模具材料講義課件

1、上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院李名堯手機(jī)mail：模具材料1模具材料模具的分類模具材料的選用模具材料的熱處理模具的失效21.金屬材料的性能金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。 1.使用性能是指為了保證零件的正常工作，材料應(yīng)具備的性能，它包括物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能. 1.1力學(xué)性能：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度 1.2物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性、磁性 1.3化學(xué)性能：耐腐蝕性、高熱抗氧化性2.工藝性能是指金屬材料在被加工過程中，適應(yīng)各種加工工藝方法的性能，如鑄造性能、焊接性能、熱處理性能和切削加工性能等。 2.1鑄造性能 2.2鍛造性能

2、 2.3焊接性能 2.4熱處理性能 2.5切削加工性能 2.6沖壓性能31.1金屬材料的力學(xué)性能1.機(jī)械零件或其他結(jié)構(gòu)件在使用過程中，會(huì)受到各種外力的作用。金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的性能稱為力學(xué)性能，它是保證保證零件和構(gòu)件正常工作應(yīng)具備的主要性能。衡量金屬材料力學(xué)性能的指標(biāo)主要有強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度等。力學(xué)性能不僅是機(jī)械零件設(shè)計(jì)、選材、驗(yàn)收、鑒定的主要依據(jù)，也是對(duì)產(chǎn)品加工工程實(shí)行質(zhì)量控制的重要參數(shù)。2.金屬材料在加工和使用過程中所受到的外力成為載荷。1）靜載荷，是指在短時(shí)間內(nèi)以高速度作用于零件上的載荷。2）沖擊載荷，是指在短時(shí)間內(nèi)以高速度作用于零件上的荷重。3）交變載荷，

3、是指大小、方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷。3.金屬材料在載荷作用下發(fā)生的尺寸和形狀的變化稱為變形。按去除載荷后變形是否能完全恢復(fù)的情況，變形可分為彈性變形和塑性變形。去除載荷后零件的變形能立即恢復(fù)原狀，即隨載荷的作用而產(chǎn)生，隨載荷的去除而消失的變形稱為彈性變形；若去除載荷后零件的變形不能完全消失而是保留一部分殘余變形，這種不能恢復(fù)的殘余變形稱為塑性變形，也稱為永久變形。根據(jù)載荷作用不同，變形又可分為拉伸、壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和彎曲等五種變形方式。4.金屬材料在受外力作用時(shí)，為保持其不變形，在材料內(nèi)部作用著與外力相對(duì)抗的歷，稱為內(nèi)力。單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。簡(jiǎn)述材料受拉伸載荷或壓縮載荷時(shí)，其橫截面

4、積上的應(yīng)力的計(jì)算公式。41.1.1強(qiáng)度定義：金屬材料在靜載荷作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力成為強(qiáng)度。金屬材料的強(qiáng)度越高，抵抗塑性變形和斷裂的能力，在工作中所能承受的載荷就越大。金屬材料的強(qiáng)度按受力類型分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度五種。一般情況下多用抗拉強(qiáng)度作為衡量金屬材料強(qiáng)度的依據(jù)。金屬材料的抗拉強(qiáng)度是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定的。1）拉伸試驗(yàn)2）拉伸曲線 在拉伸試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)以拉伸力F為縱坐標(biāo)，以拉伸量L為橫坐標(biāo)，畫出一條拉伸力F與伸長(zhǎng)量L的關(guān)系曲線，稱為力-拉伸曲線或拉伸曲線。51.1.2塑性定義：塑性是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。塑性表示了金

