模具材料概论

模具材料及热处理1参考教材：1.模具材料.高为国.机械工业出版社.2006.12.模具材料与使用寿命.模具实用技术丛书编委会.机械工业出版社.2004.9主讲人：饶晓晓email:[e-mail]:13636184234模具材料及热处理2课程内容提纲第1章序言第2章冷作模具材料及热处理第3章热作模具材料及热处理第4章塑料模具材料及热处理第5章其它模具材料及热处理第6章模具表面处理技术模具材料及热处理3第1章序言1.1模具材料的分类1.2模具的失效分析1.3典型模具的服役条件及失效形式1.4模具的使用寿命及影响因素1.5模具材料的性能、选用与发展模具材料及热处理4模具在现代工业中的作用随着现代工业技术的发展，为提高产品质量，降低生产成本，提高生产效率和零件材料的利用率，国内外的生产厂家都在采用各种先进的无切削或少切削加工工艺，如精密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压等成形技术来代替传统的切削加工工艺。而模具成形技术是首选的工艺手段之一，在飞机、汽车、机电产品、家用电器、塑料制品、等行业应用广泛。模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，直接影响加工产品的质量和生产的效益。而模具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素。因此世界各国均致力于开发新型模具材料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、加强对模具的维护等措施来提高模具的寿命模具材料及热处理5模具在现代工业中的作用建国以来，我国在模具材料方面有了很大的发展，初步建立起了具有我国特色的模具材料体系、包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等系列材料，并在模具制造业广泛使用。同时，针对不同的工作条件与环境因素，开发了多种先进的模具材料。模具材料及热处理61.1模具材料的分类根据服役条件，模具材料分为冷作模具材料热作模具材料塑料模具材料其他模具材料模具材料及热处理71.1模具材料的分类一、冷作模具材料冷作模具材料应用量大．使用面广，其主要性能要求有强度、硬度、韧性和耐磨性。近年来碳素工具钢的使用愈来愈少，而高合合钢模具所占的比例为最高。国外通用型冷作模具钢的代表钢种有低合金模具钢O1（9CrWMn)、中合金模具钢A2（Cr5Mo1V)和高碳高铬模具钢D3（Cr12)、D2(Cr12Mo1V1)等模具材料及热处理8钢种牌号举例碳素工具钢T7、T8、T10油淬冷作模具钢CrWMn,9Mn2V,9SiCr,Cr2空淬冷作模具钢Cr5Mo1V、Cr6WV、8Cr2MnWMoVS、Cr4W2MoV高碳高铬冷作模具钢Cr12MoV、Cr12、Cr12MoV1基体钢和低碳高速钢6W6Mo5Cr4V,6Cr4W3Mo2VNb、7W7Cr4MoV硬质合金YG6、YG8N、YG8C、YG15、YG25钢结硬质合金GT35、TLMW50常用冷作模具材料1.1模具材料的分类一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢一种多相结合材料，耐磨性、硬度、机械化强度都较高。不能进行切削加工。以高熔点碳化物WC、TiC为硬质相，以碳素工具钢、合金工具钢或不锈钢为粘结相通过粉末冶金真空烧结轧制而成。既具有合金钢的可锻造、切削加工、焊接及热处理性能，又具有硬质合金的高硬度、高耐磨性的特点模具材料及热处理9冷作模具钢以高碳合金钢为主，均属热处理强化型钢，使用硬度高于58HRC。9CrWMn为典型代表的低合金冷作模具钢，仅用于小批量生产中的简易型模具和承受冲击力较小的试制模具；Crl2型高碳合金钢是大多数模具的选用材料，这类钢的强度和耐磨性较高，韧性较低；在对模具综合力学性能要求更高的场合，常用的替代钢种是W6Mo5Cr4V2高速钢和基体钢。1.1模具材料的分类模具材料及热处理10由于温度和冷却条件(有无冷却、如何冷却)这两个因素，热作模具的工作条件远比冷作模具复杂，因而热作模具用材的系列化，除少数外不如冷作模具用材系列完整。