模具工程材料

1现代模具的特点1面大量广，品种繁多2作为批量生产，模具在提高经济效益方面起着关键作用3模具生产影响到产品开发更新换代和发展速度4它的寿命影响到产品的成本5现代模具向大型化、复杂化精密化发展。模具的分类：冷作模具、热作模具、型腔模具模具材料的分类：（1）钢铁材料，通常将模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢、橡塑模具钢三类。（2）非铁金属材料，主要有铜基合金、低熔点合金、难熔合金、硬质合金、钢接硬质合金等（3）非金属材料，用于制造模具的非金属材料主要有陶瓷、橡胶、塑料等模具失效的形式：断裂失效、磨损失效、疲劳失效、变形失效、磨蚀失效锻造的目的：锻造的第一个目的是使刚才打到模具毛坯的尺寸及规格，为后续加工做好准备。锻造的第二个目的是改善模具钢的组织和性能，使大块碳化物破碎，并均匀分布，改变金属纤维的方向性，使流线合理分布，消除或减轻冶金缺陷，提高模具钢的致密度预备热处理的目的为模具的机械加工和最终热处理做组织准备，其关键的因素是加热温度，冷却温度或等温温度的选择。模具材料的选用原则：①生产批量，当工件的生产批量很大时，凸、凹模材料应选取质量高、耐磨性好的模具钢；对于模具的其他共同以结构部分和辅助结构部分的两件材料要求，也要相应的提高。在批量不大时，可考虑降低成本，可适当放宽对材料性能的要求。②被冲压材料的性能、工序性质和凸、凹模的工作条件。当被冲压加工的材料较硬或变形抗力较大时，模具凸、凹模应选取耐磨性好、强度高的材料；对于凸、凹模工作条件较差的冷挤压模，应选取有足够硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢，同时应具有一定的红硬性和热疲劳强度等。③材料性能，应考虑模具材料的冷、热加工性能和工厂现有条件。④生产、使用情况，应考虑我们模具钢的生产和使用情况冷作模具钢的一般性能要求1高硬度高耐磨性2较高的强度和足够韧性3良好的工艺性冷作模具材料的性能要求：（1）变形抗力，衡量冷作模具材料变形抗力的指标主要有硬度、抗压强度、抗弯强度。（2）断裂能力（3）耐磨性（4）咬合能力（5）受热软化能力冷作模具材料的使用性能要求：（1）锻造工艺性，良好的锻造工艺性是指可锻性好。（2）切削加工性，切削工艺性是指可加工性和可磨削性；（3）热处理工艺性，包括退火工艺性，淬透性，淬硬性，脱碳、侵蚀敏感性，过热敏感性，淬火变形倾向冷作模具材料的内部冶金质量要求：（1）化学成分不均匀性；（2）磷和硫的含量；（3）钢中夹杂物；（3）碳化物不均匀性；（5）疏松冷作模具钢的选用原则：首先要满足模具的使用性能要求，同时兼顾材料的工艺性和经济性。具体选择时应从模具的种类、结构、工作条件、制品材质、制品形状和尺寸、加工精度、生产批量等方面综合考虑，最后根据模具使用寿命和模具成本做出选择。冷作模具钢的热处理工艺工序在安排上应注意：（1）为减少热处理变形，对于位置公差和尺寸公差要求严格的模具，常在机加工之后安排高温回火或调质处理。（2）由于线切割加工破坏了脆硬层，增加了脆硬层脆性和变形开裂的危险，因此，线切割加工之前的淬火、回火，常采用分级淬火或多次回火和高温回火，使淬火应力处于最低状态，避免模具线切割时变形、开裂。（3）为使线切割模具尺寸相对稳定，并使脆硬层组织组织有所改善，工件经线切割后应及时进行再回火，回火温度不高于淬火后的回火温度。硬质合金将高熔点，高硬度的金属碳化物的粉末和粘结剂混合，加压成型在经烧结而成的一种粉末冶金材料。按碳化物的不同，通常分为钨钴类和钨钴钛类，冷冲裁模用的一般是钨钴类。共性是高硬度‘高耐磨和高的抗压强度，但脆性大，不能锻造、热处理和切削加工。主要用于多工位级进模，大直径拉伸凹模的镶块、拉丝模、冷挤压模等。钢结硬质合金是以难熔金属碳化物为硬质相，以合金钢为粘结剂，用粉末冶金方法产生的一种新型模具材料。它具有硬质合金的高硬度，高耐磨和高抗压性又具有钢的可加工性，热处理性。以WC为硬质相的钢结硬质合金，简称为DT钢，可用于制作冷镦模，冷挤压模，冷冲模，拉伸模等。