5、屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力的大小。金屬材料的塑性也是通過拉伸試驗(yàn)測(cè)定的，衡量指標(biāo)有斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率兩種。材料具備一定的塑性才能進(jìn)行各種成型加工，如冷沖壓、鍛造、軋制等。鋼的塑性較好，能通過鍛造成型。鑄鐵的斷后伸長(zhǎng)率幾乎為零，塑性很差，所以不能進(jìn)行塑性變形加工。另外，具有一定塑性的零件，偶爾過載也能由于發(fā)生一定量的塑性變形而不致立即斷裂，在一定程度上保證了零件的工作安全性，因此對(duì)于重要的結(jié)構(gòu)零件要求必須具備一定的塑性。塑性并不是越大越好，一般來說，各種零件對(duì)塑性的要求有一定的限度。鋼材的塑性過大，一般其強(qiáng)度會(huì)降低，這不但會(huì)降低鋼制零件的使用壽命，而且會(huì)加大零件的自身重量，浪費(fèi)材料。定

6、義：硬度是指金屬材料抵抗其他更硬物體壓入其表面的能力，是衡量金屬材料軟硬程度的指標(biāo)。（1）布氏硬度(BH) （2）洛氏硬度 (HR) （3）維氏硬度(HV)1.1.3硬度71.1.4沖擊韌性定義：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力成為沖擊韌性。衡量指標(biāo)是沖擊吸收功Ak81.2金屬材料的工藝性能 金屬材料的工藝性能是指在制造機(jī)械零件和工具的過程中，金屬材料適應(yīng)各種加工方法的性能。工藝性能標(biāo)志著金屬材料制成成品的難易程度，直接影響到工件加工的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工成本。工藝性能主要包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能以及切削加工性能等。1.2.1鑄造性能鑄造是指將熔化后的金屬液澆入鑄模

7、中，待凝固、冷卻后獲得所需形狀和性能的零件的成型方法。鑄造是獲得零件毛坯的主要方法之一。鑄造性能是指金屬的鑄造成形過程中獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。鑄造性能通常用金屬液的流動(dòng)性、收縮性等表示。金屬的流動(dòng)性越好，收縮率越小，則表明鑄造性能越好。1.2.2鍛造性能鍛造是指利用沖擊力或壓力使金屬產(chǎn)生變形的加工方法。鍛造性能是指金屬材料鍛造時(shí)會(huì)改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。鍛造性能好，表面金屬易于鍛造成形。鍛造性能與金屬的塑性和變性抗力有關(guān)，金屬的塑性越好，變性抗力越小，則鍛造性能越好。黃銅和鋁合金在室溫狀態(tài)下就有良好的鍛造性能；鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能較好，低碳鋼的鍛造性能比中碳鋼、高碳鋼，非合金鋼比相同含碳量

8、的合金鋼好；鑄銅、鑄鋁和鑄鐵則不能進(jìn)行鍛造。1.2.3焊接性能焊接性能是指在兩塊分離的金屬之間通過加熱或加壓，使其牢固地結(jié)合成一個(gè)整體的加工方法。焊接性能是指材料在限定的加工條件下，通過焊接方法獲得復(fù)合設(shè)計(jì)要求的焊接接頭的性能。焊接性一般根據(jù)焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋敏感性和焊縫區(qū)力學(xué)性能的變化來判斷。如低碳鋼和低碳合金鋼焊接性能良好，其焊接質(zhì)量容易保證，焊接工藝簡(jiǎn)單；高碳鋼和高合金鋼焊接性能較差，焊接時(shí)需要采用預(yù)熱或氣體保護(hù)焊等，焊接工藝復(fù)雜。1.2.4熱處理性能熱處理是通過對(duì)固態(tài)下的材料進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，從而獲得所需要的組織和性能的工藝。鋼的熱處理性能包括淬透性、晶粒長(zhǎng)大傾向、回火穩(wěn)定性、變形與

