第二章 模具材料及成型原理

第二章模具材料及成型原理•一、模具材料基本性能•⒈模具钢材的耐磨性•模具工作表面往往要与工件产生多次强烈的摩擦，同时模具必须在此情况下仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度，不致于早期失效。•要求：模具钢材要承受机械磨损，而且在承受重载和高速摩擦时，模具被摩擦表面能够形成薄而致密附着的氧化模，保持润滑作用，防止模具和被加工工件的表面之间产生粘附、焊接招致工件表面擦伤，又能减少模具表面进一步氧化造成的损伤。•做法：采取合理的生产工艺和处理工艺，使模具钢材既具有高硬度又使模具钢中的碳化物等硬化相的组成、形貌和分布合理，当然模具工作过程中的润滑情况和模具钢材的表面处理，也对改善模具的耐磨性能有良好的影响。例如添加耐磨成分，提高表面硬度，表面氮化处理等。•2、模具钢材的韧性•受强烈冲击载荷的模具，如冷作模具的冲头，锤用热锻模具、冷镦模具、热镦锻模具等，要求有良好韧性。•高温下工作的模具，要考虑其在工作温度下的高温韧性。•对于多向受冲击载荷的模具，要考虑其等向性。•影响因素：1）模具钢材的化学成分、晶粒度、碳化物、夹杂物的组成数量、形貌、尺寸和分布情况，金相组织、微观偏析等，都会对模具钢材的韧性带来影响。•2）钢的纯净度、锻轧变形的方向会对横向性能产生很大的影响。•⒊硬度和红硬性硬度是模具钢材的主要技术性能指标，模具在工作时必须具有高的硬度和强度，才能保持其原来的形状和尺寸，一般冷作模具钢，要求其淬回火硬度为HRC60左右，而热作模具钢为HRC45~50左右。•红硬性是指模具钢材在一定温度下保持其硬度和组织稳定性抗软化的能力，是热作模具钢和部分重载荷冷作模具钢的重要性能指标。•根据不同模具的实际工作条件，分别考虑其实际要求的性能，如对热作模具钢要考虑其抗冷热疲劳性能，对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能；对于重载荷型腔模具应注意其等向性；对于高温工作的热作模具应考虑其在工作温度下的抗氧化性能；对于在腐蚀介质工作的模具，应注意其抗腐蚀性能；对在高载荷下工作的模具应考虑其抗压强度、抗拉强度和抗弯强度、疲劳强度及断裂韧度等。•综上所述•模具材料的韧性往往和耐磨性、硬度是互相矛盾的。因之根据模具的具体工作情况，选择合理的模具材料，并采用合理的精炼、热加工和热处理、表面处理工艺使模具钢材得到耐磨性和韧性等综合性能的最佳配合，以适应模具的需要，是模具钢材的重要发展的途径。•二、模具材料的工艺性能•工艺性能的重要性：在模具总的制造成本中，机械加工、热处理、表面处理、装配、管理等费用要占成本的80%以上。•模具材料的工艺性能是影响模具成本的一个重要因素，改善模具的工艺性能，不仅可以使模具生产工艺简单，易于制造，而且可以有效地降低模具制造费用。•模具材料的工艺性能，经常要考虑的有以下几种。•⒈可加工性：模具材料的可加工性包括冷加工性能，如切削、磨削、抛光、冷挤压、冷拉工艺性，热加工性能包括热塑性和热加温度范围等•⑴皮纹加工性•⑵铸造工艺性能•⑶焊接性•⑷冷变形性•⒉淬火温度和淬火变形•为了便于生产，希望模具材料的淬火温度范围要宽一些，特别是有些模具要求采用火焰加热局部淬火时，难以精确地测量和控制温度，就要求模具钢能适应较宽的淬火温度范围，模具在热处理时，要求其变形程度要小，特别是一些形状复杂的精密模具，淬硬以后难以修整，就对淬回火的变形程度要求更为严格，应该选用微变形模具钢制造。•⒊淬透性和淬硬性淬硬性主要取决于钢的碳含量，淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。•对于大部分要求高硬度的冷作模具，对淬硬性要求较高；•对于大部分热作模具和塑料模具，对于硬度的要求不太高，淬透性则高；特别是对于一些大截面深型腔模具，为了使模具的心部也能得到良好的组织和均匀的硬度，就要求选用淬透性好的模具钢。•对于形状复杂、要求精度高又容易产生热处理变形的模具，为了减少其热处理变形，往往尽可能采用冷却能力弱的淬火介质（如油冷、空冷、加压淬火或盐浴淬火），就需要采用淬透性较好的模具材料，以得到满意的淬火硬度和淬硬层深度。