模具材料與熱處理第二章-金屬模具材料課件

1、第二章金屬模具材料第一節(jié)模具材料的分類及性能第二節(jié)冷作模具鋼第三節(jié)熱作模具鋼第四節(jié)塑料模具鋼第一節(jié)模具材料的分類及性能一、模具材料的分類及應(yīng)用表2-1模具鋼的分類表2-1模具鋼的分類二、模具鋼的牌號表示方法1.碳素鋼用作模具的碳素鋼主要有優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法為：用兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以萬分之幾計。65 Mn含錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(0.70%1.20%)第一節(jié)模具材料的分類及性能2.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法為：“兩位數(shù)字+化學(xué)元素符號+數(shù)字+”。3.合金工具鋼合金工具鋼的牌號表示方法為：“一位數(shù)字(或沒有數(shù)字)+化學(xué)元素符號+數(shù)字+”，其

2、合金元素含量的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，只是含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表示方法不同，平均含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于1.0%時，在牌號中不標(biāo)出含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，平均含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時，則在編號前以一位數(shù)字表示含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以千分之幾計。三、模具材料的力學(xué)性能第一節(jié)模具材料的分類及性能1.強(qiáng)度與韌性衡量模具材料的強(qiáng)度指標(biāo)主要是屈服點(diǎn)，對冷作模具鋼主要是常溫下的屈服點(diǎn)s或屈服強(qiáng)度02，對熱作模具鋼是高溫屈服點(diǎn)或高溫屈服強(qiáng)度。2.硬度與耐磨性硬度是衡量材料軟硬程度的性能指標(biāo)，它表示材料的彈性、塑性、形變強(qiáng)化率、強(qiáng)度和韌性等一系列物理量組合而成的綜合力學(xué)性能指標(biāo)，模具的硬度應(yīng)高于被加工材料的硬度，淬火鋼的硬度主

3、要取決于含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此冷作模具鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般高于0.8%，而熱作模具鋼因工作溫度高，故被加工的材料的硬度較低，其含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以稍低，一般為0.4%0.6%。第一節(jié)模具材料的分類及性能3.高的紅硬性紅硬性是材料在高溫下仍保持高硬度的能力。4.熱疲勞一些模具在工作時，特別是熱擠壓模和壓鑄模等。四、模具材料的工藝性能1.可鍛性采用鍛造工藝可以減少模具的機(jī)械加工余量，改善材料組織中夾雜物與碳化物的形態(tài)、大小與分布狀態(tài)，細(xì)化晶粒，形成有利的纖維組織，消除材料內(nèi)部的組織缺陷。第一節(jié)模具材料的分類及性能2.切削加工性模具材料由于其本身的性能要求，一般切削加工都較困難，為了改善切削加工性，應(yīng)采用

4、合理的熱處理工藝，必要時可選用含S、Ca等元素的易切削鋼。3.可磨削性模具的尺寸精度和表面粗糙度對加工出的產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響，因此許多模具必須經(jīng)過磨削加工，以達(dá)到模具制造要求，對磨削性的要求主要是模具材料對砂輪質(zhì)量及冷卻條件應(yīng)不敏感，不易發(fā)生磨削裂紋。4.熱處理工藝性為了使模具獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，滿足使用條件，模具都須進(jìn)行熱處理。第一節(jié)模具材料的分類及性能(1)淬透性與淬硬性對于較大尺寸的模具除了要求表面有較高的硬度外，還要求心部有良好的強(qiáng)韌性，即表面要求淬火后有一定硬度，而心部要求淬透，這樣才能保證其模具整個截面尺寸均勻，滿足使用要求。(2)回火穩(wěn)定性模具鋼在淬火后必須進(jìn)行回火，以降低淬火脆

5、性及減少或消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，穩(wěn)定模具的形狀、尺寸和精度。第一節(jié)模具材料的分類及性能(3)過熱敏感性模具鋼在熱處理加熱時其加熱溫度應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)，如加熱溫度過高則可能引起奧氏體晶粒長大，導(dǎo)致隨后得到粗大的馬氏體，而降低模具鋼的韌性，將會增加其早期斷裂的危險性，加熱溫度高還可能導(dǎo)致鋼的表面產(chǎn)生脫碳現(xiàn)象。(4)淬火變形與開裂傾向性模具制造工藝中要對其進(jìn)行淬火處理，以得到滿足要求的力學(xué)性能。第二節(jié)冷作模具鋼一、冷作模具鋼對鋼的性能要求1.良好的耐磨性冷作模具工作時，模具與坯料之間產(chǎn)生很大摩擦，為防止在模具表面劃出一些微觀凹凸不平的痕跡，而對模具表面造成磨損破壞，應(yīng)使模具表面具有良好的耐磨性。

