模具材料與熱處理教學(xué)課件ppt作者吳光明第一章

1、第一節(jié)模具鋼的分類與牌號(hào)一、模具鋼的分類 模具鋼的品種很多，按模具類別的不同可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼以及其他模具鋼；按材料的類別可分為鋼鐵材料、非鐵金屬材料和非金屬材料。通常先按用途將模具鋼分為三大類，再按其合金元素與特點(diǎn)分成小類，如圖1-1所示。二、模具鋼的牌號(hào)表示方法 模具鋼主要是碳鋼和合金鋼。我國碳鋼與合金鋼的牌號(hào)表示方法是用鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及所含合金元素的種類和質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示的，其具體表示方法如下：1.碳素鋼 用作模具的碳素鋼主要有優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法為：用兩位數(shù)字表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以萬分之幾計(jì)。當(dāng)鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(0.7

2、01.20)時(shí)，在鋼號(hào)后面加“Mn”。2.合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法為：“兩位數(shù)字化學(xué)元素符號(hào)數(shù)字”。3.合金工具鋼 合金工具鋼的牌號(hào)表示方法為：“一位數(shù)字(或沒有數(shù)字)化學(xué)元素符號(hào)數(shù)字”，其合金元素含量的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，只是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的表示方法不同。第二節(jié)模具鋼的性能要求一、模具鋼的力學(xué)性能要求 各種模具鋼根據(jù)其工作條件的不同，應(yīng)該有不同的力學(xué)性能要求，以滿足某種模具完成額定工作量所具備的性能。模具工作者常根據(jù)模具工作條件及工作定額要求選用模具鋼及其最佳處理工藝，使之達(dá)到主要性能最優(yōu)，而其他性能損失最小的目的。模具鋼的力學(xué)性能要求主要分為以下幾種。1.強(qiáng)度 強(qiáng)度是表征材

3、料變形抗力和斷裂抗力的性能指標(biāo)。評(píng)價(jià)冷作模具鋼塑性變形抗力的指標(biāo)主要是常溫下的屈服強(qiáng)度Re,評(píng)價(jià)熱作模具鋼塑性變形抗力的指標(biāo)應(yīng)為高溫屈服強(qiáng)度。2.塑性和韌性 斷裂前金屬材料產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性。模具鋼塑性較差，尤其是冷作模具鋼，在很小的塑性變形時(shí)即發(fā)生脆斷。3.硬度 硬度表征了材料對(duì)變形和接觸應(yīng)力的抗力。測硬度的試樣很容易制備，車間、試驗(yàn)室又都有硬度計(jì)，因此硬度是很容易測定的一種性能。4.耐磨性 由于模具特有的工作性質(zhì)，要求工作表面要有足夠的耐磨性，從而避免模具工作面磨損。對(duì)于模具來講，耐磨性是衡量其使用壽命的重要指標(biāo)。5.耐熱性 冷作模具在強(qiáng)烈摩擦?xí)r，局部的溫升有時(shí)甚至可達(dá)400以上(

4、冷擠壓模)，而熱作模具對(duì)加熱到高溫的固體或液體材料進(jìn)行加工時(shí)，模具的溫升更高。6.耐蝕性 部分塑料模和壓鑄模在工作時(shí)受到被加工材料的腐蝕，會(huì)加劇型腔表面磨損，所以這些模具鋼應(yīng)具有相應(yīng)的耐蝕性。合金化或進(jìn)行表面處理是提高模具鋼耐蝕性的主要方法。二、模具鋼的工藝性能要求 在模具的總成本中，特別是小型精密復(fù)雜模具，模具鋼的費(fèi)用往往只占總成本的1020，有時(shí)甚至低于10，而機(jī)械加工、熱加工、表面處理、裝配和管理等費(fèi)用要占總成本的80以上。所以模具鋼的加工工藝性能就成為影響模具成本的一個(gè)重要因素，也是提高模具質(zhì)量和使用壽命的關(guān)鍵所在。1.可鍛性 鍛造在很大程度上影響模具的質(zhì)量和使用壽命，鍛造質(zhì)量的好壞直

5、接影響模具的質(zhì)量。通過合理的鍛造工藝，在得到所需形狀的模具毛坯的同時(shí)，還可以改善材料組織與性能，如可焊合氣孔、疏松、微裂等；鍛造可提高材料的致密度，改變原材料中的流線方向，使模具中的流線分布合理；鍛造還可消除碳化物的偏析，使大塊碳化物破碎并均勻分布。2.可加工性 可加工性包括切削、磨削、拋光、冷擠壓和冷拉等工藝性能。模具制品有時(shí)對(duì)表面質(zhì)量、表面粗糙度和拋光性能要求很高，這就要求鋼材的質(zhì)量更高。因此，模具鋼雜質(zhì)少、組織均勻、無纖維方向，并通過采取一些措施，改善模具鋼的工藝性能，以降低模具的制造費(fèi)用。3.熱處理工藝性能 為了使模具獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，滿足使用條件，模具都須進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝性

