模具材料及应用教案

1模具材料及制造工艺教师：郭秀艳教研室：材料成型2第1章模具材料概述1.1模具及模具材料分类模具是一种高效率的工艺装备，在冶金、电子、轻工、机械制造等行业的生产中广泛应用。1.1.1模具分类模具→冷作模具、热作模具、型腔模具三类。冷作模具→冷冲裁模具（落料、冲孔）和冷变形模具（弯曲、拉深）两类；热作模具→热冲切模具（切边）、热变形模具（锻造）和压铸模具（铝合金、铜合金等压铸模具）三类；型腔模具→塑料模具（注塑、挤出模具）、橡胶模具、陶瓷模具、玻璃模具、粉末冶金模具等。1.1.2模具材料分类模具材料→钢铁材料、非铁金属和非金属材料三类。1.钢铁材料按合金元素的含量分类：碳素工具钢（0.65%-1.35%C），共8各牌号，T7T8、T10、T12、T13，随C含量增加，硬度增大，耐磨性增大）低合金模具钢：在碳素钢中加入适量的合金元素。例如：CrWMn中合金模具钢高合金模具钢，例如Cr12Cr12MoV按用途分类：冷作模具钢主要是碳素工具钢T7A、T8A、T10A，高碳低合金钢，高碳高铬合金钢。热作模具钢（耐热）主要是中碳合金钢（0.3-0.6%C）5CrNiMo，3Cr2W8V塑料模具钢成型塑料制品用的模具45钢，40Cr调制处理。2.非铁金属材料铜基材料、低熔点合金、高熔点合金、难溶合金、硬质合金、钢结硬质合金等硬质合金：难溶金属碳化物和起粘结作用的金属组成的烧结材料，具有高强度、高耐磨性。3.非金属材料陶瓷、橡胶、塑料1.2模具材料的选用原则在选取材料时，应考虑以下几个因素：生产批量、冲压材料性能、凸凹模工作条件、材料性能、生产使用情况。31.2.1模具材料的使用性能1.硬度——衡量材料软硬程度的性能指标。冷作模具硬度在52-60HRC、热作模具硬度在40-52HRC。对于同一种钢，在一定硬度值内，硬度与变形抗力成正比，单如果组织不同，同一硬度值但变形抗力却有很大差别。热硬性（红硬性）——指高温状态的热作模具，保持其组织和性能的稳定，保持高硬度的能力。钢的硬度和热硬性取决于钢的化学成分、热处理工艺及表面处理工艺。2.耐磨性——衡量模具使用寿命的重要指标。磨损形式：冷作模具（磨粒磨损、粘着磨损）、热作模具（氧化磨损）、疲劳磨损等。影响因素：硬度、组织。铁素体耐磨性差、马氏体耐磨性好、下贝氏体耐磨性最好。3.强度——衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标。冷作模具变形抗力——常温下的屈服点；热作模具变形抗力——高温屈服点。冷作模具断裂抗力——常温下抗拉强度、抗压强度、抗弯强度；热作模具断裂抗力——抗拉强度、热疲劳导致的断裂韧度。韧性——反映模具的脆断抗力（折断、崩刃）。4.疲劳抗力——反映材料在交变载荷下抵抗疲劳破坏的性能指标。1.2.2模具材料的工艺性能1.可加工性切削、磨削、抛光、冷拔和锻压等。2.淬硬性和淬透性淬硬性——指钢经淬火后能达到的最高硬度。它取决于钢中马氏体碳含量。马氏体硬度随碳含量的增加而增加，但马氏体硬度不能代表钢的硬度，当碳含量在0.6%时，钢硬度下降，马氏体硬度增加。淬透性——指获得淬硬层深度的能力。或者说是获得马氏体的能力。淬硬层越深、淬透性越好。3.淬火温度和热处理变形淬火温度应尽可能宽模具在切削加工后通过热处理可获得所需组织和性能。4.脱碳敏感性脱碳敏感性指钢铁材料在热处理过程中表面碳元素是否易于逸出的特性。如果热处理过程中工件表面的碳元素易于逃逸到环境中，就说该材料的脱碳敏感性大，反之则小。通常工件碳含量越小、碳化物形成元素越多脱碳敏感性就越小。4第2章冷作模具材料2.1冷作模具的工作条件及性能要求一、冲裁模1.工作条件：工作部分为刃口，易受摩擦，凸模因摩擦会变短，凹模因摩擦会变薄，直至无法工作而失效。2.性能要求：高的硬度和耐磨性，抗压、抗弯和适当的韧性。二、冷镦模1.工作条件：凹凸模表面受剧烈冲击性摩擦，温度可达300℃，凸模易受弯曲应力。失效形式：工作表面产生摩擦磨损导致凹模开裂，凸模镦粗、凹模模口胀大、棱角堆踏。2.性能要求：足够的硬度，高的抗压强度和高的冲击韧性。三、冷挤压模1.工作条件：受强大的挤压力作用，受坯料塑变流动的剧烈摩擦，凸模受强烈的弯曲应力。2.性能要求：高的强韧性，良好的耐磨性。