9、開裂傾向等。1.2.5切削加工性能切削加工性能是金屬材料切削加工的難以程度。切削加工性能的好壞，直接影響零件的表面質(zhì)量、刀具的壽命、切削加工成本等。切削102.模具材料的選擇模具的應(yīng)用： 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，諸多產(chǎn)品零件廣泛采用各種先進(jìn)的金屬無切削、少切削加工新工藝生產(chǎn)，如精密鍛造、精密鑄造、精密沖壓、恒溫超塑性成形等加工新技術(shù)。這些先進(jìn)的加工技術(shù)是離不開與產(chǎn)品相適應(yīng)的模具的。模具加工有材料利用率高、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、解決能源、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，模具在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中日益廣泛得到應(yīng)用。 模具的質(zhì)量和性能好壞、壽命的長(zhǎng)短，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命和經(jīng)濟(jì)效益。模具材料及熱處理

10、以及表面強(qiáng)化工藝是影響模具質(zhì)量、性能及使用壽命諸多因素中的主要因素。為了提高模具的質(zhì)量和使用壽命，降低成本，增加效益，就要求合理選用模具材料，正確選擇熱處理及表面強(qiáng)化工藝，大力推廣應(yīng)用新材料、新工藝和新技術(shù)。 112.模具材料的選擇2.1.1模具的分類：1）按模具結(jié)構(gòu)形式分類：沖模中的單工序模(COVER MODULE)、復(fù)合模、級(jí)進(jìn)模等(CORE PLATE)；塑料成型模具中的壓縮模、注塑模(PLATE等)、擠出模(HOSE FEED).2）按模具使用對(duì)象分類：如電工模具、汽車模具、電視機(jī)模具等。3）按模具材料分類：如鋼模、鑄鐵模、硬質(zhì)合金模等。4）按工藝性質(zhì)分類：沖孔模、落料模、拉伸模、彎

11、曲模、塑料成型模、吸塑模、吹塑模5）按模具服役條件分類：冷作模具、熱作模具、塑料模具、玻璃模具、陶瓷模具。6）按模具成型加工工藝性質(zhì)和使用對(duì)象為主的綜合分類：金屬板材成型模具、費(fèi)金屬材料制品成型模具、金屬體積成型模具、簡(jiǎn)易模具（通用模具與經(jīng)濟(jì)模具）等2.1模具及模具材料的分類：12Text.冷作模具142.模具材料的選擇2.1.2使用性能要求： 冷作模具在使用中受到較高的壓縮、拉伸、彎曲、沖擊、摩擦等機(jī)械力的作用。因此，對(duì)冷作模具鋼的使用性能要求有以下要求：1）具有高的耐磨性.硬度5262HRC；模具熱處理后的組織為：細(xì)小針狀回火馬氏體(或下貝氏體)和分布均勻、細(xì)小的粒狀碳化物。2）具有高的強(qiáng)

12、度：被加工材料的變形抗力較大，使模具受到強(qiáng)烈的擠壓、彎曲、剪切和摩擦力的綜合作用，所以應(yīng)具有高的強(qiáng)度。3）具有足夠的韌性。模具材料的韌性要根據(jù)模具的工作條件來決定，如沖厚板冷沖模，在工作時(shí)要承受較大的沖擊載荷，故應(yīng)選擇高韌性的冷作模具鋼；而沖薄板的冷沖模，通常受到的是小能量多次沖擊載荷的作用，模具常見的失效形式是疲勞斷裂，因此，韌性不比要求過高，可選擇強(qiáng)度和韌性配合較好的冷作模具鋼。4）具有較強(qiáng)的抗咬合性。咬合是指金屬材料在拉伸受力流動(dòng)成形的過程中，潤(rùn)滑油膜在高壓摩擦下被破壞，此時(shí)被拉伸件金屬”冷焊”在模具型腔表面出現(xiàn)金屬瘤的現(xiàn)象，繼續(xù)拉伸將增加成形工件的表面粗糙度值或出現(xiàn)劃痕，嚴(yán)重時(shí)無法繼續(xù)