6、2.足夠的強(qiáng)度和一定的韌性冷作模具的設(shè)計與使用，必須保證其有一定的強(qiáng)度，防止由于沖擊、重載荷、偏心彎曲載荷、應(yīng)力集中等引起模具的破裂和折斷。第二節(jié)冷作模具鋼3.良好的抗疲勞性冷作模具一般是在交變載荷下工作的，所以所發(fā)生的破壞多為疲勞破壞，即工作載荷在材料的屈服強(qiáng)度以內(nèi)，加工一定數(shù)量的坯料后也可能發(fā)生破壞，因此要求其工作應(yīng)力應(yīng)在材料的疲勞強(qiáng)度以內(nèi)。4.抗咬合粘結(jié)能力模具工作時模具表面與坯料直接接觸，接觸處應(yīng)力高，摩擦力大，坯料可能被模具“冷焊”在模具型腔表面而形成金屬瘤，因而在以后的坯料成型中在工件表面產(chǎn)生劃痕。二、常用冷作模具鋼的分類、常用鋼號及含義表2-2冷作模具鋼分類第二節(jié)冷作模具鋼表2-

7、2冷作模具鋼分類第二節(jié)冷作模具鋼表2-2冷作模具鋼分類1.低淬透性冷作模具鋼低淬透性冷作模具鋼應(yīng)用較多的有碳素工具鋼和滾動軸承鋼。(1)碳素工具鋼碳素工具鋼主要有T7A、T10A和T11A等幾種，其中又以T10A應(yīng)用最普遍。第二節(jié)冷作模具鋼(2)滾動軸承鋼滾動軸承鋼主要用于制造各種滾動軸承零件的專用鋼，由于其有優(yōu)良的性能，廣泛地用在落料模、冷擠壓模和成型模等冷作模具中。2.低變形冷作模具鋼低變形冷作模具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素發(fā)展而來的。第二節(jié)冷作模具鋼3.高耐磨微變形冷作模具鋼低變形冷作模具鋼的性能優(yōu)于碳素工具鋼，但其耐磨性、強(qiáng)韌性等要求仍不能滿足形狀復(fù)雜的重載冷作模具的需要

8、，為此發(fā)展了高耐磨微變形冷作模具鋼，這類鋼的使用量較大，典型的鋼種主要為Cr12型高碳高鉻鋼，如Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo12V1及Cr4W2MoV。(1)Cr12、Cr12MoV這類鋼含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%2.3%。第二節(jié)冷作模具鋼(2)Cr4W2MoV型鋼碳化物不均勻性比較嚴(yán)重，鋼的脆性較大，使其在使用中受到一定限制，Cr4W2MoV鋼是代替Cr12型鋼而研制的一種高碳中鉻鋼，其成分特點(diǎn)是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了2/3，鎢、鉬的含量稍多，從而在一定程度上改善了鋼中碳化物的不均勻性。4.高強(qiáng)度高耐磨性冷作模具鋼對于某些冷擠壓模具，承受巨大的外力作用，工作條件十分嚴(yán)

9、峻，對模具材料的要求比較高。第二節(jié)冷作模具鋼5.高強(qiáng)韌性冷作模具鋼隨著低合金鋼、不銹鋼和滾動軸承鋼冷擠壓技術(shù)的發(fā)展，對冷作模具提出了高硬度、高耐磨性和高韌性的要求。6.高耐磨性、高強(qiáng)韌性冷作模具鋼高強(qiáng)韌性鋼由于鋼中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，其耐磨性不如高鉻鋼和高速鋼。7.特殊用途冷作模具鋼特殊用途冷作模具鋼主要有兩類：一類為耐蝕性冷作模具鋼，如9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo。第三節(jié)熱作模具鋼一、熱作模具對鋼的性能要求1.高的強(qiáng)度、韌性及一定的耐磨性熱作模具工作時承受較大的載荷，要求模具材料有較高的強(qiáng)度，由于熱作模具工作時除受到毛坯變形時產(chǎn)生的摩擦磨損之外，還受高溫氧化腐蝕和氧化鐵屑的研磨，

