淬透性低工作載荷不大、形狀簡(jiǎn)單 的冷擠模、陶瓷模45耐磨性差、韌性差、熱處理過(guò)熱傾向小、淬透性低、耐高溫性能差工作載荷不大，形狀簡(jiǎn)單的型腔模、沖孔模、橡膠模及鋅合金壓鑄模等T10A、T12A耐磨性差、熱處理變形大，淬透性低工作載荷不大、形狀簡(jiǎn)單的冷沖模、成形模T7A、T8A耐磨性稍好、熱處理變形大、淬透性低工作載荷不大、形狀簡(jiǎn)單的冷沖模、成形模表A-6 常用模具鋼的性能特點(diǎn)及用途（續(xù)）40Cr耐磨性差、韌性高、熱處理變形稍小、淬透性稍高、耐高溫性能差用于鋅合金壓鑄模9Mn2V、GCr15耐磨性較好

11、、熱處理變形小、淬透性稍高工作載荷稍大、形狀簡(jiǎn)單的冷沖模、膠木模CrWMn耐磨性好、熱處理變形小淬透性較高工作載荷較大、形狀較復(fù)雜的冷場(chǎng)模、成形模9CrSi耐磨性好、熱處理變形小淬透性較高用于沖頭、滾絲模60Si2A韌性好、熱處理變形較小、淬透性高用于標(biāo)準(zhǔn)件上的冷鐓模表A-6 常用模具鋼的性能特點(diǎn)及用途（續(xù)）Cr12耐磨性好、韌性差、熱處理變形小、淬透性高、碳化物偏析嚴(yán)重工作載荷大、形狀復(fù)雜的高精度冷沖模Cr12MoV耐磨性好、熱處理變形小、淬透性高、碳化物偏析比Cr12小工作載荷大、形狀復(fù)雜的高精度冷沖模、冷擠模以及冷鐓模5CrMnMo、5CrNiMo韌性較高、熱處理變形較小、淬透性較好、回

12、火穩(wěn)定性較高熱態(tài)下工作的熱鍛模、熱切邊模3Cr2W8V紅硬性高、熱處理變形小、淬透性好熱態(tài)下工作的熱擠模、熱沖模、壓鑄模W18Cr4V、W6MoCr4V紅硬性高、熱處理變形小、淬透性好工作載荷大的沖頭、冷擠模及熱態(tài)下工作的熱沖模2.模具材料的一般選用原則 v模具材料，主要是成型零件和工藝零件的選材，一般在某些方面的性能，要求較高甚至很高。這方面的選材對(duì)模具質(zhì)量、壽命、加工制造及成本都有很大的影響。 一般原則： v滿足使用性能要求。主要從工作條件、模具結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形狀和尺寸、生產(chǎn)批量等綜合考慮。v形狀復(fù)雜、精度高變形小、導(dǎo)熱性好、膨脹系數(shù)小v 大負(fù)荷高強(qiáng)度v摩擦、磨損高硬度v 沖擊負(fù)荷高韌性v 表

13、面光潔可拋光性 良好的制造工藝性能。容易制造、容易精修、便于修改。 v一般都要求有良好的切削加工性、熱處理特性。v尺寸性、形狀復(fù)雜的較小的淬火變形傾向v含有細(xì)小結(jié)構(gòu)的電加工性v精度高的熱處理變形小、易磨削v制品生產(chǎn)工藝條件復(fù)雜的易磨削、可焊接。 經(jīng)濟(jì)性（制造成本）： 盡量考慮到價(jià)格便宜、資源豐富、供應(yīng)方便。4.塑料模的材料選用 v在我國(guó)，塑料模具用鋼至今還未形成專用鋼材系列，通常采用一般工具鋼。如T10A、CrWMn、Cr12MoV鋼等。這些鋼切削加工性較差，難以制造型腔復(fù)雜的塑料模具，而且一旦熱處理變形超差則難以修復(fù)。v為了適應(yīng)塑料模日益發(fā)展的需要。常參考國(guó)外塑料模具用鋼并結(jié)合我國(guó)的具體條件

14、進(jìn)行選用。 塑料模的鋼材選用原則是 v 足夠的強(qiáng)度和硬度；v 良好的切削加工性；v 良好的拋光性；v 良好的電加工性；v 良好的耐腐蝕性；v 良好的淬透性；v 良好的照相腐蝕加工性；v 良好的焊接性能；v 熱處理變形小、熱膨脹系數(shù)??；v 表面熱處理性能好。 如： v形狀簡(jiǎn)單選用45、40Cr、T10A、低熔點(diǎn)合金、鋅基合金。v形狀復(fù)雜選用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）鋅基合金、鈹銅合金等。v精度高、壽命長(zhǎng)、表面粗糙度很低v可選用進(jìn)口鋼材：美P6、P20、PPT；日HPM1、YAG；瑞S136(H)2 模具熱處理 v熱處理的目的：有目的地改變鋼材的內(nèi)部組織結(jié)

