模具材料的選擇與應用

PAGEIPAGE摘要對于模具制造來說，最為重要的就是材料的選擇。能夠選擇的合適的材料，進一步選擇合理的熱處理工藝，就可以使得模具保持一定的使用時間，從而使得模具的質量有所保證。在選擇模具材料之前要對于所有的材料的性能和特點做出充分的了解，同時對于一些較為常見的材料和性能進行對比和評估。本文從模具材料的一般性能、選擇原則、種類及應用進行了闡述。關鍵詞：模具材料；合理選擇；種類及應用

目錄摘要 I1對模具材料的一般性能要求 11.1模具材料的使用性能要求 11.1.1強度 11.1.2硬度 11.1.3耐磨性和韌性 11.1.4抗熱性能 11.1.5疲勞抗力 21.2模具材料的工藝性能要求 21.2.1冷加工工藝性能 21.2.2熱加工工藝性能 21.2.3熱處理工藝性能 22模具材料的選擇原則 22.1模具的工作條件因素 32.1.1承載力大小及沖擊狀況 32.1.2模具工作溫度 32.1.3腐蝕狀況 32.2模具結構因素 32.2.1模具大小 32.2.2模具形狀 32.2.3模具的不同組件及不同部位 32.3產(chǎn)品批量大小 32.4加工材料的材質 32.5模具的設計因素 42.5.1大型、復雜模具 42.5.2低級材料強化 42.6模具的制造工藝因素 43模具材料的種類及其應用 43.1冷作模具鋼 43.1.1低合金鋼 43.1.2高碳高合金耐磨冷作模具鋼 43.1.3基體鋼 53.1.4硬質合金 53.1.5鋼結硬質合金 53.2熱作模具鋼 63.3塑料模具鋼 63.3.1預硬型塑料模具鋼 73.3.2易切削預硬鋼 73.3.3時效硬化型塑料模具鋼 73.3.4冷擠壓成形塑料模具鋼 73.3.5非調質塑料模具鋼 73.3.6耐腐蝕塑料模具鋼 7參考文獻 8PAGE81對模具材料的一般性能要求1.1模具材料的使用性能要求1.1.1強度對于材料來說，強度指標的作用在于能夠抵抗變形和斷裂。想要使得模具能夠在工作的時候不出現(xiàn)變形的問題，在材料的選擇時就要使得工作應力小于屈服點的大小。在熱作模具中，工作的主要環(huán)境就是高溫軟化狀態(tài)的材料。所以，在工作時候的應力要遠遠小于冷作模具。然而熱作會因為高溫的原因出現(xiàn)軟化的模式，所以模具要能夠承受一定的高溫。在冷作模具材料選擇時，多是要考慮抗拉和抗壓以及抗彎這三種強度。1.1.2硬度鋼的硬度一般是因為內在的化學成分的不同而有所不同。鋼在經(jīng)過淬火之后，內部就會成為馬氏體。含碳量的不同就會產(chǎn)生不同的硬度，合金元素的作用不大。冷作模具硬度通常是在六十HRC的大小。而熱作模具硬度通常是在四十二到五十HRC的大小。硬度的大小對于模具來說是最為重要的，因為硬度大就能夠使得壽命有所變化。如T10鋼沖模，硬度在五十二到五十六HRC。沖硅鋼片的時候，能夠達到幾千次的大小。把硬度提升六十到六十二的時候，就能夠達到兩萬次的大小。但是，硬度高不代表整體的性能能夠達到一定的高度。如Cr12MoV鋼制造的圓角螺母冷墩凸模，硬度56~60HRC，壽命為2~3萬件，而硬度降到50~54HRC，壽命提高到6~8萬件。通過這些能夠看出，模具的硬度一定要能夠在成型的性質和失效的模式上考慮。1.1.3耐磨性和韌性在進行模具的使用時，通常會愛模具的表面出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象。所以，模具要能夠在一定程度上保持一定的表面粗糙度。通常材料保持一定的韌性，就能夠使得脆斷的可能性減小。同時這種狀態(tài)下，熱疲勞強度就會有所提升。模具材料的韌性和耐磨性、硬度一般是不能夠共存的。