但价格昂贵，小批量生产时，技术经济效益不明显。冷冲裁模的选用原则：1冷冲裁模的寿命2冲压件的材质3冲压件的形状，尺寸，厚度，精度及毛刺要求等4价格；主要是对刃口的要求，应有高硬度和高耐磨性及一定的韧性冷拉伸模的材料选用：若被拉伸材料较薄，强度较低，塑性较好，模具承载较轻时，属轻载拉伸；若被拉伸板材强度较高板材较厚时则承载较大为重载拉伸；在拉伸时，冲击力很小，主要要求模具具有较高的强度和耐磨性，工作时不发生粘附和划伤，并具有一定的韧性和较好的切削加工性，热处理变形小。选材与被拉伸材料的类别厚度和变形率有关。轻载拉伸可选T8A,9Mn2V和CrWMn，重载，可选Cr12WMnCr12或钢结硬质合金等。对于小批量的拉伸模可选用较低档的材料，如表面淬火钢，甚至铸铁等；大批量时，应对2模具进行渗氮，硼，钒或镀硬Cr。对中碳合金钢模具进行渗碳等表面处理冷挤压模的选用制作冷挤压模的材料必须具有高的强韧性及良好的耐磨性，一般要求硬度为61～63HRC由于承受极大的挤压力，故要求抗压强度高，为防折断抗弯强度也要提高，并要求具有较高的强度和硬度及较高的冷热疲劳抗力。目前常用的材料有60Si2Mn,Cr12,Cr12MnV,W18Cr4V及低碳高速钢6W6Mo5Cr4V基体钢LD,65Nb,012Al低合金高强韧性钢GD，马氏体时效钢，硬质合金等冷镦模具材料的选用要求凸模材料有高的强韧性、抗弯强度和高的耐磨性；凸模材料必须具备高强度、高硬度及高的冲击韧性。对于形状不复杂变形量不大的一般载荷冷镦模，凸模可用T10A,60Si2Mn,9SiCr,GCr15等，凹模可用T10A,Cr12MoVGCr15等。变形量大，形状较复杂的重载冷镦模用钢为强度较高的合金钢或中、高碳钢，如Cr12,高速钢等冷作模具的制造工艺路线1）一般成形冷作模具：锻造—球化退火—机加工成形—淬火+回火—钳修装配;2）成形磨削及电加工冷作模具：锻造—球化退火—机械粗加工—淬火+回火—精加工（凸模成形磨削，凹模电加工）—钳修装配3）复杂冷作模具：锻造—球化退火—机械粗加工—退火或调质—精加工—钳修装配冷作模具的强韧化处理低淬+低回；高淬+高回；微细化处理；等温淬火和分级淬火等热作模具钢的分类：热作模具钢按用途可以分为热锻模用钢、热挤压模用钢和压铸模用钢，又可细分为锤锻模用钢、机锻模用钢、热挤压模用钢、热锻模用钢、热冲裁模用钢和压铸模用钢。按耐热性分类可以分为高耐热性用钢、中耐热性用钢和低耐热性用钢，或按热油性能分为高韧性钢、高热强性钢和高耐磨钢。按合金元素分类可以分为钨系热模钢、铬系热模钢、铬铂系及铬钨铂系热模钢，或按合金元素含量多少分为低合金热作模具钢、中合金热作模具钢和高合金热作模具钢。高韧性热作模具钢的基本性能：①淬透性高，以保证这种大型模具沿整个截面具有均匀一致的力学性能。②冲击韧性好、热疲劳抗力高，以保证能承受冲击载荷及在急冷急热反复冲击下不至于发生龟裂。③导热性好，以保证模具型腔表面的热量尽快传导外散，降低模具的温升，有利于减少热磨损及热疲劳损伤。④较高的抗回火稳定性及高温强度，以减少热塑性变形。⑤较好的抗氧化性能和加工工艺性能。热锻模具钢的性能要求：①高的冲击韧度和断裂韧度。②高的高温硬度及高温强度。③高的淬透性。④高的热疲劳抗力。⑤较高的回火稳定性。⑥良好的工艺性能及抗氧化性。铸造模块的性能特点：①铸造模块的耐磨性优于锻造模块。②铸造模块裂纹扩展速度比锻钢模具慢，应力集中敏感性比锻钢模块低，这些都有利于模具寿命的提高。③铸造模块冲击韧度值低于锻造模块。热锻模具淬火工艺的特点1因锻模尺寸较大，大多采用箱式电炉加热。为防止加热过程中产生氧化脱碳，对模具型腔表面及燕尾加以保护。2装炉应注意模块的装置，以使加热均匀。装炉温度不宜太高，以防产生裂纹。3近年研究表明：随淬火温度的提高，钢的断裂韧性有所提高，钢的抗回火能力和热稳定性也得到提高；淬火温度提高后，还能推迟热疲劳裂纹的产生；而淬火温度提高后，又使奥氏体晶粒粗大，降低钢的冲击韧性；但通过回火温度的调整，可使钢的冲击韧性到达模具的要求。