•⒋氧化脱碳敏感性模具在加热过程中，如果产生氧化、脱碳现象，就会改变模具的形状和性能，影响模具的硬度、耐磨性和使用寿命，招致模具早期失效。有些钼含量高的模具钢，由于容易氧化、脱碳，有一段时间限制了其推广应用，直到热处理工艺装备发展以后，采用特种热处理工艺（如真空热处理，可控气氛热处理、盐浴热处理等）以后，能够避免氧化、脱碳，这类模具钢，才顺利得到推广应用。钼基合金虽然具有极为优秀的高温性能，但是由于在高温下极易氧化，严重地限制了其应用范围。•三、模具材料的失效形式•1.热作模具的失效形式•断裂失效：出现的根本原因有二点：(1)模具的承载应力在整体范围或局部位置超过材料的高温断裂强度；(2)模具承受的瞬时冲击载荷超过材料的高温韧度指标。•堆塌失效：堆塌失效的原因是：(1)材料的低于模具的承载应力水平，塑变累积所致。(2)材料的热稳定性不能适应长时间工作的高温条件。•热疲劳失效：热疲劳失效主要由材料的高温屈服强度决定，也与材料的高温冲击韧性和热稳定性有关。即材料越难变形，韧性越高热疲劳抗力越好。•热磨损失效：对于大多数热作模具钢，提高材料的高温屈服强度、热稳定性及抗氧化能力均可提高热磨损抗力。但是，不同材料的热磨损抗力更多地与材料的组织结构，尤其是材料内部碳化物的类型有关。•热熔损失效：热熔损失效与不同温度及应力下模具材料与铸液的化学亲和力有直接关系。•2.冷作模具的失效形状•冷作模具常见的失效形式有：刃口崩裂、刃口啃掉、刃口开裂；模具整体开裂，局部断裂；刃口磨损、塌陷；模口Ｒ的磨损；拐角处出现凹槽；托卸料板的变形与开裂等。•一般脱层，掉块或各种开裂被视为早期失效，而模具变形失效被视为正常失效。•在以上几种失效形式中，冲裁模主要表现在刃口的开裂、啃掉与磨损；拉伸模最常见的报废形式是磨损，粘附与拉延筋面坎子。冷敦模和冷挤模常常是因为磨损、变形和断裂破坏而不能使用。•对于各类冷作模具尽管它们的工作状况不同，失效形式也有区别，但它们对模具的某些性能，如表面硬度、耐磨性和韧性的要求还是一致的。然而，材料的高硬度和优良韧性是一对矛盾，换句话说要提高材料的硬度一般就要损失一些韧性，所以人们在研究冷作模具堆焊材料，选择冷作模具堆焊材料或制定热处理工艺时也应针对不同类型冷作模具的不同失效形式，采取不同措施。•3.塑料模具的失效形式•由于热固性塑料模具工作过程中受热、受力、受磨损的程度相对较严重，因此失效的几率更高。•塑料模具的失效形式主要有：磨损、变形、腐蚀和开裂。例如，塑料模具的注塑孔径扩大，液料或橡木冲刷模具表面出现凹坑，压塑模断裂，凸起部位磨损等都是典型的实例。•四、模具材料的选用原则•1、符合使用要求•2、最低成本原则•五、常用模具材料简介•冷作模具钢•用于制作冲压、弯曲、拉伸等在常温下工作的模具所使用的材料成为冷作模具钢•冷作模具钢在工作时．由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，冷作模具的正常报废原因一般是磨损．也有因断裂、崩力和变形超差而提前失效。•Crl2•性能：高碳、高铬类型莱氏体钢，具有较好的淬透性和良好的耐磨性。由于钢中碳质量分数最高可达2.30%，从而钢变得硬而脆，所以冲击韧性较差，几乎不能承受较大的冲击荷载，易脆裂，而且易形成不均匀的共晶碳化物。•用途：用于制造受冲击荷载较小，且要求高耐磨性的冷冲模和冲头，剪切硬且薄的金属的冷切剪刃、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉延模和螺丝滚模等。•改进型（Cr12Mo1V1，Cr12MoV）•Cr4W2MoV•性能：新中型合金冷作模具钢，性能较稳定，与高合金冷作模具钢Crl2、Crl2MoV相比，用其制成的模具使用寿命明显提高。该钢的共晶碳化物颗粒细小，分布均匀，具有较高的淬透性和淬硬性，以及较好的耐磨性和尺寸稳定性。但钢的热加工温度范围较窄，变形抗力较大。•用途：用于制造各种冲模、冷镦模、落料模、拉延模、冷挤压凹模和搓丝板等。•6Cr4W3Mo2VNb•性能：高韧性冷作模具钢，其化学成分接近高速工具钢的基体成分，属于一种基体钢。因此，它具有高速工具钢的高硬度和高强度。又因该钢没有过剩的碳化物，所以具有较高的韧性和疲劳强度。