常用模具材料及熱處理

關于常用模具材料及熱處理第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三§1常用模具材料模具材料主要是滿足特定要求的鋼材。也有一些其它類型的材料。鋼：炭鋼（普通碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼、碳素工具鋼）合金鋼（合金結構鋼、合金工具鋼、不銹鋼）第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三牌號普通碳素結構鋼的牌號用其屈服強度表示，即“Q×××”。如Q235（相當于舊牌號A3）。優(yōu)質碳素結構鋼的牌號用其平均含碳量的萬分率表示，如20鋼、45鋼、40鋼等。碳素工具鋼的牌號用其平均含碳量的千分率表示，如T8、T10(A)。

第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三合金鋼的編號原則

“數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字”。最前面的數(shù)字表示平均含碳量：結構鋼用萬分率，兩位數(shù)字；工具鋼用千分率，一位數(shù)字。含碳量很高時不表示。合金元素符號后的數(shù)字表示平均百分含量，小于1.5％時可不標出。合金元素含量1.5％-2.5％標為“2”，>2.5％-3.5％標“3”，以此類推。第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三一.常用模具材料

可用于制造模具的材料種類繁多，包括各種碳素工具鋼、合金鋼、硬質合金、鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料等。①.碳素合金工具鋼含碳量：0.7％-1.4％主要牌號：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。特點：價格便宜、切削性能好。淬火后有較高硬度和耐磨性，淬透性低，淬火時必須急冷，變形開裂傾向大、回火穩(wěn)定性差，紅硬性低（<250°C）適用范圍：尺寸小、形狀簡單、負荷小、冷作模具。

第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三②合金工具鋼

⑴低合金工具鋼：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMO含合金量：總量為1％-3％特點：淬透性和淬硬性均較好。耐磨性，紅硬性較高。回火穩(wěn)定性好，熱處理變形小?！rWMn鋼：（各種中小型冷作模具）鎢形成的碳化物硬度很高，鎢能細化晶粒，提高韌性。淬火后殘留奧氏體較多，故變形小。

第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三·9Mn2V鋼：（沖裁模、彎曲模）

釩（V）的加入能顯著細化晶粒和提高韌性。錳的含量一般控制在<2％?！?SiCr鋼：（搓絲板、滾絲模）250°C回火時有回火脆性。較高的淬硬性和較好的回火穩(wěn)定性。淬透性優(yōu)于9Mn2V。第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三·GCr15鋼：常用的軸承鋼，具有較高的淬透性和耐磨性。鉻的加入有利于提高淬透性、細化碳化物并使其分布均勻。5CrMnMO

鋼：（彎曲熱態(tài)模、切邊模）5CrNiMo中碳低合金鋼，典型熱作模具鋼。強度高，韌性好。淬透性好，抗回火性好，導熱性和耐熱疲勞性好，耐磨性好。第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三⑵高合金工具鋼：

·Cr12型鋼：包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金鋼、工具鋼、萊氏體鋼淬透性高、淬火硬度極高、熱變形小。Cr12鋼的含碳量較Cr12MoV高，碳化物多但分布不均勻性嚴重。Cr12鋼的強度和韌性比Cr12MoV低。第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三D2鋼是近年用來替代Cr12MoV鋼的新鋼種。

D2鋼的碳化物數(shù)量增多顆粒較細。CCrWV3Cr2W8V

0.3-0.4％

2.2-2.7％

7.5-9％

0.2-0.5％

H13

0.38％C

1.0％Si

5.3％Cr

1.3％Mo

0.9％

第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三·3Cr2W8V鋼和H13鋼（4Cr5MoV1Si）、H11鋼（4Cr5MoVSi）鎢系低碳高合金鋼。

H13鋼除強度略低于3Cr2W8V鋼外，其它力學性能均優(yōu)于3Cr2W8V鋼，是其替代鋼種。較好的氮化性能。較小的熱膨脹系數(shù)，較好的耐磨性和紅硬性，良好的導熱性。熱處理變形小、但高溫韌性差。

第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三·3Cr3MoW2V鋼：代號HM1

適合于急冷急熱條件下工作。

·5Cr4W5Mo2V鋼：代號RM2·4Cr3Mo3W4VNb鋼：代號GR高溫性能良好，熱作模具鋼。第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三·8Cr2MnWMoVS鋼：

