模具材料

绪论模具是利用金属或非金属材料的塑性或流动性将其加工成一定形状和尺寸的工艺装备总称。第一章模具材料的分类:冷作模具材料。热作模具材料。塑料模具材料。其他模具材料（铸铁。有色金属及其合金。钢结硬质合金。非金属材料）系统、设备、工件等产品丧失正常使用功能的现象称为失效。工件的失效一般可分为非正常失效和正常失效，非正常失效指设备未达到一定技术工艺水平公认的使用寿命。一般出现在模具使用初期，正常失效是模具使用一段时间后，由缓慢塑性变形、均匀磨损或疲劳破坏而出现的失效。零件失效评定：1零件完全破坏，不能继续工作;2.零件严重损伤，不能保证工作安全;3.零件虽能安全工作，但工作低效由零件破坏的特点、所受载荷的类型以及外在条件，零件的失效形式可归纳为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。1.变形失效：弹性变形失效、塑性变形失效2.断裂失效：塑性断裂失效、低应力脆断失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效、应力腐蚀断裂失效3.表面损伤失效：磨损失效、表面疲劳失效、腐蚀失效。磨损由于模具表面相对运动，而从模具的接触表面逐渐失去物质的现象。磨损失效当磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面状态发生改变而使其不能正常工作。磨损分类：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。磨粒磨损：配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面硬凸体的作用而造成表面损伤（被犁削形成沟槽）的磨损称为磨料（粒）磨损。影响因素：磨粒的形状和大小、硬度和磨具材料硬度的比值、模具和工件的表面应力。防止：提高模具表面的硬度；及时清理模具及工件表面上的磨粒。粘着磨损：两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或被撕下作为磨料留在两个表面之间的现象称为粘着磨损。影响因素：材料性质（塑性、晶体结构）、材料硬度、表面压力。防止：选择与工件材料互溶性小的材料、加润滑剂（减少摩擦系数）、表面强化处理（减少摩擦系数）疲劳磨损：在循环应力下，两接触面相互运动时产生的表面金属疲劳剥落的现象。影响因素：冶金质量（气体含量、非金属夹杂物）、材料硬度、表面粗造度、表面应力状态，防止：加润滑剂、使表面处于压应力状态、提高冶金质量、提高硬度、降低表面粗糙度。腐蚀磨损：腐蚀磨损是模具表面与其周围的环境介质发生化学或电化学反应，以及模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表面材料的脱落现象。点腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔、晶间腐蚀发生于晶粒边界或其近旁断裂失效模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象。断裂分类：断裂性质（脆性断裂/韧性断裂）；按断裂机理（一次性断裂/疲劳断裂）按断裂路径（沿晶断裂/穿晶断裂/混晶断裂）1一次性断裂：模具在承受很大变形历或冲击载荷作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂。（1）沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展而造成材料脆性断裂的现象（高温、杂质偏聚、晶界偏聚相的不连续易出现），（2）穿晶断裂：因拉应力作用沿特定晶面的断裂。也称解理断裂。在较低温度使用是易出现2、疲劳断裂：在较低的循环应力作用下，工作一段时间后，由裂纹缓慢扩展，最后发生断裂的现象a、疲劳裂纹的萌生和扩展萌生：表面不均匀处，晶界，夹杂物，第二相，尺寸过渡处，加工刀痕，磨损沟痕。扩展：在循环应力作用下已形成的裂纹便沿着主滑移面向模具材料内部扩展。影响断裂失效的因素：主要是模具结构因素（截面突变、凹槽、尖角）和模具材料（材料韧性越高，越有利于防止裂纹的萌生和扩展）失效分析的主要方法：1.无损检测：无损检测是针对材料在冶金、加工、使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查，以查清其状态及分布。2.断口分析：脆性断口u/韧性断口/疲劳断口。3.金相分析：通过观察分析零件（特别是失效源周围）显微组织构成情况，如组织组成物的形态、粗细、数量、分布及其均匀性等，辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化，对组织是否正常作出判断。