6、能的好壞對(duì)模具的質(zhì)量有較大影響。在模具失效的案例中，熱處理不當(dāng)造成的失效占40左右。(1)淬透性與淬硬性(2)耐回火性(3)過熱敏感性(4)淬火變形與開裂傾向性第三節(jié)模具鋼熱處理的基本常識(shí) 模具鋼的熱處理工藝是指模具鋼在加熱、冷卻過程中，根據(jù)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律確定的具體熱處理加熱、保溫和冷卻的工藝參數(shù)。根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得組織和性能的不同，熱處理工藝可分為常規(guī)熱處理和表面熱處理(表面淬火和化學(xué)熱處理等)等。模具鋼的常規(guī)熱處理主要包括退火、正火、淬火和回火。一、退火 退火一般是指將模具鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后使其緩冷至室溫，獲得接近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝，其組織為鐵素體基體上分

7、布著碳化物。退火的目的是消除鋼中的應(yīng)力，降低模具材料的硬度，使材料成分均勻，改善組織，為后續(xù)工序(機(jī)加工、冷加工成形、最終熱處理等)做準(zhǔn)備。1.完全退火 完全退火是將模具鋼加熱到臨界溫度以上，保溫足夠的時(shí)間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其目的是為了降低硬度、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力和熱加工缺陷、改善可加工性和冷塑性變形性能，為后續(xù)熱處理或冷加工做準(zhǔn)備。2.等溫退火 等溫退火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫足夠的時(shí)間，使其完成組織轉(zhuǎn)變,然后從爐中取出空冷的熱處理工藝。等溫退火的特點(diǎn)是可以縮短退火時(shí)間，最適合用于合金工具鋼和高合金工具鋼模具，有利于獲得更為均勻的組織和性能。等溫退火

8、縮短了退火時(shí)間，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。3.球化退火 球化退火是模具鋼中應(yīng)用最普遍的退火工藝，實(shí)際上是不完全退火的一種。球化退火主要應(yīng)用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼，其目的是降低硬度、改善可加工性以及獲得均勻的組織，改善熱處理工藝性能，為以后的淬火做組織準(zhǔn)備。二、正火 正火是將模具鋼加熱到臨界溫度以上的適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后在空氣中自然冷卻的一種熱處理工藝。 正火與完全退火相比，加熱溫度基本相同，但正火的冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低。正火的冷卻方式通常是將工件從爐中取出，放在空氣中自然冷卻，對(duì)于大件也可采用鼓風(fēng)或噴霧等方法冷卻。三、淬火 淬火是模具鋼或模具零件強(qiáng)化的主要手段,是將鋼加熱到臨

9、界點(diǎn)以上一定溫度，保溫一定時(shí)間，在水、鹽水或油中急劇冷卻的一種熱處理工藝。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性。淬火工藝的關(guān)鍵是要控制加熱速度、淬火溫度、保溫時(shí)間以及冷卻速度。 淬火工藝有兩個(gè)概念，應(yīng)注意區(qū)別，其一是淬硬性，即經(jīng)淬火后能達(dá)到的最高硬度，主要取決于鋼中的含碳量；其二是淬透性，即在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力，淬硬層越深，其淬透性越好。1.淬火溫度 淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的晶粒為原則，主要根據(jù)鋼的臨界點(diǎn)來確定。表1-1為常用模具鋼的相變點(diǎn)及淬火加熱溫度。另外，淬火溫度還應(yīng)考慮模具的形狀尺寸等因素。2.淬火時(shí)間 淬火加熱時(shí)間通常將工件升溫和保溫所需的時(shí)間計(jì)算在一起，而統(tǒng)稱為加熱

10、時(shí)間。影響加熱時(shí)間的因素很多，如加熱介質(zhì)、鋼的成分、爐溫、工件的形狀及尺寸、裝爐方式及裝爐量等。淬火加熱時(shí)間參見有關(guān)熱處理手冊。3.淬火介質(zhì) 淬火時(shí)的冷卻速度必須大于臨界冷卻速度。但是，冷卻速度過大又會(huì)使工件內(nèi)應(yīng)力增加，產(chǎn)生變形或開裂。 工件淬火冷卻時(shí)要使其得到合理的淬火冷卻速度，必須選擇適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)。淬火介質(zhì)的種類很多，常用的有水、NaCl(5%10%)水溶液、NaOH(10%50%)水溶液以及各種礦物油等。模具淬火可以在水、油或空氣中進(jìn)行。四、回火 回火是淬火工藝的后續(xù)工序，是將淬火后的鋼加熱到臨界溫度以下的某一溫度(根據(jù)回火后的組織和性能要求而定)，充分保溫后，以適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行冷卻的熱