適用于精密塑料模?？绽湮⒆冃?，易切削。調質狀態(tài)硬度HRC40-50。調質后切削即可直接適用，不存在熱處理變形?！?CrSiMnMoV鋼：高強度和韌性好，焊接性能好。適合于制造結構形狀復雜的模具零件。

第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三⑶高速鋼

鎢系高速鋼（W18Cr4V）鉬系高速鋼（W6Mo5Cr4V2鋼）在高溫（600°C）下仍保持高強度、高硬度、高耐磨性和好的韌性。鋼中含碳量為0.7-0.9％，合金元素含量超過15％，屬萊氏體鋼。

高淬透性，空冷即可淬硬。

第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三高速鋼含有大量粗大碳化物，且分布不均勻，不能用熱處理方法消除之。必須反復十字鐓拔以打碎粗大碳化物，并使其分布均勻。

需經(jīng)多次回火，從而使大量殘余奧氏體大部分轉為馬氏體，并使馬氏體析出彌散碳化物。（300°C左右為回火脆性區(qū)）

第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三⑷硬質合金和鋼結硬質合金

①

硬質合金以難熔的金屬碳化物（WC、TiC等）作硬質相，以鐵族金屬（Co或Ni）為粘結相，用粉末冶金方法生產(chǎn)的一種多相組合材料。鎢鈷（YG）：強度、韌性較高，多用于制造模具。鎢鈷鈦（YT）：較高的紅硬性和抗氧性。萬能硬質合金（YW）：高強度、高硬度。（成分、性能可見P244表4-2）

第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三②鋼結硬質合金

以合金鋼為基本，金屬碳化物（TiCiWC）作硬質相，用粉末冶金方法生產(chǎn)的一種新型模具材料。它是在具有一定強度和硬度的合金鋼基體上，彌散分布許多細小硬質顆粒。特點：ⅰ.具有鋼的可鍛性、可機加工性、可熱處理等性能，熱處理變形極小。ⅱ.淬火后具有硬質合金的硬度和剛性。第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三兩大類:ⅰ.碳化鈦（TiC）作硬質相；ⅱ.碳化鎢（WC）作硬質相。許多性能因基體（粘結劑）種類不同而不同可作硬質合金基體的有鉻鉬鋼、不銹鋼、高速鋼等。（性能和一般化學成分見P245表A-3和表A-4）

第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三二.模具鋼材的選用

模具鋼材的選用及其鍛造或熱處理是模具制造技術中的關鍵之一。對提高模具質量和延長模具壽命有很大的影響。選用模具材料時，需要綜合考慮模具的工作條件、性能要求、形狀和尺寸、結構特點等。對模具材料的性能要求有時會遇到矛盾，則需適當取舍、協(xié)調平衡解決。

第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.模具材料的一般要求

包括力學性能、高溫性能、表面性能、工藝性能、經(jīng)濟性等。力學性能：硬度、強度、韌性高溫性能：高溫強度、抗氧化性、耐熱疲勞性、回火穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小表面性能：耐磨性、耐蝕性

工藝性能：切削加工性、電加工性、拋光性、可鍛性、淬透性、熱處理性能、可焊性經(jīng)濟性：資源條件、市場供應情況、價格

第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三各種模具工作條件不同，對材料性能要求也就各有差異。如：

冷沖壓模：高強度、高硬度。冷擠壓模：高強度（抗壓、斷裂、疲勞強度）、高韌性、高硬度。熱鍛模：高溫強度、硬度、耐蝕性、高溫回火穩(wěn)定性、抗高溫氧化性、耐熱疲勞性、熱膨脹系數(shù)小、導熱性高。

第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三塑料模：較高的強度和硬度、較高的耐蝕性、良好的電加工性、良好的拋光性、較高的導熱性、可焊性、切削加工性。

