模具材料與熱處理-課題三

(第四版)《模具材料與熱處理》新世紀(jì)高職高專(zhuān)教材編審委員會(huì)組編主編吳元徽趙利群主審雷勇濤課題三模具材料概述任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求任務(wù)三掌握模具材料的選用原則任務(wù)如圖3-1所示為墊片沖孔落料復(fù)合模，試指出各零件的名稱(chēng)和功用，區(qū)分常用工程材料和模具材料。圖3-1墊片沖孔落料復(fù)合模1—打桿;2—旋入式模柄;3—推板;4—推桿;5—卸料螺釘;6—凸凹模;7—卸料板;8—落料凹模;9—頂件塊;10—頂桿;11—沖孔凸模;12—擋料銷(xiāo);13—導(dǎo)料銷(xiāo)任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)任務(wù)分析沖裁模通常分為如下五個(gè)部分:任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)人們常說(shuō)的模具材料通常是指模具工作零件即（1）的材料。（2）～（5）部分是屬于常用工程材料的范疇。（1）工作零件沖模的工作零件是凸模和凹模，在復(fù)合模中還有凸凹模。它們成對(duì)互相配合，完成對(duì)坯料的成型。它們的形狀、尺寸精度、固定方法及材質(zhì)處理等決定著沖模的性能、模具成本及使用壽命。（2）輔助裝置是協(xié)助凸模、凹模完成工件成型必不可少的裝置。如材料送進(jìn)的定向定位裝置、廢料排除裝置、卸料退件裝置、壓料抬料裝置等。它們的結(jié)構(gòu)形式對(duì)工件質(zhì)量、操作安全、生產(chǎn)效率等都至關(guān)重要。輔助裝置是冷沖壓模具設(shè)計(jì)中不容忽視的重要部分。（3）導(dǎo)向裝置是保證上模、下模準(zhǔn)確合模的裝置。要求工作可靠，導(dǎo)向精度好，有一定互換性。導(dǎo)向裝置目前已基本標(biāo)準(zhǔn)化，并有商品供應(yīng)。（4）支撐零件是指上模架和下模架。凸模、凹模和其他所有的零件安裝在其上組成一個(gè)模具整體。它們與壓力機(jī)連接，傳遞并承受著工作壓力。

（5）緊固零件中小型模具大多采用沉頭螺釘和銷(xiāo)作可卸式連接;有些凸模、凹模的連接則采用粘接或低熔點(diǎn)合金連接;大型模具的刃口或支架也有采用焊接方式的。模具材料是一種特殊的工程材料，一般是指生產(chǎn)模具零件所使用的材料。模具的分類(lèi)任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)模具材料的分類(lèi)一、冷作模具材料冷作模具材料應(yīng)用量大、使用面廣，其主要性能要求有強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性。冷作模具鋼以高碳合金鋼為主，均屬熱處理強(qiáng)化型鋼，使用硬度高于58HRC。以9CrWMn鋼為典型代表的低合金冷作模具鋼，一般僅用于小批量生產(chǎn)中的簡(jiǎn)易型模具和承受沖擊力較小的試制模具;Cr12型高碳合金鋼是大多數(shù)模具的通用材料，這類(lèi)鋼的強(qiáng)度和耐磨性較高，韌性較低;在對(duì)模具綜合力學(xué)性能要求更高的場(chǎng)合，常用W6Mo5Cr4V2高速鋼作為替代鋼種。

任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)一、冷作模具材料任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)二、熱作模具材料

由于增加了溫度和冷卻條件這兩個(gè)因素，且熱作模具的工作條件還比冷作模具復(fù)雜，因而熱作模具用材的系列化，除少數(shù)幾種用量特別大的以外，總的來(lái)說(shuō)不如冷作模具用材系列完整。熱作模具用材的選擇，在力學(xué)性能方面要兼顧熱耐磨性和抗裂紋性。但由于加工對(duì)象（熱金屬）本身強(qiáng)度不高，故對(duì)熱作模具材料的屈服強(qiáng)度要求并不高，而加工過(guò)程中采用的沖擊加工方式及不可避免的局部急熱急冷特性，對(duì)韌性提出了較高要求。任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)二、熱作模具材料

