模具制造技术 第二章 常用模具材料及热处理

第二章常用模具材料及热处理§1常用模具材料§2模具热处理§3模具表面强化处理§1常用模具材料模具材料主要是满足特定要求的钢材。也有一些其它类型的材料。钢：炭钢（普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢）合金钢（合金结构钢、合金工具钢、不锈钢）牌号普通碳素结构钢的牌号用其屈服强度表示，即“Q×××”。如Q235（相当于旧牌号A3）。优质碳素结构钢的牌号用其平均含碳量的万分率表示，如20钢、45钢、40钢等。碳素工具钢的牌号用其平均含碳量的千分率表示，如T8、T10(A)。合金钢的编号原则“数字+合金元素符号+数字”。最前面的数字表示平均含碳量：结构钢用万分率，两位数字；工具钢用千分率，一位数字。含碳量很高时不表示。合金元素符号后的数字表示平均百分含量，小于1.5％时可不标出。合金元素含量1.5％-2.5％标为“2”，2.5％-3.5％标“3”，以此类推。一.常用模具材料可用于制造模具的材料种类繁多，包括各种碳素工具钢、合金钢、硬质合金、铸铁、有色金属及合金、非金属材料等。①.碳素合金工具钢含碳量：0.7％-1.4％主要牌号：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。特点：价格便宜、切削性能好。淬火后有较高硬度和耐磨性，淬透性低，淬火时必须急冷，变形开裂倾向大、回火稳定性差，红硬性低（250°C）适用范围：尺寸小、形状简单、负荷小、冷作模具。②合金工具钢⑴低合金工具钢：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMO含合金量：总量为1％-3％特点：淬透性和淬硬性均较好。耐磨性，红硬性较高。回火稳定性好，热处理变形小。·CrWMn钢：（各种中小型冷作模具）钨形成的碳化物硬度很高，钨能细化晶粒，提高韧性。淬火后残留奥氏体较多，故变形小。·9Mn2V钢：（冲裁模、弯曲模）钒（V）的加入能显著细化晶粒和提高韧性。锰的含量一般控制在2％。·9SiCr钢：（搓丝板、滚丝模）250°C回火时有回火脆性。较高的淬硬性和较好的回火稳定性。淬透性优于9Mn2V。·GCr15钢：常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。铬的加入有利于提高淬透性、细化碳化物并使其分布均匀。5CrMnMO钢：（弯曲热态模、切边模）5CrNiMo中碳低合金钢，典型热作模具钢。强度高，韧性好。淬透性好，抗回火性好，导热性和耐热疲劳性好，耐磨性好。⑵高合金工具钢：·Cr12型钢：包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金钢、工具钢、莱氏体钢淬透性高、淬火硬度极高、热变形小。Cr12钢的含碳量较Cr12MoV高，碳化物多但分布不均匀性严重。Cr12钢的强度和韧性比Cr12MoV低。D2钢是近年用来替代Cr12MoV钢的新钢种。D2钢的碳化物数量增多颗粒较细。CCrWV3Cr2W8V0.3-0.4％2.2-2.7％7.5-9％0.2-0.5％H130.38％C1.0％Si5.3％Cr1.3％Mo0.9％·3Cr2W8V钢和H13钢（4Cr5MoV1Si）、H11钢（4Cr5MoVSi）钨系低碳高合金钢。H13钢除强度略低于3Cr2W8V钢外，其它力学性能均优于3Cr2W8V钢，是其替代钢种。较好的氮化性能。较小的热膨胀系数，较好的耐磨性和红硬性，良好的导热性。热处理变形小、但高温韧性差。·3Cr3MoW2V钢：代号HM1适合于急冷急热条件下工作。·5Cr4W5Mo2V钢：代号RM2·4Cr3Mo3W4VNb钢：代号GR高温性能良好，热作模具钢。·8Cr2MnWMoVS钢：适用于精密塑料模。空冷微变形，易切削。调质状态硬度HRC40-50。调质后切削即可直接适用，不存在热处理变形。·7CrSiMnMoV钢：高强度和韧性好，焊接性能好。