4淬火前对模具采用延时冷却等工艺措施，可避免淬火变形及开裂倾向。5保温时间的计算，应将装箱厚度作为模具厚度的一部分加以计算，且采用加热系数的上限。6淬火冷却时影响模具质量的关键，冷却时应注意入油方向并适当摆动及冷却介质的循环。7淬火后的回火。淬火目的是调整模块的力学性，能消除应力，稳定组织和尺寸。所达硬度是以模具不发生脆断的最高硬度值，则模具既有很高的耐磨性，又有很高的塑性抗变形能力，以免模具的早期磨损，变形失效和早期脆断。陶瓷型精铸锻模工艺：工艺概述：采用陶瓷型精密铸造工艺，将锻模型腔精铸成型，型腔无需再机械加工。工艺优点：1省时2省料3设备投入少，工艺易掌握4模具寿命长。工艺路线：准备母模—沙套造型—陶瓷型灌浆—起模—喷烧—焙烧烘干—浇注—清理—退火—机加工—淬火+回火；精铸模块的性能特点：1耐磨性优于锻造模块（尤其是采用金属衬陶瓷型水冷工艺）；2应力集中敏感性低于锻造模块3但冲击韧性值低于锻造模块。铸钢堆焊大型锻模容易产生裂纹，防止产生裂纹的主要措施为：1合理设计堆焊槽2选用桥当的堆焊工艺参数：高压，低电流易得优质焊缝；为获得均匀焊缝，在焊接过程中应逐渐降低电压，且不断地调节电流。双金属电渣熔铸模块技术：1应用：使模块带有良好韧性的模尾或更换已断裂的模尾，以免整个模块的保费；2工艺优点：（1）因不需对模具尾部进行专门回火处理，减少了工序，缩短了制模3周期，工艺简单可靠，节省了加工费用（2）熔铸模块成分均匀，气体含量低，夹杂少，组织致密，晶粒细，各向异性小，延长了模块的使用寿命。塑料模具的工作条件：据塑料制品成型固化不同，塑料膜可分为热固性塑料膜和热塑性塑料膜。热固性塑料膜工作是，塑料固态粉末或预制坯料加入型腔，在一定温度下热压成型，故受力大，并受一定的冲击，摩擦较大。即热机械负载及摩擦较大。热塑性塑料膜工作时，是使塑料在黏流状态下，通过注射，挤压等方式进入模腔而成型，受变形抗力小，受热受压及磨损情况不严重。但均在一定温度下工作，故均须有耐腐蚀的性能。塑料模具的性能要求：与冷、热作模具相比，塑料模的基本要求并不太高，具体如下：1使用性能（1）较高的硬度和耐磨性；（2）一定的抗热性和耐蚀性；2工艺性能（1）有较好的冷、热成型性，变形抗力小（2）切削加工性好，有良好的抛光性及焊接性能；（3）有较好的淬透性，热处理变形小。铸造模具预处理的目的是：消除由于铸造、清理、切削冒口时产生的组织应力和热应力，使模具的组织及性能均匀，以减少最终热处理时发生变形及开裂，也为了降低硬度，便于机械加工。表面工程改善机械零件、电子电器元件等基质材料表面性能的一门科学和技术，主要用于提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗疲劳强度等力学性能，是维修与再制造的基本手段。表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力情况。表面工程技术分为：表面改性，表面处理和表面涂覆。表面化学热处理是在一定的温度下、在不同的活性介质中向钢零件的表面渗入一些化学元素，用来改变零件表面成分、组织，以改善其使用性能和延长其使用寿命的热处理过程。普通的化学热处理按渗入元素的不同分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬等，随着科学技术的进步又发展起来真空化学热处理及等离子体化学热处理等技术。真空化学热处理是指将钢制零件在真空条件中加热，渗入金属或非金属元素，改变钢的表面成分、组织和性能热处理方法。它的优点是工件不氧化、台步脱碳、渗入速度快、生产效率高等。等离子化学热处理是利用负压气体在一定电压的激发下产生辉光离子放电效应形成等离子态、大量的正离子强烈轰击工件表面发生一系列复杂的物理化学反应，使工件表面快速获得所需渗层的热处理方法，它的优点是渗速快、变形小、渗层浓度梯度平缓、节能等。表面化学热处理的三个基本过程是：化学介质的分解、活性原子的吸收和原子向内层扩散形成一定厚度。渗碳是：将低碳钢件放入渗碳介质