任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)三、塑料模具材料塑料模具工作條件、制造方法、精度及對(duì)耐久性要求的多樣性，決定了其用鋼的成分范圍很大，各種優(yōu)質(zhì)鋼都有可用之處，且形成了范圍很廣的塑料模具用材系列。國(guó)內(nèi)塑料成型模具鋼尚未形成系列。一般塑料模具常采用正火態(tài)的45鋼或40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后制造。硬度要求較高的塑料模具采用CrWMn或Cr12MoV等鋼制造。前者硬度低，耐磨性和表面光潔度差，模具壽命短而逐步被預(yù)硬鋼所取代;后者制造復(fù)雜模具時(shí)，因熱處理變形大，往往不能滿(mǎn)足要求。我國(guó)近年來(lái)在引進(jìn)國(guó)外通用塑料模具鋼的同時(shí)，也自行研制了一些塑料模具鋼，大體可分為預(yù)硬鋼、時(shí)效硬化鋼和冷擠壓成型塑料模具鋼三類(lèi)。

任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)三、塑料模具材料任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)四、其他模具材料

在三大類(lèi)模具材料之外，還有其他模具材料。鑄造模具鋼用于電子產(chǎn)品的無(wú)磁模具鋼高溫玻璃模具鋼(高溫餐具、車(chē)燈、顯像管玻璃模)有色合金模具材料玻璃模具材料陶瓷模具材料等任務(wù)一了解我國(guó)模具材料的分類(lèi)一、使用性能

模具材料的性能是由模具材料的成分和熱處理后的組織所決定的。模具鋼的基本組織由馬氏體基體以及在基體上分布著的碳化物和金屬間化合物等構(gòu)成。模具鋼的性能應(yīng)該滿(mǎn)足某種模具完成額定工作量所需具備的性能，但因各類(lèi)模具使用條件及所完成的額定工作量指標(biāo)均不同，故對(duì)模具性能要求也不同。又因?yàn)椴煌摰幕瘜W(xué)成分和組織對(duì)各種性能的影響不同，即使同一牌號(hào)的鋼也不可能同時(shí)獲得各種性能的最佳值，一般某些性能的改善會(huì)降低其他性能。因而，模具工作者常根據(jù)模具工作條件及工作定額要求選用模具鋼及最佳處理工藝，使之達(dá)到主要性能最優(yōu)、而其他性能損失最小的目的。

任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求

對(duì)各類(lèi)模具鋼提出的性能要求主要包括：

任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求一、使用性能

l.硬度2.強(qiáng)度3.塑性4.韌性5.耐磨性6.抗熱疲勞性7.咬合抗力8.耐蝕性9.其他特殊性能

不同的服役條件對(duì)模具材料主要力學(xué)性能要求不同任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求一、使用性能

熱作模具用鋼要求在工作溫度下保持高的強(qiáng)度和韌性、良好的抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的熱疲勞抗力。

冷擠壓模具要求其材料具有高強(qiáng)度、高韌性、高淬透性以及良好的耐磨性、熱穩(wěn)定性和切削加工性;冷沖壓模具要求其材料具有高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，高的硬度及耐磨性;

不同的服役條件對(duì)模具材料主要力學(xué)性能要求不同

熱作模具：抗熱疲勞性能;

壓鑄模具：耐融熔金屬的沖蝕性能;

高溫下工作的熱作模具：工作溫度下的抗氧化性能;

腐蝕介質(zhì)中工作的模具:耐蝕性;

高載荷下工作的模具:抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及斷裂韌度等。任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求一、使用性能

二、工藝性能

在模具生產(chǎn)成本中，材料費(fèi)用一般占10%～20%，而機(jī)械加工、熱處理、裝配和管理費(fèi)用占80%以上，所以模具的工藝性能是影響模具的生產(chǎn)成本和制造難易程度的主要因素之一。改善模具的工藝性能，不僅可以使模具生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、易于制造，而且可以有效地降低模具的制造費(fèi)用。

任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求模具加工工藝路線(xiàn)

任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

粉末冶金焊接塑性成形鑄造毛坯預(yù)先熱處理模具零件切削加工最終熱處理模具加工工藝路線(xiàn)

模具材料的工藝性能主要包括熱加工工藝性能、冷加工工藝性能、特種加工工藝性能和熱處理工藝性能。任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