适合于制造结构形状复杂的模具零件。⑶高速钢钨系高速钢（W18Cr4V）钼系高速钢（W6Mo5Cr4V2钢）在高温（600°C）下仍保持高强度、高硬度、高耐磨性和好的韧性。钢中含碳量为0.7-0.9％，合金元素含量超过15％，属莱氏体钢。高淬透性，空冷即可淬硬。高速钢含有大量粗大碳化物，且分布不均匀，不能用热处理方法消除之。必须反复十字镦拔以打碎粗大碳化物，并使其分布均匀。需经多次回火，从而使大量残余奥氏体大部分转为马氏体，并使马氏体析出弥散碳化物。（300°C左右为回火脆性区）⑷硬质合金和钢结硬质合金①硬质合金以难熔的金属碳化物（WC、TiC等）作硬质相，以铁族金属（Co或Ni）为粘结相，用粉末冶金方法生产的一种多相组合材料。钨钴（YG）：强度、韧性较高，多用于制造模具。钨钴钛（YT）：较高的红硬性和抗氧性。万能硬质合金（YW）：高强度、高硬度。（成分、性能可见P244表4-2）②钢结硬质合金以合金钢为基本，金属碳化物（TiCiWC）作硬质相，用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料。它是在具有一定强度和硬度的合金钢基体上，弥散分布许多细小硬质颗粒。特点：ⅰ.具有钢的可锻性、可机加工性、可热处理等性能，热处理变形极小。ⅱ.淬火后具有硬质合金的硬度和刚性。两大类:ⅰ.碳化钛（TiC）作硬质相；ⅱ.碳化钨（WC）作硬质相。许多性能因基体（粘结剂）种类不同而不同可作硬质合金基体的有铬钼钢、不锈钢、高速钢等。（性能和一般化学成分见P245表A-3和表A-4）二.模具钢材的选用模具钢材的选用及其锻造或热处理是模具制造技术中的关键之一。对提高模具质量和延长模具寿命有很大的影响。选用模具材料时，需要综合考虑模具的工作条件、性能要求、形状和尺寸、结构特点等。对模具材料的性能要求有时会遇到矛盾，则需适当取舍、协调平衡解决。1.模具材料的一般要求包括力学性能、高温性能、表面性能、工艺性能、经济性等。力学性能：硬度、强度、韧性高温性能：高温强度、抗氧化性、耐热疲劳性、回火稳定性、热膨胀系数小表面性能：耐磨性、耐蚀性工艺性能：切削加工性、电加工性、抛光性、可锻性、淬透性、热处理性能、可焊性经济性：资源条件、市场供应情况、价格各种模具工作条件不同，对材料性能要求也就各有差异。如：冷冲压模：高强度、高硬度。冷挤压模：高强度（抗压、断裂、疲劳强度）、高韧性、高硬度。热锻模：高温强度、硬度、耐蚀性、高温回火稳定性、抗高温氧化性、耐热疲劳性、热膨胀系数小、导热性高。塑料模：较高的强度和硬度、较高的耐蚀性、良好的电加工性、良好的抛光性、较高的导热性、可焊性、切削加工性。橡胶模：耐蚀性、耐热性、可抛光性、一定强度和硬度。陶瓷模：高硬度、耐热性、可抛光性、一定强度和韧性。玻璃模：耐热性、耐蚀性、耐磨性、导热性、一定强度和韧性。表A-6常用模具钢的性能特点及用途钢材性能特点用途10、20易挤压成形，渗碳及淬火后耐磨性稍高、热处理变形大、淬透性低工作载荷不大、形状简单的冷挤模、陶瓷模45耐磨性差、韧性差、热处理过热倾向小、淬透性低、耐高温性能差工作载荷不大，形状简单的型腔模、冲孔模、橡胶模及锌合金压铸模等T10A、T12A耐磨性差、热处理变形大，淬透性低工作载荷不大、形状简单的冷冲模、成形模T7A、T8A耐磨性稍好、热处理变形大、淬透性低工作载荷不大、形状简单的冷冲模、成形模表A-6常用模具钢的性能特点及用途（续）40Cr耐磨性差、韧性高、热处理变形稍小、淬透性稍高、耐高温性能差用于锌合金压铸模9Mn2V、GCr15耐磨性较好、热处理变形小、淬透性稍高工作载荷稍大、形状简单的冷冲模、胶木模CrWMn耐磨性好、热处理变形小淬透性较高工作载荷较大、形状较复杂的冷场模、成形模9CrSi耐磨性好、热处理变形小淬透性较高用于冲头、滚丝模60Si2A韧性好、热处理变形较小、淬透性高用于标准件上的冷镦模表A-6常用模具钢的性能特点及用途（续）Cr12耐磨性好、韧性差、热处理变形小、淬透性高、碳化物偏析严重工作载荷大、形状复杂的高精度冷冲模Cr12MoV耐磨性好、热处理变形小、淬透性高、碳化物偏析比Cr12小工作载荷大、形状复杂的高精度冷冲模、冷挤模以及冷镦模5CrMnMo、5CrNiMo韧性较高、热处理变形较小、淬透性较好、回火稳定性较高热态下工作的热锻模、热切边模3Cr2W8V红硬性高、热处理变形小、淬透性好热态下工作的热挤模、热冲模、压铸模W18Cr4V、W6MoCr4V红硬性高、热处理变形小、淬透性好工作载荷大的冲头、冷挤模及热态下工作的热冲模2.