4.化学分析：检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求5.力学分析：检查分析失效零件的应力分布、承载能力以及脆断倾向等。模具的服役条件与失效形式：冷作模具：承受拉伸、弯曲、压缩、冲击、疲劳等不同应力的作用，而用于金属冷挤、冷镦、冷拉伸的模具；热作模具：高温下承受交变应力和冲击力，抗高温氧化及烧损；塑料模具：模具在较强的磨损及浸蚀条件下工作，而热塑性塑料注射模其受力、受磨损都不太严重，但部分塑料品种含有氯及氟，当压制时易放出腐蚀性气体，模具型腔经受气体腐蚀作用。模具的失效形式：1.塑性变形2.磨损失效3.疲劳失效4.断裂失效冲裁过程可以分为三个阶段:弹性变形阶段/塑性变形阶段和剪裂阶段拉深模具的主要失效形式为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主。塑料模具的服役条件和失效形式：（1）腐蚀（2）磨损（3）变形（4)开裂模具的质量：包括模具的尺寸精度、表面光洁度和模具寿命三个方面。影响模具使用寿命的基本因素：1.结构设计2.模具材料及热处理3.冷热加工工艺4.磨削和电火花加工5.机床的调整与操作；材料对寿命的影响：1。材料类别（须根据成型工件、批量大小、精度要求、温度、尺寸选材）2。硬度（并不是硬度越高越好）3。冶金质量（不好，则易淬裂或早期破坏）4。热处理工艺（决定最终的组织和性能，挖掘材料潜力）不正确的机加工可能在以下三个方面导致模具早期失效:①不当切削，形成尖锐圆角或圆角半径过小时常常造成应力集中，使模具早期失效;②表面光洁度不够，存在不允许的刀痕，常常使模具因早期疲劳破坏而失效;③机加工没有完全均匀地去除轧制和锻造形成的脱碳层，致使模具热处理后形成软点和过大的残余应力，导致模具早期失效。1、模具的热处理：模具的热处理一般包括预先热处理和最终热处理（1）预先热处理包括退火、正火和调质目的：改善模具材料的组织结构，消除缺陷，为最终热处理作组织准备；消除应力；降低硬度，改善切削加工性能。（2）最终热处理，淬火+回火目的：获得最终的使用性能。2、模具表面强化：（1）定义：将已经过常规热处理的模具进行某种表面处理，使其表面具有某些特殊的物理、化学和机械性能。（2）目的：改善模具材料的表面特性，赋予模具某些特殊的性能：耐磨性、抗粘附性、抗咬合性、抗热疲劳性、高的机械疲劳强度、高的的冲击韧性、耐腐蚀性及减磨性。（2）方法：化学热处理、表面淬火、表面涂覆、离子注入、喷丸强化及堆焊等1.影响冲压模具寿命的因素（1）模具材料的影响（2）模具结构的影响（①模具几何形状的影响/②模具间隙的影响/③结构形式的影响）(3)模具制造工艺的影响（①锻造工艺的影响②加工工艺的影响③热处理工艺的影响(4)模具工作条件和使用维护的影响（①被加工材料的影响②冲压设备特性的影响③润滑条件的影响）第二章模具材料的性能要求：（冷冲压模具、冷挤压模具、热作模具、其他模具材料）冷冲压模具：要求其材料具有高的强度，良好的塑性和韧性，高的硬度及耐磨性;冷挤压模具：要求其材料具有高强度、高韧性、高淬透性以及良好的耐磨性、热稳定性和切削加工性;热作模具：用钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性、良好的抗腐蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。其他模具材料：铸铁、有色金属及其合金、钢结硬质合金、非金属材料使用性能：机械性能（硬度、强度和韧性等）、化学性能、物理性能等。1.硬度表示了钢对变形和接触应力的抗力，而且是很容易测定的一种性能，同时硬度与强度也有一定关系，可通过二者的换算关系得到材料硬度值。可按硬度范围划定模具类别，如高硬度（52～60HRC），一般用于冷作模具;中等硬度（40～52HRC），一般用于热作模具。2.强度是指钢在服役过程中，抵抗变形和断裂的能力。对于模具来说则是整个型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。3.韧性是模具承受着冲击载荷，为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏的能力，韧性是模具钢的一种重要性能指标，它决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力。材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。对于衡量模具脆断倾向，冲击韧度试验具有重要意义。4.