所以，通過模具的具體工作狀態(tài)來進行合理的材料的選擇。同時在進行材料加工的時候，也要選擇合理的加工方式。熱加工和熱處理的方式或者是表面強化工藝能夠在材料的很多方面上進行綜合考慮。1.1.4抗熱性能在出現(xiàn)強度較高的摩擦現(xiàn)象的時候，冷作模具的表面溫度能夠達到四百攝氏度的大小。而熱作模具通常在進行加工的時候，整體的溫度會提升很多。所以，無論是哪種材料都要有一定的抗熱性能，也就是熱穩(wěn)定要好。同時在耐回火性能上也要達到一定高度。1.1.5疲勞抗力疲勞抗力通常是材料在面對交變載荷的時候，是不是能夠防止自身受到疲勞破壞。很多的熱作模具都是在冷熱交替的情況下工作的，因此，兩種形式的疲勞模式都要能夠承受。所以，要可以把兩種模式的抗疲勞強度作為材料的性能指標。在進行選擇的時候，塑性和耐腐蝕性也要綜合考慮。1.2模具材料的工藝性能要求模具材料的加工工藝對于模具來說是一大成本問題。工藝性能的好壞與和濕度對于模具來說，是最為關鍵的影響壽命的因素。通常有下面的幾種形式：1.2.1冷加工工藝性能冷加工的主要方式有切削、磨削、拋光、冷擠壓、冷拉等很多模式。在模具制作的時候，對于表面的粗糙度和拋光性能等都有一定的要求。冷加工的方式通常對于鋼材的質量要求很好，通過合理的模式來進行整體的成本的降低是最為重要的。1.2.2熱加工工藝性能熱加工通常是鍛造、鑄造、焊接等幾種形式。熱加工工藝性能有熱塑性和熱加工溫度范圍等一些性質。通過不一樣的模具的工藝能夠得到不一樣的要求。但是不管是什么形式的要求，材料的化學成分、冶金質量、組織狀態(tài)等對于整體的影響很大。在生產(chǎn)過程中必須嚴格控制熱加工的工藝參數(shù)。1.2.3熱處理工藝性能材料在進行熱處理的時候，工藝的要求的好壞對于整體模具的質量有很大的影響。通常材料要能夠有較好的淬硬性和淬透性。淬硬性通常是因為鋼的含碳量的不同而有所不同。而淬透性通常是因為鋼的化學成分和合金元素含量等因素有關。很多的冷作模具對于前者的要求較高。而熱作模具對于后者的要求較高。對于一些形狀復雜的模具要運用淬透性較好的模具鋼。2模具材料的選擇原則模具材料在選擇的時候，通常需要注意：不僅僅要能夠達到使用的要求和工藝性能，同時還要能夠達到一定的經(jīng)濟水平。要綜合的考慮下面的原因:2.1模具的工作條件因素2.1.1承載力大小及沖擊狀況受到力大的時候，對于材料的強度要求高一些。而沖擊大的時候，韌性要好一些。2.1.2模具工作溫度模具中通常分為冷作模具、塑料模具、熱作模具這三種。通過不同的工作環(huán)境，來選擇合理的工作的模具。2.1.3腐蝕狀況當工作的環(huán)境受到一定程度腐蝕的時候，要能夠選擇一些不銹鋼的材料。2.2模具結構因素2.2.1模具大小型號不同的模具要選擇不一樣的材料。通常型號較大的模具要選擇淬透性較好的，而熱作模具則是要能夠具有一定的耐熱性。2.2.2模具形狀當模具的形狀較為簡單同時在公差上要求也不高的時候，要運用一些高碳的工具鋼。而形狀較為復雜的時候，則是要運用淬透性能好的材料。運用緩冷淬火介質從而使得模具不會出現(xiàn)變形的問題。2.2.3模具的不同組件及不同部位模具的組件通常有工作零件和輔助零件兩種。模具工作零件和材料通常要進行接觸，所以在整體的性能上要高出很多。在一個工件當中，鍛模的部分和燕尾部分自然是有所不同的。工作部分的硬度、耐磨性、抗熱性要比燕尾部分高。而燕尾部分的硬度會低一些，韌性相應增高。2.3產(chǎn)品批量大小當產(chǎn)品需求量很大的時候，加工的模具都是運用一些質量較高性能很好的材料。而需求量較小的時候，要能夠運用性能低，同時在價格上也低一些的材料。