模具材料的一般选用原则模具材料，主要是成型零件和工艺零件的选材，一般在某些方面的性能，要求较高甚至很高。这方面的选材对模具质量、寿命、加工制造及成本都有很大的影响。一般原则：①满足使用性能要求。主要从工作条件、模具结构、产品形状和尺寸、生产批量等综合考虑。形状复杂、精度高――变形小、导热性好、膨胀系数小大负荷――高强度摩擦、磨损――高硬度冲击负荷――高韧性表面光洁――可抛光性②良好的制造工艺性能。容易制造、容易精修、便于修改。一般都要求有良好的切削加工性、热处理特性。尺寸性、形状复杂的――较小的淬火变形倾向含有细小结构的――电加工性精度高的――热处理变形小、易磨削制品生产工艺条件复杂的――易磨削、可焊接。③经济性（制造成本）：尽量考虑到价格便宜、资源丰富、供应方便。4.塑料模的材料选用在我国，塑料模具用钢至今还未形成专用钢材系列，通常采用一般工具钢。如T10A、CrWMn、Cr12MoV钢等。这些钢切削加工性较差，难以制造型腔复杂的塑料模具，而且一旦热处理变形超差则难以修复。为了适应塑料模日益发展的需要。常参考国外塑料模具用钢并结合我国的具体条件进行选用。塑料模的钢材选用原则是①足够的强度和硬度；②良好的切削加工性；③良好的抛光性；④良好的电加工性；⑤良好的耐腐蚀性；⑥良好的淬透性；⑦良好的照相腐蚀加工性；⑧良好的焊接性能；⑨热处理变形小、热膨胀系数小；⑩表面热处理性能好。如：形状简单――选用45、40Cr、T10A、低熔点合金、锌基合金。形状复杂――选用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）锌基合金、铍铜合金等。精度高、寿命长、表面粗糙度很低――可选用进口钢材：＜美＞P6、P20、PPT；＜日＞HPM1、YAG；＜瑞＞S136(H)§2模具热处理热处理的目的：有目的地改变钢材的内部组织结构，从而使机械性能、力学性能、加工性能等达到特定的要求。热处理三阶段：①加热：以一定加热速度使工件达到特定温度；②保温：使工件内外温度均匀；③冷却：工件置于适当的冷却剂中，以一定冷却速度降到特定温度。常用工艺方法：｛退火、正火、淬火、回火｝①退火：将工件加热到临界点以上某一温度然后保温一段时间，再随炉极缓慢冷却；作用：可以得到稳定的结构，清除锻造应力和加工硬化，为最终热处理做好组织准备（组织均匀）。退火＝｛完全退火（再结晶退火）、球化退火、扩散退火、消应力退火、低温退火｝②正火：加热至Ac3或Accm以上30-50°C,然后在空气中冷却。作用：可消除冷作、锻造或急冷时产生的内应力。对含C低于0.45％的碳钢，可用正火代替退火。退火、正火工序的温度区域：③淬火：加热至淬火温度以上某一温度后保温一段时间，然后将工件置入冷却介质（水、油、盐液）中，以极快的速度进行冷却而获得马氏体组织。·冷却速度大于临界速度。淬火易出现：·产生组织应力和热应力·淬裂或变形·体积增大且在各方向上不均匀淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力学性能。④回火：加热至A1以下某一温度保温一段时间，然后进行冷却。作用：消淬火应力，改变淬火组织，适当改善强度和韧性。｛渗碳体（Fe3C）、碳溶解于α铁中形成固溶体叫奥氏体（用A表示）、碳溶解于α铁中形成铁素体｝§3模具表面强化处理物理表面处理法：高频淬火、火焰淬火、激光热处理、加工硬化化学表面处理法：渗碳、渗氮、低温氮碳共渗、渗硫、渗金属、碳化物盐浴涂覆覆层表面处理法：电镀、化学气相沉积、真空镀膜、离子喷镀、喷镀、热喷涂、表面合金化改变表层