热作模具用材的选择，在力学性能方面要兼顾热强性(热耐磨性)和抗裂纹性能。但由于加工对象(热金属)本身强度不高，故对热作模具材料的屈服强度要求并不高，而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的局部急热急冷特性，对韧性提出了较高要求。二、热作模具材料1.1模具材料的分类模具材料及热处理111.1模具材料的分类3Cr2W8V，广泛用于制造黑色和有色金属热挤压模及Cu、Al合金的压铸模，但热稳定性差4Cr5MoSiV1，具有良好的冷热疲劳性，在使用温度不超过600℃时代替H21模具材料及热处理12由于塑料模具的工作条件(加工对象)、制造方法、精度及对耐久性要求的多样性，所以塑料模具用钢的成分范围很大，各种优质钢都有可用之处，且形成了范围很广的塑料模具用材料系列。1.1模具材料的分类三、塑料模具材料模具材料及热处理131.1模具材料的分类为避免大、中型精密塑料模具热处理后的变形，保证模具的精度和使用性能而开发的模具材料。在钢厂经过充分锻打后制成模块预先调质要求的硬度（30~35HRC）后供使用单位制造模具，切削加工成形后不再进行热处理直接使用为避免形状复杂、精密、要长寿命的塑料模具在热处理过程中变形，这类钢在固溶处理后进行切削加工，现进行低温时效硬化处理获得要求的力学性能，时效处理后不再进行切削加工即可得到精度很高的模具成品模具材料及热处理14在三大类模具材料之外，还有铸造模具钢、有色合金模具材料、玻璃模具材料等，陶瓷模具、建材成型模具。另外我国还开发研制了特种新型模具用材。四、其他模具材料1.1模具材料的分类模具材料及热处理15通过精密铸造工艺直接得到形状复杂的模具铸件，与传统的模具生产工艺比较可以节省加工工时，降低金属消耗，缩短模具制造周期，降低模具制造费用。如美国ASTM一A597铸造工具钢标准中包括7个钢号。其中冷作模具钢4种、热作模具钢2种、耐冲击工具钢1种。(一)铸造模具钢1.1模具材料的分类模具材料及热处理16我国不少部门也开始研制并采用精密铸造工艺生产模具，如东风汽车公司冲模厂已经采用火焰淬火冷作模具钢ZG7CrSiMnMov实型铸造工艺，生产出汽车大型覆盖件冲模的刃口镶块模，取得了良好的使用效果和经济效益。东风汽车模具有限公司1.1模具材料的分类模具材料及热处理17我国研制的铸造热锻模用钢JCD钢已经试用于小型热锻模块，代替5CrMnMo钢锻造模具。我国研制的铸造锻模钢ZDM—2(3Cr3MoWVSi)钢，采用陶瓷型精密铸造工艺，通过几十种锻模的生产试用，代替传统的5CrNiMo和3Cr2W8V锻模，取得了较好的使用效果和经济效益。1.1模具材料的分类模具材料及热处理18随着工业产品的多样化和中小批量生产的增加，一些低成本、易加工、制造周期短以及具有特殊性能的有色金属材料模具也逐渐增多，使用较多的是铜、铝、锌合金。铜合金模具的抗粘着性和热导件好，常用作不锈钢和表面处理钢板的拉伸模和弯曲模具，近年来也用于注射模。常用作模具的是铍青铜，由于铍是公害元素，最近国外又开发出了含Ni-Si的Corson铜合金，这种析出硬化型合金的特点是高强度和高热导性。(二)有色合金模具材料1.1模具材料的分类模具材料及热处理19铝合金除用于模具的导板、导柱等构件外，现在5000系和7000系铝合金也应用于一些小批量生产的试制模具，如薄板拉伸、塑料成型、发泡塑料等模具。锌合金的熔点较低，易于熔化和铸造，切削加工性能好，且可反复回收使用，常常被用作试制模具，主要用于薄板拉伸模、弯曲模和铝合金挤压模等。日本近几年又在传统制模用的锌合金基础上，添加Cu、Al、Ti、Be等元素，开发出了新型的锌合金材料。1.1模具材料的分类模具材料及热处理20玻璃模具是玻璃制品的主要成型工艺装备。在玻璃制品成型过程中，模具频繁地与1100℃以上的熔融玻璃液接触，经受氧化、生长和热疲劳作用。根据玻璃模具的服役条件和失效形式，对模具材料的要求以抗氧化为最主要指标。通常采用耐热合金钢，如3Cr2W8V、5CrNiMo以及合金铸铁等。三)玻璃模具材料1.1模具材料的分类模具材料及热处理21除了上述几类模具材料外，还开发研制了特种模具用材，如CrMnN系无磁模具钢(用于电子产品的无磁模具)、高温玻璃模具钢(用于高温餐具、高透光度的车灯、显像管玻璃模壳模具)、陶瓷模具、复合材料模具等。