2.4加工材料的材質模具在進行加工的時候，運用金屬還是非金屬的材料需要通過實際狀況進行選擇。不一樣的材料本身的變形抗和工作溫度都會出現(xiàn)很多的不同。而模具本身的工作環(huán)境不同，在選擇的時候也要有所不同。2.5模具的設計因素應根據(jù)具體情況來考慮:2.5.1大型、復雜模具對于較為復雜的模具，通常要能夠采取組合的模式。很多模具在刃部或者型面的一些地方經(jīng)常會出現(xiàn)一些強烈的磨損問題，所以要運用一些較為貴重的材料。在不太重要的部位上則是要能夠運用一些較為簡單和成本低一些的材料。2.5.2低級材料強化對于很多的成本較低的低級材料，在進行模具制造的時候，要通過表面強化的方式來進行性能的提升。有時候還能夠運用局部實施離子滲入、堆焊等方式來得到性能高的表層材料。2.6模具的制造工藝因素制造模具要能夠運用不同的方式來進行，熱加工和冷加工在方法上都是不一樣的，運用合理的材料才可以達到適當?shù)墓に囈蟆Ａ硗膺€應兼顧到工廠現(xiàn)有的設備和技術水平。3模具材料的種類及其應用3.1冷作模具鋼冷作模主要有冷沖壓模、冷擠壓模、冷墩模、冷沖裁模和拉深模等幾種形式。一般模具的材料有下面的幾類：3.1.1低合金鋼一些模具較為簡單的能夠運用高碳鋼來制造。但是這種類型的材料本身的淬透性差、淬火變形大、耐磨性低，韌性和耐回火性都較差。對于一些形狀較為復雜的模具無法達到要求。高碳低合金鋼如CrWMn.9SiCr.9Mn2V.GCr15等，與高碳鋼相比性能有較大的提高，但仍存在一些不足。在現(xiàn)在，很多低合金鋼本身的工藝性能好。同時還能夠達到一定的淬火溫度和耐磨性。所以在使用中較為廣泛，如GD(6CrNiMnSiMoV)、CH-1(7CrSiMnMoV)、DS(6CrNiWMoV)等。3.1.2高碳高合金耐磨冷作模具鋼一般情況下，高碳高合金鋼本身的優(yōu)點有熱處理變形小、耐磨性高、承載力大等。所以在很多的大中型號的冷作模具中使用較多。但是這種材料本身的韌性是不高的。同時還會出現(xiàn)碳化物偏析的斷裂問題。很多的新型鋼種對于這種類型的鋼來說，在耐磨性上提升很多。進一步就會使得壽命提升很多，進而在高速沖床和多工位沖床中使用較多。3.1.3基體鋼基體鋼通常指的是高速鋼或者淬火組織中基體化學成分類似的鋼。如65Nb(6Cr4W3Mo2VNb)、012A1(SCr4Mo3SiMnVA1)、CG-2(6Cr4Mo3Ni2WV)、LMl(65W8Cr4VYi)、LM2(65Cr5Mo3W2VSiTi)、SCr4Mo2W2VSi.RM2(SCr4W5Mo2V)等。這種形式的鋼在經(jīng)過熱處理之后，整體的顆粒細小而均勻。處理之后的鋼整體的韌性和抗冷熱疲勞的性能都會有所改變，所以在一些冷擠壓、厚板冷沖、冷墩的模具中進行使用。對于一些熱擠壓模具或者冷熱交替的模具都可以使用。3.1.4硬質合金硬質合金還稱為鉆結硬質合金。這種形式的合金的性能主要是高熔點和高硬度的WC,TiC為硬質相，以鉆為粘結相，加壓成形再燒結而成的一種粉末冶金材料。在中國，鉆結硬質合金主要有YG系列和YT系列。在這些當中YG系列通常是運用WC為硬質相。而Y7系列多是運用WC和TiC兩種碳化物為硬質相。硬質合金的工作溫度通常能夠在八百和一千攝氏度的大小。這種類型的合金的硬度很高，耐磨性很好。同時化學性質非常穩(wěn)定。然而硬質合金很脆，抗彎強度和韌性非常差。所以一般是不能夠實施機械加工的。在進行模具制造的時候，多是在強度要求高的部位進行硬質合金的應用。3.1.5鋼結硬質合金鋼結硬質合金是性能介于硬質合金和模具鋼之間的一種新型模具材料。