10、故要求其模具材料有一定的硬度和耐磨性。2.高的回火穩(wěn)定性模具的型腔與熾熱的金屬接觸，要求模具在高溫下仍能保持高的力學(xué)性能，即熱作模具材料在高溫下不發(fā)生軟化，具有高的熱穩(wěn)定性，否則模具會發(fā)生塑性變形而失效。第三節(jié)熱作模具鋼3.優(yōu)良的抗熱疲勞性熱作模具工作時，反復(fù)受熱受冷，模具在這種反復(fù)加熱與冷卻的環(huán)境下，易使表面產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋，即產(chǎn)生“熱疲勞”。4.高的淬透性熱作模具一般尺寸較大，為了使整個截面有均勻的力學(xué)性能，要求其有較高的淬透性。5.良好的導(dǎo)熱性熱作模具鋼工作時應(yīng)使型腔中的熱量能迅速擴(kuò)散開，減小模具內(nèi)部的溫差，不使模具溫度過高，導(dǎo)致其力學(xué)性能的下降而影響熱作模具的使用。6.良好的工藝性能有些熱

11、作模具的形狀比較復(fù)雜，為此要求其有良好的工藝性能，以便于加工。第三節(jié)熱作模具鋼二、常用熱作模具鋼的分類、常用鋼號及含義1.熱作模具鋼的分類方法(1)按用途分類熱鍛模用鋼。(2)按工作溫度分類低耐熱鋼，耐熱溫度350370。(3)按性能分類高韌性熱作模具鋼。2.三類熱作模具鋼常用鋼號見表2-3。表2-3熱作模具常用鋼號第三節(jié)熱作模具鋼表2-3熱作模具常用鋼號(1)熱鍛模用鋼熱鍛模用鋼要求一定的硬度、較高的韌性，因此含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過高，一般在0.45%0.60%之間。第三節(jié)熱作模具鋼(2)熱擠壓模用鋼熱擠壓模既承受壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，又在脫模時承受一定的拉應(yīng)力，同時還受到?jīng)_擊載荷的作用。1)鉻系

12、熱作模具鋼：常用鉻系熱作模具鋼有4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1，這兩種鋼含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均屬于中碳鋼范圍。2)鎢系熱作模具鋼：常用的鎢系熱作模具鋼有3Cr2W8V，這種鋼的耐熱性較鉻系熱作模具鋼好，屬高耐熱模具鋼。(3)壓鑄模用鋼壓鑄模用鋼主要用于制造壓力鑄造和擠壓鑄造的模具。第三節(jié)熱作模具鋼(4)熱沖裁模用鋼熱沖裁模的工作溫度相對較低，因此對材料的要求也相對較低，除了應(yīng)具有較高的耐磨性以及加工工藝性能外，幾乎所有的熱作模具鋼均能滿足熱沖裁模的工作條件。第四節(jié)塑料模具鋼一、塑料模具對鋼性能的要求1.塑料模具的分類、塑料模具的工作條件及失效形式塑料模具的使用壽命取決于模具的工作條件及失效

13、形式，不同類型的模具在不同的工作條件下，其失效形式各不相同，對模具的性能要求也不完全一樣。(1)塑料模具的分類塑料是以合成樹脂為主要成分的高分子有機(jī)化合物，它具有很好的成型加工性能，在適當(dāng)?shù)臏囟燃皦毫ο?，可用注射、擠壓、澆鑄等模具制造方法進(jìn)行成型，制成各種幾何形狀的制品，其成型工藝簡便，生產(chǎn)效率高。第四節(jié)塑料模具鋼(2)塑料模具的工作條件及失效形式熱固性塑料壓縮模的工作溫度一般為160250，工作時模腔承受應(yīng)力，一般為160200MPa，最高可達(dá)600MPa，塑料模型工作時承受一定的沖擊載荷，其腔面易受腐蝕和易磨損。2.對塑料模具材料的性能要求(1)足夠的強(qiáng)度和韌性以保證模具工作時能承受一定的

14、載荷和在使用過程中不致早期開裂。(2)較高的硬度和耐磨性以使模具工作時型腔的拋光表面粗糙度和尺寸精度應(yīng)能長期保持，不致于很快磨損。第四節(jié)塑料模具鋼(3)良好的耐熱性、耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性以使模具能在較高的溫度下長期工作，對于塑料成型時產(chǎn)生的腐蝕性氣體有抵抗能力，保證模具材料有較低的膨脹系數(shù)和穩(wěn)定組織。(4)良好的導(dǎo)熱性以使塑料制件能盡快地在模具中冷卻成型。(5)滿足工藝要求為使模具易于制造應(yīng)使模具材料具有一定的可鍛性能、機(jī)械加工性能、焊接性能及熱處理工藝性能。二、常用塑料模具鋼的分類、常用鋼號及含義第四節(jié)塑料模具鋼表2-4常用塑料模具鋼分類表表2-4常用塑料模具鋼分類表1.滲碳型塑料模具用鋼冷