模具材料的工藝性能主要包括任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

1.熱加工工藝性能任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

2.冷加工工藝性能任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

3.特種加工工藝性能任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

電火花、線(xiàn)切割電火花加工常常作為模具的最后加工工序。電火花加工可在淬火、回火模具的表面形成淬火馬氏體的白亮層。高碳馬氏體的固有脆性和顯微裂紋的存在，往往導(dǎo)致模具的早期開(kāi)裂失效。此外，電火花加工可在模具表面形成不良的殘余應(yīng)力，降低了模具的使用壽命?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整電加工工藝參數(shù)，來(lái)減少硬化層的厚度，或者用噴丸法等去除變質(zhì)層。皮紋加工有些塑料制品要求制造有皮紋、裝飾性圖案或文字花樣的表面，一般是采用化學(xué)蝕刻工藝，因此耍求模具材料能適應(yīng)這種化學(xué)蝕刻工藝，蝕刻以后，能夠在樓具表面得到圖案清晰、紋理清楚的皮紋和圖案。4.熱處理工藝性能任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

4.熱處理工藝性能較高的淬透性：主要取決于鋼的合金元素含量和淬火前的原始組織狀態(tài)。模具尺寸較大的模具，或形狀復(fù)雜、易變形的模具，需要采用淬透性較好的模具鋼。適當(dāng)?shù)拇阌残裕褐饕Q于鋼中的碳含量。大部分的冷作模具鋼，往往選擇淬硬性高的模具鋼。任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

4.熱處理工藝性能較寬的淬火溫度范圍和較小的熱處理變形傾向?yàn)榱吮阌谏a(chǎn)，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些，特別是當(dāng)模具采用火焰加熱局部淬火時(shí)，由于難以準(zhǔn)確地測(cè)量和控制溫度，所以要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。模具在熱處理時(shí)，尤其是在淬火過(guò)程中，要產(chǎn)生體積變化、形狀翹曲、畸變等，為保證模具質(zhì)量，要求模具鋼的熱處理變形小，特別是對(duì)于形狀復(fù)雜的精密模具，淬火后難以修整，對(duì)于熱處理變形程度的要求更為苛刻，應(yīng)該選用微變形模具鋼制造。任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

較小的氧化、脫碳敏感性模具在加熱過(guò)程中，如果發(fā)生氧化、脫碳現(xiàn)象，就會(huì)使其碰度、耐磨性、使用性能和使用壽命降低。因此，要求模具鋼的抗氧化性、抗脫碳敏感性好。對(duì)于鋁含量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強(qiáng)，需采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

4.熱處理工藝性能

5.其他因素在選擇模具鋼時(shí)，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具鋼的通用性和價(jià)格。模具鋼一般用量不大，為了便于備料，應(yīng)盡可能地考慮鋼的通用性，盡量利用大量生產(chǎn)的通用型模具鋼，以便于采購(gòu)、備料和材料管理。另外還必須從經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行綜合分析?？紤]模具的制造費(fèi)用、工件的生產(chǎn)批量和分?jǐn)偟矫恳粋€(gè)工件上的模具費(fèi)用。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面全面分析，以最終選定合理的模具材料。任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

任務(wù)二熟悉模具材料的性能要求二、工藝性能

材料的選用有三個(gè)通用原則。一是使用性能原則:材料的使用性能應(yīng)滿(mǎn)足模具的使用要求。對(duì)大量機(jī)器工件和工程構(gòu)件，主要是機(jī)械性能;對(duì)一些特殊條件下工作的工件，則必須根據(jù)要求考慮材料的物理、化學(xué)性能。二是工藝性能原則:材料的工藝性能應(yīng)滿(mǎn)足模具生產(chǎn)工藝的要求。三是經(jīng)濟(jì)性原則:必須考慮材料的經(jīng)濟(jì)性。采用便宜的材料，把總成本降至最低，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益，使產(chǎn)品在市場(chǎng)上具有最強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

任務(wù)三掌握模具材料的選用原則一、滿(mǎn)足使用性能要求

1.耐磨性

坯料在模具型腔中塑性變形時(shí)，沿型腔表面既流動(dòng)又滑動(dòng)，使型腔表面與坯料間產(chǎn)生劇烈摩擦，從而導(dǎo)致模具因磨損而失效。所以制料的耐磨性是模具最基本、最首要的性能之一。