橡膠模：耐蝕性、耐熱性、可拋光性、一定強度和硬度。陶瓷模：高硬度、耐熱性、可拋光性、一定強度和韌性。玻璃模：耐熱性、耐蝕性、耐磨性、導熱性、一定強度和韌性。

第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三表A-6常用模具鋼的性能特點及用途鋼材性能特點用途10、20易擠壓成形，滲碳及淬火后耐磨性稍高、熱處理變形大、淬透性低工作載荷不大、形狀簡單的冷擠模、陶瓷模45耐磨性差、韌性差、熱處理過熱傾向小、淬透性低、耐高溫性能差工作載荷不大，形狀簡單的型腔模、沖孔模、橡膠模及鋅合金壓鑄模等T10A、T12A耐磨性差、熱處理變形大，淬透性低工作載荷不大、形狀簡單的冷沖模、成形模T7A、T8A耐磨性稍好、熱處理變形大、淬透性低工作載荷不大、形狀簡單的冷沖模、成形模第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三表A-6常用模具鋼的性能特點及用途（續(xù)）40Cr耐磨性差、韌性高、熱處理變形稍小、淬透性稍高、耐高溫性能差用于鋅合金壓鑄模9Mn2V、GCr15耐磨性較好、熱處理變形小、淬透性稍高工作載荷稍大、形狀簡單的冷沖模、膠木模CrWMn耐磨性好、熱處理變形小淬透性較高工作載荷較大、形狀較復雜的冷場模、成形模9CrSi耐磨性好、熱處理變形小淬透性較高用于沖頭、滾絲模60Si2A韌性好、熱處理變形較小、淬透性高用于標準件上的冷鐓模第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三表A-6常用模具鋼的性能特點及用途（續(xù)）Cr12耐磨性好、韌性差、熱處理變形小、淬透性高、碳化物偏析嚴重工作載荷大、形狀復雜的高精度冷沖模Cr12MoV耐磨性好、熱處理變形小、淬透性高、碳化物偏析比Cr12小工作載荷大、形狀復雜的高精度冷沖模、冷擠模以及冷鐓模5CrMnMo、5CrNiMo韌性較高、熱處理變形較小、淬透性較好、回火穩(wěn)定性較高熱態(tài)下工作的熱鍛模、熱切邊模3Cr2W8V紅硬性高、熱處理變形小、淬透性好熱態(tài)下工作的熱擠模、熱沖模、壓鑄模W18Cr4V、W6MoCr4V紅硬性高、熱處理變形小、淬透性好工作載荷大的沖頭、冷擠模及熱態(tài)下工作的熱沖模第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.模具材料的一般選用原則

模具材料，主要是成型零件和工藝零件的選材，一般在某些方面的性能，要求較高甚至很高。這方面的選材對模具質量、壽命、加工制造及成本都有很大的影響。

第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三一般原則：

①滿足使用性能要求。主要從工作條件、模具結構、產(chǎn)品形狀和尺寸、生產(chǎn)批量等綜合考慮。形狀復雜、精度高――變形小、導熱性好、膨脹系數(shù)小大負荷――高強度摩擦、磨損――高硬度沖擊負荷――高韌性表面光潔――可拋光性

第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三②良好的制造工藝性能。容易制造、容易精修、便于修改。

一般都要求有良好的切削加工性、熱處理特性。尺寸性、形狀復雜的――較小的淬火變形傾向含有細小結構的――電加工性精度高的――熱處理變形小、易磨削制品生產(chǎn)工藝條件復雜的――易磨削、可焊接。

第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三③經(jīng)濟性（制造成本）：

盡量考慮到價格便宜、資源豐富、供應方便。第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4.塑料模的材料選用

在我國，塑料模具用鋼至今還未形成專用鋼材系列，通常采用一般工具鋼。如T10A、CrWMn、Cr12MoV鋼等。這些鋼切削加工性較差，難以制造型腔復雜的塑料模具，而且一旦熱處理變形超差則難以修復。為了適應塑料模日益發(fā)展的需要。常參考國外塑料模具用鋼并結合我國的具體條件進行選用。

第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三塑料模的鋼材選用原則是

①

足夠的強度和硬度；②

良好的切削加工性；③

良好的拋光性；④

良好的電加工性；⑤

良好的耐腐蝕性；⑥

良好的淬透性；⑦

良好的照相腐蝕加工性；⑧

良好的焊接性能；⑨

熱處理變形小、熱膨脹系數(shù)?。虎獗砻鏌崽幚硇阅芎?。

第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三如：

形狀簡單――選用45、40Cr、T10A、低熔點合金、鋅基合金。形狀復雜――選用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）鋅基合金、鈹銅合金等。精度高、壽命長、表面粗糙度很低――可選用進口鋼材：＜美＞P6、P20、PPT；＜日＞HPM1、YAG；＜瑞＞S136(H)第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三§2模具熱處理