與硬質合金不同的是，鋼結硬質合金的粘結相不是鉆，而是鋼，兼有硬質合金與鋼材兩方面的優(yōu)點，既有類似于鋼材的加工性和熱處理工藝性，又具有一般模具鋼無法比擬的高硬度及耐磨性，具有韌性和綜合力學性能較好。雖然與硬質合金相比，鋼結硬質合金的脆性有很大的改善，但仍比一般模具鋼要脆，其切削加工的特點是采用低轉速、大進給量和中等進給速度，不宜使用切削液，以免因激冷引起硬化甚至開裂。上述特點，使它的使用范圍受到一定的限制。3.2熱作模具鋼熱作模具鋼通常就是中碳合金鋼。在模具制造中，多是一些熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等一些模具形式。這種類型的鋼的主要特點在于有較高的韌性和抗氧化性以及耐蝕性等能力。同時還能夠具有一定的高溫硬度和耐磨性及抗冷熱疲勞性。在工作的時候，熱作模具的主要功能在于能夠適應溫度的影響。一般的熱作模具鋼主要有5CrMnMo.5CrNiMo和3Cr2W8V鋼這幾種形式。5CrMnMo鋼和5CrNiMo鋼的淬透性通常是不能夠達到一定的要求，在工作的時候要小于五百攝氏度的大小。3Cr2W8V的性質在于本身有脫碳的趨勢，所以在磨損上較快。在開始使用的時候，就會出現(xiàn)一些疲勞裂紋或脆裂。在現(xiàn)在，使用較為廣泛的是一些綜合性能較好的、抗冷熱疲勞性能強的新型鋼種，如H10(4Cr3Mo3SiV)、H13(4Cr5MoSiVl)、4Cr5MoVSi、45Cr2NiMoVSi等。3.3塑料模具鋼塑料模具和冷作模具以及熱作模具進行比較，第一種模具要求不高。整體的要求是：①塑料模具在硬度和耐磨性上較高，同時硬化深度也較高。在心部有一定的強韌性，不能夠出現(xiàn)脆斷或者變形。②模具必須要能夠耐熱。在工作環(huán)境是一百五十到二百五十攝氏度的情況下，整體的性質穩(wěn)定才能夠達到要求。③當出現(xiàn)腐蝕問題的時候，模具要有一定的耐腐蝕性。所以，塑料模具的材料要能夠通過塑料制品的性質的不同而在選擇上有所不同。常用的塑料模具鋼大致有如下種類:3.3.1預硬型塑料模具鋼在實施機械加工的時候，預硬型鋼材能夠進行預硬處理。而在之后，不需要實施熱處理。這種鋼材能夠達到一定的耐磨性和韌性。如3CrMo、8CrMn、4Cr5MoSiV、P4410、SMl、PMS等，適用于生產(chǎn)批量大的大型、高精度注塑模具。3.3.2易切削預硬鋼通常預硬型鋼材里會加入硫和鈣等一些容易進行切削的材料。這種情況下進行加工能夠使得鋼的整體加工性能得到變化。如5NiSCa鋼在淬透性和鏡面拋光性上都有所提高。這種類型的鋼的硬度能夠在三十五到四十五HRC的大小。在加工的模具的規(guī)模上也多是大型或者中型。模具的特點在于整體的壽命長，精度高。3.3.3時效硬化型塑料模具鋼諸如25CrNi3MoAl、PMS(1Ni3Mn2CuAlMo)、SM2(20CrNi3AlMnMo)和06Ni(06Ni6CrMoVTiAI)等時效硬化鋼，在固溶處理后硬度很低(一般毛30HRC)。這種形式的鋼是較為簡單來實施加工的，在整體加工后再次實施低溫的時效硬化處理模式。在時效處理的時候，出現(xiàn)變形的情況很小。所以，在時候是不需要實施切削加工的。也就是通過這樣的方式能夠得到一定精度的成品，壽命本身也會高出很多。3.3.4冷擠壓成形塑料模具鋼很多較為繁瑣的模具運用冷擠壓的模式，多是直接壓制出來的。這樣的方式能夠在某種程度上使得切削加工的步驟減少很多。在進行大批量的模具生產(chǎn)的時候，這種模式較為合適。模具加工再次運用熱處理的方式，就能夠得到硬度和耐磨性較高的心部組織。這種形式的鋼多是運用一般采用低碳鋼和低碳合