耐磨性是模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。5.抗热疲劳性能热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外，还受到高温及周期性的急冷急热的作用，抗热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命。因此，热作模具如要获得高的寿命，模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。6.咬合抗力咬合抗力实际上就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较重要。试验时通常在干摩擦条件下，把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料（如奥氏体钢）进行恒速对偶摩擦运动，以一定的速度逐渐增大载荷，此时，转矩也相应增大，该载荷称为“咬合临界载荷”，咬合临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。7.耐蚀性是金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力，称为金属的耐蚀性。{提高耐磨的方法}（1）加合金元素形成单相组织（2）加合金元素提高基体的电极电位（3）加入易钝化合金元素（4）加入能促使合金表面生成致密腐蚀产物保护膜的合金元素工艺性能：可加工性，淬透性和淬硬性，淬火温度和热处理变形，氧化、脱碳敏感性及其他因素;材料费用一般占10%～20%，而机械加工、热处理、装配和管理费用占80%以上。1.可加工性：热加工性能（热塑性、加工温度范围等）；冷加工性能（切削、磨削、抛光、冷拔等）；特种加工（如电火花加工）2.热处理工艺性淬透性主要取决于钢的化学成分。对于热作模具钢和塑料模具钢，一般模具尺寸较大，尤其是制造大型模具，其淬透性更为重要；淬硬性则主要取决于钢中的碳含量，对于大部分的冷作模具钢，淬硬性往往是需考虑主要的因素。淬火温度和热处理变形，要求模具钢淬火温度范围宽，热处理变形小。氧化、脱碳敏感性影响硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低，防止：真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。在选择模具钢时，除了必须考虑使用性能和工艺性能之外，还必须考虑模具钢的通用性和价格。模具材料的选用原则：一是使用性能原则——材料的使用性能应满足模具的使用要求。对大量机器工件和工程构件，主要是机械性能;对一些特殊条件下工作的工件，则必须根据要求考虑到材料的物理化学性能。二是工艺性能原则——材料的工艺性能应满足模具生产工艺的要求。三是经济性原则——必须考虑材料的经济性。采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力。满足使用性能要求：1.耐磨性2.强韧性3.疲劳断裂性能4.高温性能5.抗热疲劳性能6.耐蚀性满足工艺性能要求：（1）良好的可锻性（2）良好的退火工艺性（3）良好的切削加工性（4）较小的氧化、脱碳敏感性（5）良好的淬硬性（6）良好的淬透性（7）较低的淬火变形开裂倾向（8）良好的可磨削性满足经济性要求：1.材料的价格（模具材料的通用性）2.模具的总成本:a.购置价格(可变成本（生产成本）/固定成本/制造厂利润)b.使用成本(维护费维修费/保险费/折旧费)资源及环境因素:1.能源和资源消耗少2.环境污染小三章冷作模具：冷态下完成对金属或非金属材料进行塑性变形的模具。对制品的变形方式一般为：弯曲、拉深，冲裁、挤压、冷镦、滚丝、拉丝等冷作模具材料有：冷作模具钢（应用最多）、硬质合金、陶瓷材料、铸铁等冷作模具材料的工作条件:1.冲裁模2.拉深模3.挤压模4.冷镦模冷作模具的主要失效方式:冷作模具材料的失效形式主要是磨损、疲劳、脆断、弯曲、咬合、塌陷、啃伤、软化等。1.使用性能要求（1）耐磨性（2）韧性（3）强度（4）抗疲劳性（5）抗咬合性2.工艺性能要求（1）可锻性（2）可切削性（3）可磨削性（4）热处理工艺性3.淬火后回火组织：回火M或下贝氏体基体上分布着细小均匀的碳化物颗粒。使用性能：硬度：是衡量材料软硬程度的性能指标。钢的硬度主要决定于其化学成分和组织。钢完全淬成马氏体时的硬度取决于马氏体的含碳量。韧性：是衡量强度和塑性的综合指标。是工件在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的特性。影响韧性的因素主要是钢的成分、组织和冶金质量。碳量愈低，杂质愈