13、工作。影響咬合性的主要因素是成形材料的性質(zhì)，鎳基合金、奧氏體不銹鋼等有較強(qiáng)的咬合傾向。模具工作表面進(jìn)行氮化或鍍硬鉻并拋光，可有效提高拉伸模具的抗咬合性。15冷作模具鋼及其熱處理冷作模具鋼的主要性能要求：高變形抗力、斷裂抗力、耐磨損、抗疲勞、抗黏著性能常用材料包括：碳素工具鋼，T10A，T12A低合金鋼，9Mn2V、CrWMn、9SiCr、GCr15高合金鋼，Cr12、Cr12MoV合金鋼主要特點(diǎn)：含C量高、含較多合金元素、合金元素降低鋼的馬氏體相變點(diǎn)Ms冷作模具主要用于金屬或非金屬材料的沖裁、拉伸、彎曲等工序。工作零件承受拉壓、彎曲、沖擊、疲勞、摩擦等多種機(jī)械力作用。主要失效形式：斷裂、堆塌、

14、磨損、黏著（咬合）、啃傷、軟化等冷作模具鋼側(cè)重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性為主。 冷作模具鋼熱處理特點(diǎn)：加熱方式(預(yù)熱或階梯式升溫）、加熱介質(zhì)（采用控制氣氛爐、真空爐）、冷卻方式（較緩和的冷卻方式以減少變形）、表面處理（深冷處理、滲氮）、工序間防護(hù)（及時(shí)清理）碳素工具鋼的熱處理：用于要求不太高的小型簡(jiǎn)單冷作模具工作零件，（T8A,T10A)，T10A應(yīng)用最普遍，強(qiáng)度和韌性較高。碳素工具鋼淬透性差，常規(guī)淬火后淬硬層1.53.0mm。低合金鋼的熱處理：俗稱油淬鋼，這類鋼一般淬火溫度較低，在油中冷卻，變形小，尺寸穩(wěn)定性好。主要有：鉻鎢錳鋼(CrWMn，9CrWMn)，錳釩

15、鋼(9Mn2V)，高碳鉻鋼（Cr2），鉻硅鋼(9SiCr)高合金鋼的熱處理：主要是高鉻高碳鋼，淬透性極高，具有微變形性，也叫微變形鋼，是高級(jí)冷作鋼。 代表鋼號(hào)Cr12，Cr12MoV，Cr12W，Cr5MoV等火焰淬火冷作模具鋼的熱處理：為簡(jiǎn)化大型、特大型冷作模具的生產(chǎn)過程而專門研制的，其熱處理特點(diǎn)是：淬火溫度范圍很寬（880-1150），適合手工操作；淬透性很高，空冷后表面硬度高，芯部性能也好；淬火變形傾向性小。應(yīng)用較普遍的是：7CrSiMnMoV1718（日立金屬HITACHI） SKD11 (56.00元/公斤 )是一種耐磨性能較佳的通用冷作模具鋼.有著良好的淬火性,并且淬火變形量小。用

16、 途:此鋼易于車削,并宜制鋒利刀口,剪刀,圓鋸,冷或熱作修整模,滾簡(jiǎn)邊,螺絲紋,線模,銑刀,沖壓模,圓形滾邊,制電力變壓器心沖模,切割鋼皮軋刀,鋼管成型滾簡(jiǎn),首筋匠滾簡(jiǎn),特殊成型滾簡(jiǎn),精密規(guī),形狀繁雜之冷壓工具,治金,錫作模,塑膠模,螺釘打頭模等. 冷作模具鋼與熱作模具鋼的區(qū)別：冷作模具鋼側(cè)重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性為主。 熱作模具鋼對(duì)硬度要求適當(dāng)，側(cè)重于紅硬性，導(dǎo)熱性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、紅硬性為主。 19Text.熱作模具20熱作模具鋼及其熱處理熱作模具主要有鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等主要失效形式：斷裂（開裂或機(jī)械疲勞裂紋）