熱處理的目的：有目的地改變鋼材的內(nèi)部組織結構，從而使機械性能、力學性能、加工性能等達到特定的要求。熱處理三階段：①

加熱：以一定加熱速度使工件達到特定溫度；②

保溫：使工件內(nèi)外溫度均勻；③冷卻：工件置于適當?shù)睦鋮s劑中，以一定冷卻速度降到特定溫度。

第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三常用工藝方法：｛退火、正火、淬火、回火｝

①

退火：將工件加熱到臨界點以上某一溫度然后保溫一段時間，再隨爐極緩慢冷卻；作用：可以得到穩(wěn)定的結構，清除鍛造應力和加工硬化，為最終熱處理做好組織準備（組織均勻）。退火＝｛完全退火（再結晶退火）、球化退火、擴散退火、消應力退火、低溫退火｝

第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三②正火：

加熱至Ac3或Accm以上30-50°C,然后在空氣中冷卻。作用：可消除冷作、鍛造或急冷時產(chǎn)生的內(nèi)應力。對含C低于0.45％的碳鋼，可用正火代替退火。

第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三退火、正火工序的溫度區(qū)域：第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三③淬火：加熱至淬火溫度以上某一溫度后保溫一段時間，然后將工件置入冷卻介質（水、油、鹽液）中，以極快的速度進行冷卻而獲得馬氏體組織?！だ鋮s速度大于臨界速度。

淬火易出現(xiàn)：·產(chǎn)生組織應力和熱應力·淬裂或變形·體積增大且在各方向上不均勻淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力學性能。

第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三④回火：

加熱至A1以下某一溫度保溫一段時間，然后進行冷卻。作用：消淬火應力，改變淬火組織，適當改善強度和韌性。｛滲碳體（Fe3C）、碳溶解于α鐵中形成固溶體叫奧氏體（用A表示）、碳溶解于α鐵中形成鐵素體｝

第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三§3模具表面強化處理

物理表面處理法：高頻淬火、火焰淬火、激光熱處理、加工硬化化學表面處理法：滲碳、滲氮、低溫氮碳共滲、滲硫、滲金屬、碳化物鹽浴涂覆覆層表面處理法：電鍍、化學氣相沉積、真空鍍膜、離子噴鍍、噴鍍、熱噴涂、表面合金化改變表層的成分、組織、性能，與適宜的心部性能相配合，提高硬度、耐蝕、耐熱、抗咬合、低摩擦系數(shù)等特殊性能。

第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三二.模具表面強化處理工藝特點及應用

（一）模具滲氮1.滲氮處理的特點模具滲氮后的性能特點①表面硬度高②具有較高的紅硬性③顯著提高疲勞強度④提高模具耐蝕性⑤滲氮處理溫度低，模具氮化后變形極?、藿档土四＞弑砻娲植诙?，提高了抗咬合能力

第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.模具的滲氮方法有氣體滲氮、氣體低溫氮碳共滲和離子滲氮.

⑴氣體滲氮①基本原理氣體滲氮與滲碳相似，由3個基本過程組成：活性原子的產(chǎn)生，零件表面對活性原子的吸收，活性原子自模具表面向內(nèi)部擴散。②工藝參數(shù)滲氮的主要工藝參數(shù)是滲氮溫度、滲氮時間和氨分解率。

第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三⑵氣體低溫氮碳共滲

①常用方法：a.尿素氣體低溫氮碳共滲b.有機液體滴注式氣體低溫氮碳共滲c.氨加熱式氣體低溫氮碳共滲②氣體低溫氮碳共滲工藝在氮碳共滲前應對模具進行脫脂、除銹、清洗、防滲表面的保護等預處理工作。⑶離子滲氮

第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（二）模具滲硼、滲鉻

1.滲硼滲硼方法有固體滲硼、氣體滲硼、鹽浴滲硼。國內(nèi)應用較多的是鹽浴滲硼和固體滲硼。滲硼前后的熱處理：模具滲硼前應進行精加工和消除應力處理，以避免滲層不均和滲后變形，并要對模具表面進行清洗。對于模具心部要求不高的，滲硼后空冷即可