15、擠壓成形的塑料模具，為了便于模具的制造，須使模具材料在退火狀態(tài)具有高的塑性和低的變形抗力。第四節(jié)塑料模具鋼(1)12CrNi3A這種鋼是傳統(tǒng)的中淬透性合金滲碳鋼，該鋼含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%0.16%，鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%0.9%，因該鋼為高級優(yōu)質(zhì)鋼，其硫、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.25%。(2)0Cr4NiMoV(LJ)這種鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.08%，主加元素為鉻，其含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%4.2%，輔加元素為鎳、鉬、釩等，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1%，合金元素在鋼中的主要作用是提高鋼的淬透性及提高鋼的滲碳能力，增加滲碳層的硬度和耐磨性及心部的強(qiáng)韌性。第四節(jié)塑料模具鋼2.淬硬型塑料模具用鋼對于承受載荷

16、較大的熱固性塑料模具和注射模具，根據(jù)其工作條件要求其模具基體應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、硬度和韌性，以防止或減小模具在使用中產(chǎn)生塌陷、變形和開裂，型腔表面應(yīng)具有高的硬度和耐磨性。3.預(yù)硬型塑料模具鋼預(yù)硬型塑料模具鋼是在供應(yīng)狀態(tài)時已進(jìn)行了熱處理，其硬度已達(dá)到模具使用要求，模具加工成形不再進(jìn)行熱處理而直接使用的模具鋼，這樣可保證模具的制造精度。第四節(jié)塑料模具鋼(1)3Cr2Mo鋼這種鋼屬中碳低合金鋼，多采用電爐熔煉、真空除氣和特殊的脫氧處理，鋼材潔凈度高，鏡面拋光性好，力學(xué)性能均勻。(2)8Cr2MnWMoVS鋼這種鋼具有高的強(qiáng)韌性、良好的切削加工性、表面處理性能及鏡面拋光性，但其抗腐蝕性較差，該鋼經(jīng)預(yù)硬處

17、理后可制作精密塑料模和膠木模型腔，亦可作高強(qiáng)韌性冷作模具。第四節(jié)塑料模具鋼(3)SM1鋼SM1鋼是一種含硫元素的易切削塑料模具鋼，在3540HRC預(yù)硬狀態(tài)下供貨，因鋼中含有硫，故在此硬度下仍具有較好的切削加工性，這種鋼加工成模具后不再進(jìn)行熱處理而直接使用，根據(jù)需要這種鋼也可進(jìn)行滲氮等表面處理，以進(jìn)一步提高其表面硬度。4.時效硬化型塑料模具鋼這類鋼的含碳量較低，合金元素含量較高，經(jīng)高溫淬火后，鋼處于軟化狀態(tài)，其組織為單一的過飽和固溶體，稱為固溶處理。第四節(jié)塑料模具鋼(1)18Ni類鋼這類鋼屬于馬氏體時效鋼，其屈服強(qiáng)度有1400MPa、1700MPa、2100MPa等級別，分別用18Ni140級、

18、18Ni170級、18Ni210級表示。(2)10Ni3MnCuAl(PMS)鋼這是一種鎳銅鋁系時效硬化型塑料模具鋼，其淬透性好，熱處理變形小，熱處理工藝簡便，能進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，熱處理后的組織為貝氏體和馬氏體雙相組織，具有良好的冷熱加工性和綜合力學(xué)性能。5.耐蝕塑料模具鋼塑料模具鋼的工作溫度較高，有時工作中產(chǎn)生的氣體、液體等對模具有一定的腐蝕作用，為此須采用耐蝕性的材料。第四節(jié)塑料模具鋼(1)馬氏體型不銹鋼常用的馬氏體型不銹鋼，如2Cr13、3Cr13等，其含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%0.45%，含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%14%，屬鉻不銹鋼，這種鋼隨含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高，但耐蝕性下降，因碳與鉻形成碳化鉻，相當(dāng)于降低了鋼中的含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而影響了鋼的耐蝕性。(2)奧氏體型不銹鋼這類鋼屬鎳鉻鋼，其應(yīng)用較為廣泛，如典型的18-8不銹鋼1Cr18Ni9，這種鋼含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%19%，含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%11%。第四節(jié)塑料模具鋼(3)0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)鋼這是一種馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，