该钢含有0.20%%26mdash;0.35%（质量分数）的铌，使晶粒细化，并提高晶粒精化温度，从而提高了钢的韧性，改善了其工艺性能。•用途：用于制造冷挤压模具、冷镦模、螺钉冲头、冷冲模、拉延模和搓丝板等。•冷作模具钢侧重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性为主。•热作模具钢对硬度要求适当，侧重于红硬性，导热性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、红硬性为主。•热作模具钢•（1）锤锻模用钢•一般说来，锤锻模用钢有两个问题比较突出一是工作时受冲击负荷作用．故对钢的力学性能要求较高，特别是对塑变抗力及韧性要求较高；二是锤锻模的截面尺寸较大（＜400mm）故对钢的淬透性要求较高，以保证整个模具组织和性能均匀。常用锤锻楼用钢有5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW、5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。不同类型的锤眼模应选用不同的材料。对特大型或大型的锤锻模以5CrNiMo为好．也可采用5CrNiTi、5CrNiW或5CrMnMoSi等。对中小型的锤锻模通常选用5CrMnMO钢。•（2）热挤压模用钢•热挤压模的工作特点是加载速度较慢，因此，模腔受热温度较高，通常可达500一800℃。对这类钢的使用性能要求应以高的高温强度(即高的回火稳定性）和高的耐热疲劳性能为主。对ak及淬透性的要求可适当放低。一般的热挤压模尺寸较小，常小于70～90mm。常用的热挤压模有4CrW2Si、3Cr2W8V及5％Cr型等热作模具钢．其化学成分如表4.16所示。其中4CrW2Si．既可做冷作模具钢，又可做热作模具钢．由于用途不同，可采用不同热处理方法。作冷模时采用较低的淬火温度（870—900℃）及低温或中温回火处理；作热模时则采用较高的淬火温度（一般为950一1000℃）及高温回火处理。•（3）压铸模用钢•从总体上看，压铸模用钢的使用性能要求与热挤压模用钢相近，即以要求高的回火稳定性与高的热疲劳抗力为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤模用钢相同．如常采用4CrW2Si．和3Cr2W8V等钢。但又有所不同如对熔点较低Zn合金压铸模．可选用40Cr、30CrMnSi及40CrMo等；对Al和Mg合金压铸模，可选用4CrW2Si、4Cr5MoSiV等对Cu合金压铸模．多采用3Cr2W8V钢。近年来．随着黑色金属压铸工艺的应用，多采用高熔点的铝合金和镍合金．或者对3Cr2W8V钢进行Cr-Al-SI三元共渗，用以制造黑色金属压铸模。最近国内外还正在试验采用高强度的铜合金作黑色金属的压铸模材料。•产品名称：4Cr5MoSiV1（H13）近似国外钢号：美国H13（AISI）日本SKD61（JIS）日本DHA1（大同）日本DAC（日立），瑞典8407（ASSAB），德国X40CrMoV5-1，1.2344（W-Nr）英国BH13（BS）。所属类别：热作模具钢钢材特性：4Cr5MoSiV1即美国钢号H13（AISI）时国际上应用广泛的空冷硬化热作模具钢，与4Cr5MoSiV相比，有更高的热强度，在中温条件下具有很好的韧性，600℃作业，热疲劳性能和一定的耐磨性。在较小的奥氏体化温度下空淬，热处理变形小，产生的氧化皮倾向小，可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。抗热裂性好，电渣中熔铜，组织致密，电炉精练钢质纯净，具较好的等向性能。主要用途：4Cr5MoSiV1（H13）广泛应用于制造热挤压模具，芯棒，模锻锤的锤模，锻造压力机模具，精锻机用模具以及铝，铜机器合金的压铸模。适合大型或形状复杂之模具。化学成分％标准：GB／T1299-2000；C：0.32／0.45；Mn：0.20／0.50；Si：0.80／1.20；Cr：4.75／5.50；P：≤0.030；S：≤0.030；Mo：1.10／1.75；V：0.80／1.20