四)特种新型模具材料1.1模具材料的分类模具材料及热处理221.2模具的失效分析模具失效是指模具丧失正常的使用功能，其生产出的产品已成为废品，模具不能通过一般的修复方法(如刃脚、抛磨等)使其重新服役的现象。1、模具失效既有达到预定寿命的正常失效，也有远低于预定寿命的非正常失效(早期失效)。非正常失效常常造成人身或设备的恶性事故，并造成经济上的损失，因此应尽量加以避免。失效分析的任务：通过对模具失效进行分析，找出模具失效的具体原因，则可以采取相应的措施加以改进，以提高模具的使用寿命。模具材料及热处理23模具使用寿命是指模具在正常失效前生产出的合格产品的数目，若其亦使用过程中经过多次修模，则模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维护等各项指标的综合体现，在一定程度上反映了一个国家或地区的冶金、机械制造等工业水平。1.2模具的失效分析模具材料及热处理24要研究模具的失效问题，就要了解各类模具的服役条件和失效形式，以便分析其失效原因，合理地选择模具材料，改进模具的设计、加工和热处理工艺，提出预防或推迟失效的措施，不断提高模具的使用寿命。一、模具主要失效形式1.2模具的失效分析模具材料及热处理25模具的基本失效形式是断裂及开裂、磨损、疲劳及冷热疲劳、变形、腐蚀。模具在工作过程中可能同时出现多种损坏形式，各种损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展，而当某种损坏的发展导致模具失去正常功能，则模具失效。图1—1举出了几种常见的模具失效形式。对不同类型模具，损伤主要形式不同模具出现的损坏形式也在变化，如冷作模具——脆断，热作模具——冷热疲劳、裂纹及变形，而冷、热作模具都可能因磨损而失效。1.2模具的失效分析模具材料及热处理26模具材料及热处理27了解了模具失效形式，就可以进一步分析模具的失效原因，找出影响模具失效的各种因素，从而提高模具质量，延缓模具失效。1.2模具的失效分析模具材料及热处理28模具的失效—般都存在一个变化过程，如断裂失效就可能经历：表面产生缺陷→表面微裂纹→裂纹扩展→最后断裂的变化过程。模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象但没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤。模具在工作时，不同部位承受不同的作用力和不同的温度变化，可能同时出现多种不同的损伤形式，各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。1.2模具的失效分析模具材料及热处理29模具的失效一般可分为非正常失效(也称早期失效)和正常失效两类。非正常失效发生在模具使用的初期，主要是由模具设计和制造过程中的缺陷引起的，失效出现的几率很高，且随着模具使用期限的延长而迅速降低。1.2模具的失效分析模具材料及热处理30模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏而出现的失效称为正常失效，模具经过使用初期的考验后即进入正常的使用阶段。在模具经过了长期使用后，由于使用损伤的大量累积，致使模具发生失效，即达到了模具的使用寿命极限。在模具的使用过程中，注意做好经常性的检查、维护和保养工作，可有效地推迟正常失效的到来，有助于提高模具的使用寿命。1.2模具的失效分析模具材料及热处理311．过量变形失效————过量弹性变形失效、过量塑性变形(如局部塌陷、局部镦粗、型腔涨大等)失效、蠕变超限等。2．表面损伤失效——主要包括表面磨损(如粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、疲劳磨损等)失效、表面腐蚀(如点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀等)失效、接触疲劳失效等。3．断裂失效———主要有塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