11、處理工藝。 回火是緊接淬火的一道熱處理工藝，大多數(shù)淬火模具鋼都要進(jìn)行回火。回火的目的是穩(wěn)定組織和尺寸，降低脆性，消除內(nèi)應(yīng)力；調(diào)整硬度，提高韌性，獲得優(yōu)良的力學(xué)性能和使用性能，以滿足不同模具的性能要求。 決定模具回火后的組織和性能最重要的因素是回火溫度。回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。1.低溫回火 低溫回火的加熱溫度在150250范圍內(nèi)，其目的是降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性并保持高硬度，用于處理要求硬度高、耐磨性好的零件，如各種刀具、量具、模具及滾動(dòng)軸承等。為提高精密零件與量具尺寸的穩(wěn)定性，可在100150以下進(jìn)行長時(shí)間(可達(dá)數(shù)十小時(shí))的低溫回火，這種處理方法被稱為時(shí)效處理或尺寸穩(wěn)定化處理。2.

12、中溫回火 中溫回火的加熱溫度在350500范圍內(nèi)，通過中溫回火可顯著減小淬火應(yīng)力，提高淬火件的彈性和強(qiáng)度。中溫回火一般用于處理各種彈簧、發(fā)條及鍛模等。3.高溫回火 高溫回火的加熱溫度在500650范圍內(nèi)，通過高溫回火可以消除淬火應(yīng)力，使零件獲得優(yōu)良的綜合性能。一般把淬火后再進(jìn)行高溫回火的熱處理稱為調(diào)質(zhì)，它廣泛用于處理各種重要且受力復(fù)雜的中碳鋼零件，如曲軸、絲杠、齒輪及軸等，也可作為某些精密零件如量具和模具等的預(yù)備熱處理。五、表面淬火處理 表面淬火是利用快速加熱的方法將工件表面迅速升溫至淬火溫度，待熱量傳至心部之前立即給予冷卻，使得表面得以淬硬，以獲得高硬度和耐磨性，而心部仍保持原來的組織結(jié)構(gòu)，

13、具有良好的塑性和韌性。這種熱處理工藝適用于要求外硬內(nèi)韌的機(jī)械零件，如凸輪、齒輪、曲軸和花鍵軸等。零件表面淬火前需進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，表面淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火。六、真空熱處理 在熱處理時(shí)，被處理模具零件表面發(fā)生氧化、脫碳和增碳等效應(yīng)，都會(huì)給模具使用壽命帶來嚴(yán)重的影響。為了防止氧化、脫碳和增碳，可利用真空作為理想的加熱介質(zhì)，制成真空熱處理爐。零件在真空爐中加熱后，將中性氣體通入爐內(nèi)的冷卻室，在爐內(nèi)利用氣體進(jìn)行淬火的為氣冷真空處理爐，利用油進(jìn)行淬火的為油冷真空處理爐。1.真空熱處理的特點(diǎn)1)因?yàn)樵谡婵罩屑訜岷屠鋮s，氧的分壓很低，零件表面氧化作用得到抑制，從而可得到光亮的處理表面。2)在大氣中熔煉的金

14、屬和合金，由于吸氣而使韌性下降，強(qiáng)度降低，在真空熱處理時(shí)，可使吸收的氣體釋放，從而增加了強(qiáng)度和韌性，提高了模具的使用壽命。3)真空熱處理淬火變形小。如W6Mo5Cr4V2鋼凸模真空熱處理后，在氮?dú)庵欣鋮s，變形實(shí)測結(jié)果表明，只要留0.08mm的磨削余量即可；冷作模具鋼制成的凹模，真空熱處理的變形量為鹽浴淬火變形量的1/51/3。4)由于在密封條件下處理，有無公害和保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。5)真空中的傳熱只是發(fā)熱體的輻射，并非以對(duì)流、傳導(dǎo)來傳熱，因此零件背面部分的加熱有時(shí)會(huì)不均勻。2.真空熱處理設(shè)備 真空熱處理技術(shù)的關(guān)鍵是采用合適的設(shè)備(真空退火爐、真空淬火爐、真空回火爐)。真空加熱最早采用真空輻射加熱，后來逐步發(fā)展為負(fù)壓載氣加熱和低溫階段正壓對(duì)流加熱等。七、化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將鋼件放在某種