17、、塑性變形或型腔堆塌、熱疲勞、熱磨損和熱熔損.熱作模具鋼的主要特點(diǎn)：除良好的工藝性能外，還要求在不同溫度下具有高的強(qiáng)度、韌性、硬度、熱穩(wěn)定性。一般含C量較低，多元合金化（含Cr、W、Mo、Ni、V、Si、Co等）較高韌性熱作模具鋼：用于制造受沖擊載荷較大的熱作模具工作零件。典型鋼號(hào)：5CrNiMo和5CrMnMo。21熱作模具鋼及其熱處理高熱強(qiáng)性熱作模具鋼：主要制作壓鑄模、機(jī)鍛模的工作零件。要求有較高的熱強(qiáng)性、熱疲勞性、熱熔損、回火抗力、熱穩(wěn)定性。一般含較多Cr、W、Si、Mo、V等合金元素。代表鋼號(hào)有： 4Cr5MoSiV、 4Cr5MoSiV1(國(guó)外牌號(hào)H13)、4Cr3Mo3SiV高耐磨

18、性熱作模具鋼：具有紅硬性和良好的熱磨損性，有較高的高溫強(qiáng)度、高溫韌性和熱穩(wěn)定性。代表鋼號(hào)：3Cr2W8V，含W量高。淬火溫度高：1100-1150 ，為減少變形，要緩慢升溫，對(duì)復(fù)雜、大型件應(yīng)預(yù)熱222.模具材料的選擇2.工藝性能要求1）具有良好的可加工行。為了降低模具的制造成本，提高模具的加工質(zhì)量，模具應(yīng)具有良好的冷加工和熱加工性（如可鍛性、可切削性、可磨削性、熱處理工藝性等）。2）具有高的淬透性和回火穩(wěn)定性。熱作模具的幾何尺寸一般都較大，尤其是急用熱鍛模，為保證模具整個(gè)截?cái)嗝娅@得均勻一致的力學(xué)性能，尤其是韌性，則要求模具鋼具有高的淬透性。另外，為保證模具的高溫強(qiáng)度和高溫硬度不降低，要求熱作模

19、具鋼具有高的回火穩(wěn)定性。3）具有較高的抗氧化性和抗腐蝕能力。尤其是受熱較高的壓鑄模，不僅要具有良好的抗氧化性能，還要具有抵抗液態(tài)金屬對(duì)模具型腔沖刷和腐蝕的能力，以確保模具的尺寸精度和使用壽命。24Text.塑料模具25塑料模具鋼及其熱處理各種鋼型的熱處理預(yù)硬化型塑料模具鋼的熱處理易切削預(yù)硬化型塑料模具鋼的熱處理非合金中碳塑料模具鋼的熱處理滲C型塑料模具鋼的熱處理耐腐蝕型塑料模具鋼的熱處理時(shí)效硬化塑料模具鋼的熱處理27塑料模具鋼及其熱處理預(yù)硬化鋼泛指鋼廠已進(jìn)行最終熱處理（淬火回火）的鋼材。典型預(yù)硬化塑料模具鋼為：SM3Cr2Mo.其熱處理工藝為：840-880淬火，油冷，600-650回火，空冷，供應(yīng)硬度32HRC。對(duì)應(yīng)的美國(guó)鋼材為P20，德國(guó)鋼40CrMnMo7，日本HPM2。P20鋼滲后熱處理工藝為： 820-870淬火, 150-260回火，空冷，滲層硬度達(dá)58-64HRC。德國(guó)鋼40CrMnMo7淬透性比SM3Cr2Mo好，加工性、拋光性更好。28塑料模具鋼及其熱處理易切削預(yù)硬化鋼在保證原有性能前提下，添加一種或幾種易切削合金元素。典型材料有：8CrMnWMoVS(8CrS)，含S易切削鋼，熱處理硬度達(dá)4042HRC時(shí)，其切削加工性相當(dāng)與退火態(tài)的T10A鋼（200HBS），可拋光性和光刻浸蝕性好。典型熱處理：80010 退火，保溫2-4h，降溫到700-720 ，保溫4-6