硬度是影響耐磨性的主要因素。一般模具工件的硬度越高，磨損量越小，耐磨性也越好。此外，耐磨性還與材料中碳化物的種類(lèi)、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布有關(guān)。任務(wù)三掌握模具材料的選用原則2.強(qiáng)韌性模具的工作條件太多十分惡劣，有些常承受較大的沖擊負(fù)荷，從而導(dǎo)致脆性斷裂。為防止在工作時(shí)突然脆斷，模具要具有較高的強(qiáng)度和韌性。模具的韌性主要取決于材料的碳含量、晶粒度及組織狀態(tài)。

任務(wù)三掌握模具材料的選用原則一、滿(mǎn)足使用性能要求

3.疲勞斷裂性能

模具工作過(guò)程中，在循環(huán)應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，往往導(dǎo)致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂、接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強(qiáng)度、韌性、硬度以及材料中夾雜物的含量

4.抗熱疲勞性能

有些模具在工作過(guò)程中處于反復(fù)加熱和冷卻的狀態(tài)，使型腔表面受拉、壓變應(yīng)力的作用，引起表面龜裂和剝落，增人摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺寸精度，從而導(dǎo)致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失散的豐要形式之一，這類(lèi)模具應(yīng)具有較高的抗熱疲勞性能。任務(wù)三掌握模具材料的選用原則一、滿(mǎn)足使用性能要求

5.高溫性能

當(dāng)模具的工作溫度較高時(shí)，會(huì)使硬度和強(qiáng)度下降.導(dǎo)致模具早期磨損或產(chǎn)生塑性變形而失效。因此，模具材料應(yīng)具有較高的抗回火穩(wěn)定性，以保證模具在工作溫度下具有較高的硬度和強(qiáng)度。

任務(wù)三掌握模具材料的選用原則一、滿(mǎn)足使用性能要求

6.耐蝕性有些模具如塑料模在工作時(shí)，其中的氯、氟等元素受熱后分解析出HCI和HF等強(qiáng)侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加劇磨損失效。

二、滿(mǎn)足工藝性能要求

模具的制造一般都要經(jīng)過(guò)鍛造、切削加工、熱處理等工序。為保證模具的制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，其材料應(yīng)具有以下特性:任務(wù)三掌握模具材料的選用原則（1）良好的可鍛性

（2）良好的退火工藝性（3）良好的切削加工性

（4）較小的氧化、脫碳敏感性

（5）良好的淬硬性

（6）良好的淬透性

（7）較低的淬火變形開(kāi)裂傾向

（8）良好的可磨削性三、滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求

任務(wù)三掌握模具材料的選用原則1.材料的價(jià)格模具材料的價(jià)格無(wú)疑應(yīng)該盡量低。3.自然資源等因素隨著工業(yè)的發(fā)展，資源和能源的問(wèn)題日漸突出，選用材料時(shí)必須對(duì)此有所考慮，特別是對(duì)于大批量生產(chǎn)的工件，所用材料應(yīng)該來(lái)源豐富并顧及我國(guó)資源狀況。此外，還要注意生產(chǎn)所用材料的能源消耗，盡量選用低能耗的制料。2.模具的總成本模具選用的材料必須保證其生產(chǎn)和使用的總成本最低。模具的總成本與其使用壽命、質(zhì)量、加工費(fèi)用、研究費(fèi)用、維修費(fèi)用和材料價(jià)格有關(guān)。因此，在滿(mǎn)足使用性能的前提下，首先選用價(jià)格較低的。能用碳鋼就不用合金鋼。能用國(guó)產(chǎn)材料就不用進(jìn)口材料。另外，在選材時(shí)還應(yīng)考慮市場(chǎng)的生產(chǎn)和供應(yīng)情況，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，易購(gòu)買(mǎi)。任務(wù)三掌握模具材料的選用原則三、滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求

材料相對(duì)價(jià)格材料相對(duì)價(jià)格普通碳素結(jié)構(gòu)鋼1鉻不銹鋼5普通低合金結(jié)構(gòu)鋼1.25鉻鎳不銹鋼15優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1.3~1.5灰口鑄鐵~1.4合金結(jié)構(gòu)鋼（Cr-Ni鋼除外）1.7~2.5球墨鑄鐵~1.8鉻鎳合金結(jié)構(gòu)鋼（中合金鋼）5可鍛鑄鐵2~2.2滾珠軸承鋼3鑄造鋁合金、銅合金8~10碳素工具鋼1.6普通黃銅13~17低合金工具鋼3~4錫青銅、鋁青銅19高速鋼16~20鈦合金50~80硬質(zhì)合金150~200（工程塑料）