15、構(gòu)，從而使機(jī)械性能、力學(xué)性能、加工性能等達(dá)到特定的要求。v熱處理三階段：v 加熱：以一定加熱速度使工件達(dá)到特定溫度；v 保溫：使工件內(nèi)外溫度均勻；v冷卻：工件置于適當(dāng)?shù)睦鋮s劑中，以一定冷卻速度降到特定溫度。 常用工藝方法：退火、正火、淬火、回火 退火：將工件加熱到臨界點(diǎn)以上某一溫度然后保溫一段時(shí)間，再隨爐極緩慢冷卻；v作用：可以得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，清除鍛造應(yīng)力和加工硬化，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備（組織均勻）。v退火完全退火（再結(jié)晶退火）、球化退火、擴(kuò)散退火、消應(yīng)力退火、低溫退火 正火： v加熱至Ac3或Accm以上30-50C,然后在空氣中冷卻。v作用：可消除冷作、鍛造或急冷時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)含C

16、低于0.45的碳鋼，可用正火代替退火。 退火、正火工序的溫度區(qū)域：淬火： 加熱至淬火溫度以上某一溫度后保溫一段時(shí)間，然后將工件置入冷卻介質(zhì)（水、油、鹽液）中，以極快的速度進(jìn)行冷卻而獲得馬氏體組織。v冷卻速度大于臨界速度。v 淬火易出現(xiàn)：v產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力v淬裂或變形v體積增大且在各方向上不均勻v淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力學(xué)性能。 回火： v加熱至A1以下某一溫度保溫一段時(shí)間，然后進(jìn)行冷卻。v作用：消淬火應(yīng)力，改變淬火組織，適當(dāng)改善強(qiáng)度和韌性。滲碳體（Fe3C）、碳溶解于鐵中形成固溶體叫奧氏體（用A表示）、碳溶解于鐵中形成鐵素體 3模具表面強(qiáng)化處理 v物理表面處理法：高頻淬火、火焰淬

17、火、激光熱處理、加工硬化v化學(xué)表面處理法：滲碳、滲氮、低溫氮碳共滲、滲硫、滲金屬、碳化物鹽浴涂覆v覆層表面處理法：電鍍、化學(xué)氣相沉積、真空鍍膜、離子噴鍍、噴鍍、熱噴涂、表面合金化v改變表層的成分、組織、性能，與適宜的心部性能相配合，提高硬度、耐蝕、耐熱、抗咬合、低摩擦系數(shù)等特殊性能。 二.模具表面強(qiáng)化處理工藝特點(diǎn)及應(yīng)用 v（一）模具滲氮v1.滲氮處理的特點(diǎn)v模具滲氮后的性能特點(diǎn)v表面硬度高v具有較高的紅硬性v顯著提高疲勞強(qiáng)度v提高模具耐蝕性v滲氮處理溫度低，模具氮化后變形極小v降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力 2.模具的滲氮方法有氣體滲氮、氣體低溫氮碳共滲和離子滲氮. v氣體滲氮v基本原

18、理 氣體滲氮與滲碳相似，由3個(gè)基本過(guò)程組成：活性原子的產(chǎn)生，零件表面對(duì)活性原子的吸收，活性原子自模具表面向內(nèi)部擴(kuò)散。v工藝參數(shù) 滲氮的主要工藝參數(shù)是滲氮溫度、滲氮時(shí)間和氨分解率。 氣體低溫氮碳共滲 v常用方法：va.尿素氣體低溫氮碳共滲vb.有機(jī)液體滴注式氣體低溫氮碳共滲vc.氨加熱式氣體低溫氮碳共滲v氣體低溫氮碳共滲工藝v在氮碳共滲前應(yīng)對(duì)模具進(jìn)行脫脂、除銹、清洗、防滲表面的保護(hù)等預(yù)處理工作。v離子滲氮 （二）模具滲硼、滲鉻 v1.滲硼v滲硼方法有固體滲硼、氣體滲硼、鹽浴滲硼。國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是鹽浴滲硼和固體滲硼。v滲硼前后的熱處理：v模具滲硼前應(yīng)進(jìn)行精加工和消除應(yīng)力處理，以避免滲層不均和滲后變形，并要對(duì)模具表面進(jìn)行清洗。v對(duì)于模具心部要求不高的，滲硼后空冷即可，對(duì)要求內(nèi)部有足夠強(qiáng)度的，滲硼后要進(jìn)行淬火，回火處理。 2.滲鉻 v滲鉻的方法很多，分為固體、液體和氣體滲鉻，常用的有粉末滲鉻和真空密封滲鉻。v模具滲鉻的應(yīng)用： v滲鉻對(duì)在熱態(tài)工作或承受強(qiáng)烈磨損的模具有顯著效果，適用于錘鍛模、壓鍛