四、拉拔模及成形模包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模等。1.工作条件：模具表面受到强烈的摩擦，凹模主要受径向张力的作用，凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力的作用。2.性能要求：高的耐磨性。2.2冷作模具用钢一、低淬透性冷作模具钢1.碳素工具钢T7A、T8A、T10A、T12A、T13，都属于高碳钢，含碳量在0.65%-1.35%。A表示高级优质。（1）性能碳素钢经处理后有较高的硬度和一定的耐磨性。但淬透性低，热硬性、耐磨性差，淬火温度范围窄，易变形开裂。T10A钢应用最为普遍。冷作模具较少采用T8钢，主要有两方面原因：一是T8钢淬火加热过热敏感性大，甚至在加热温度比较低(780~790℃)的条件下，T8钢的晶粒也容易长大，韧度较差；二是T8钢淬火后组织中没有过剩的碳化物，因而耐磨性差。而过共析钢T10A在加热时能获得比较细的晶粒，淬火过热敏感性小，经适当热处理后可获得较高的强度和一定的韧度，淬火后组织中还保留一些剩碳化物，可提高模具的耐磨性，这是T10A钢应用比较普遍的原因。亚共析钢T7、T7A的耐磨性不及T10A，但T7、T7A钢有较好的韧度，所以，在制作韧度要求较高的模具时，可采用T7或T7A。碳含量超过1.1%的过共析钢T12A，T13过剩碳化物较多，并且颗粒较粗大，碳化物在组织中的分布也不均匀，容易形成网状或断续网状，使钢的力学性能变坏。但是，对于韧度要求不高，只要求高硬度和耐磨性的切边模和刀具，常采用T12、T13钢。5（2）热加工工艺锻造——T10A、T12A钢锻造时，终锻温度过高，冷却速度过缓，会析出二次渗碳体，导致模具淬火开裂、磨削裂纹。退火——将金属构件加热到高于或低于临界点，保持一定时间，随后缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织与性能的金属热处理工艺。球化退火——钢中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。冷锻后的毛坯必须进行球化退火，钢的塑性不仅与钢中铁素体含量和碳含量有关，还取决于组织状态.球化退火的目的是要使钢获得小颗粒球粒状碳化物并均匀地分布在铁素体基体上的显微组织，降低硬度，改善钢的切削性能，并为最终热处理作组织准备.正火——将工件加热至Ac3以上30~50℃，保温一段时间，从炉中取出在空气中冷却的金属热处理工艺。其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。淬火——将钢件加热到奥氏体化温度并保持一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得如马氏体、贝氏体等的热处理工艺。回火——是将淬火钢加热到奥氏体转变温度以下，保温1到2小时冷却的工艺。回火往往是与淬火相伴，并且是热处理的最后一道工序。经过回火，钢的组织趋于稳定，淬火钢的脆性降低，韧性与塑性提高，消除或者减少淬火应力，稳定钢的形状与尺寸，防止淬火零件变形和开裂，高温回火还可以改善切削加工性能。2.GCr15钢（1）性能：高硬度、高强度、良好的耐磨性、一定的韧性。与碳素工具钢比，淬透性高，热倾向小。（2）热加工工艺锻造、球化退火和正火、淬火、回火二、低变形冷作模具钢（高碳低合金模具钢）在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素，如Cr、Mn、S、W、V等，这类刚的韧性、耐磨性、热硬性都比碳素工具钢高。1.CrWMn钢性能：淬透性高，因含有较多的含W碳化物，故具有高硬度和高的耐磨性。但碳化物析出较严重，易形成网状碳化物，韧性差。热加工工艺：锻造、退火、正火、淬火、回火。2.9Mn2V钢性能：9Mn2V钢是一种综合力学性能比碳素工具钢好的低合金工具钢，它具有较高的硬度和耐磨性。淬火时变形较小，加入Mn可提高淬透性。但过热倾向大，故钢中含有一定量的钒，细化了晶粒，减小了钢的过热敏感性。同时碳化物较细小和分布均匀。6热加工工艺：锻造、退火、淬火、回火。三、高耐磨微变形冷作模具钢1.Cr12型钢Cr12性能：高硬度、耐磨性和抗压强度，高度淬透性，但冲击韧性差，主要用作冲击负荷较小，要求高耐磨的冷冲模。Cr12MoV性能：高硬度，耐磨性，Mo、V可使组织进一步细化，强韧性提高。热加工工艺：锻造、退火、淬火、回火。四、高强度高耐磨冷作模具钢（高速钢）高速钢W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2性能：又名高速工具钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。它是一种成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒、钴等碳化物形成元素。它在高速切削产生高热情况下(约500℃)仍能保持高的硬度，HRC能在60以上。这就是高速钢最主要的特性——红硬性。而碳素工具钢经淬火和低温回火后，在室温下虽有很高的硬度，但当温度高于200℃时，硬度便急剧下降，在500℃完全丧失了切削金属的能力，这就限制了碳素工具钢制作切削工具用。而高速钢由于红硬性好，弥补了碳素工具钢的致命缺点，可以用来制造切削工具。热处理工艺：必须经过退火、淬火、回火等一系列过程。退火的目的是消除应力，降低硬度，使显微组织均匀，便于淬火。退火温度一般为860～880℃。淬火时由于它的导热性差一般分两阶段进行。先在800～850℃预热(以免引起大的热应力)，然后迅速加热到淬火温度1190～1290℃（不同牌号实际使用时温度有区别），后油冷或空冷或充气体冷却。淬火后因内部组织还保留一部分(约30%)残余奥氏体没有转变成马氏体，影响了高速钢的性能。为使残余奥氏体转变，进一步提高硬度和耐磨性，一般要进行2～3次回火，回火温度560℃，每次保温1小时。五、高韧性冷作模具钢1.6W6Mo5Cr4V钢（降碳高速钢）性能：碳化物含量减少，在保证高硬度、高耐磨性的同时，提高了钢的抗弯强度、塑性和韧性。但易产生脱碳，耐磨性差。热处理工艺：锻造、退火、淬火、回火。2.基体钢——指成分与高速钢正常淬火组织中的基体成分相同的钢。65Cr4W3Mo2VNb钢性能：加入少量Nb，形成稳定的NbC，阻止奥氏体晶粒长大，同时具有高速钢的强度、硬度、耐磨性，又有较好的韧性。热加工工艺：锻造、退火、淬火、回火。3.6CrNiSiMnMoV钢——（高强韧性低合金冷作模具钢）性能：降低了碳含量，新增了Ni、Si元素，碳化物偏析小，韧性好，但耐磨性略低。六、高耐磨高韧性冷作模具钢1.9Cr6W3Mo2V2（GM）钢性能：高耐磨，高韧性热加工工艺72.Cr8MoWV3Si钢性能：增加了碳含量和碳化物元素的含量，颗粒细小，分布均匀，强度、韧性、耐磨性均好。2.3特殊用途冷作模具材料一、特俗用途冷作模具钢1.9Cr18耐蚀冷作模具钢性能：高碳、高铬，马氏体中铬含量高，高硬度、高耐磨性、良好的耐蚀性。2.7Mn15Cr2Al3V2WMo无磁模具钢性能：高硬度、强度、耐磨性、Mn含量高，磁导率低，不易被磁化。二、硬质合金1.金属陶瓷硬质合金将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末（WC、TIC）和粘结剂（Co、Ni）混合后，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料性能：高硬度、高度抗压强度和高的耐磨性，2.钢结硬质合金以WC、TiC等为硬质相，以合金钢为粘结剂，用粉末冶金方法加工而成的模具材料。性能：高硬度、高耐磨性、高抗压性、高韧性。2.4冷作模具的选材及热处理特点一、冲裁模的选材及热处理选材1.薄板冲裁模根据生产批量、尺寸大小、复杂程度。2.厚板冲裁模特点：刃口易磨损，凸模易崩刃、折断。性能：具有较高的强韧性和高的耐磨性。二、冷镦模的选材及热处理特点1.轻载冷镦模2.重载冷镦模三、冷挤压模具的选材及热处理特点1.冷挤压模选材性能：要求具有高强韧性、高耐磨性、一定的抗回火软化能力。选材：碳素工具钢适合挤压应力小，批量不大的正挤压模具；Cr12应用普遍；高速钢适合制作承受高挤压负荷的反挤压凸模；硬质合金适用于大批量生产的冷挤压模具。2.冷拉深模的选材及热处理特点性能：具有良好的耐磨性能和抗粘附性能。选材：小批量生产T8AT10ACrWMn大批