常用模具材料及熱處理

1、第二章 常用模具材料及熱處理,1 常用模具材料 2 模具熱處理 3 模具表面強化處理,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(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼） 合金鋼（合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、不銹鋼）,牌號,普通碳素結(jié)構(gòu)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(zhì)碳素結(jié)構(gòu)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)。,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(jié)構(gòu)鋼用萬分率，兩位數(shù)字；工具

2、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。,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(zhì)合金、鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料等。 .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（250C） 適用范圍：尺寸小、形狀簡單、負荷小、冷作模具。,合金工具鋼,

3、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?；鼗鸱€(wěn)定性好，熱處理變形小。 CrWMn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。,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。 9SiCr鋼：（搓絲板、滾絲模） 250C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。,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

4、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(dǎo)熱性和耐熱疲勞性好，耐磨性好。,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。,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。,3Cr2W8V鋼和H13鋼（4Cr5MoV1Si）、H11鋼（4Cr5Mo

5、VSi）鎢系低碳高合金鋼。,H13鋼除強度略低于3Cr2W8V鋼外，其它力學(xué)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(dǎo)熱性。熱處理變形小、但高溫韌性差。,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。,8Cr2MnWMoVS鋼：,適用于精密塑料模?？绽湮⒆冃?，易切削。調(diào)質(zhì)狀態(tài)硬度HRC40-50。調(diào)質(zhì)后切削即可直接適用，不存在熱處理變形。 7CrSiMnMoV鋼： 高強度和韌性好，焊接性能好。適合于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的

6、模具零件。,高速鋼,鎢系高速鋼（W18Cr4V） 鉬系高速鋼（W6Mo5Cr4V2鋼） 在高溫（600C）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。,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(fù)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(zhuǎn)為馬氏體，并使馬氏體析出彌散碳化物。（300C左右為回火脆性區(qū)）,硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金, 硬質(zhì)合金 以難熔的金屬碳化物（WC、TiC等）作硬質(zhì)相，以鐵族金屬（Co或Ni）為粘結(jié)相，用粉末冶金方法生產(chǎn)

7、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(zhì)合金（YW）：高強度、高硬度。 （成分、性能可見P244表4-2）,鋼結(jié)硬質(zhì)合金,以合金鋼為基本，金屬碳化物（TiCiWC）作硬質(zhì)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(zhì)顆粒。 特點： .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。 .淬火后具有硬質(zhì)合金的硬度和剛性。,兩大類 :,.碳化鈦（TiC）作硬質(zhì)相； .碳化鎢（WC）作硬質(zhì)相。 許多性能因基體（粘結(jié)劑）種類不同而不同可作硬質(zhì)合金基體的有鉻鉬鋼

8、、不銹鋼、高速鋼等。 （性能和一般化學(xué)成分見P245表A-3和表A-4）,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(shù)中的關(guān)鍵之一。對提高模具質(zhì)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(jié)構(gòu)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(diào)平衡解決。,1.模具材料的一般要求,包括力學(xué)性能、高溫性能、表面性能、工藝性能、經(jīng)濟性等。 力學(xué)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

9、處理性能、可焊性 經(jīng)濟性：資源條件、市場供應(yīng)情況、價格,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(dǎo)熱性高。,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(dǎo)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(dǎo)熱性、一定強度和韌性。,表A-6 常用模具鋼的性能特點及

10、用途,表A-6 常用模具鋼的性能特點及用途（續(xù)）,表A-6 常用模具鋼的性能特點及用途（續(xù)）,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(zhì)量、壽命、加工制造及成本都有很大的影響。,一般原則：,滿足使用性能要求。主要從工作條件、模具結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形狀和尺寸、生產(chǎn)批量等綜合考慮。 形狀復(fù)雜、精度高變形小、導(dǎo)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,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(fù)雜的較小的淬火變形

11、傾向 含有細小結(jié)構(gòu)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(fù)雜的易磨削、可焊接。,經(jīng)濟性（制造成本）：,盡量考慮到價格便宜、資源豐富、供應(yīng)方便。,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(fù)雜的塑料模具，而且一旦熱處理變形超差則難以修復(fù)。 為了適應(yīng)塑料模日益發(fā)展的需要。常參考國外塑料模具用鋼并結(jié)合我國的具體條件進行選用。,塑料模的鋼材選用原則是, 足夠的強度和硬度； 良好的切削加工性； 良好的拋光性； 良好的電加工性； 良好的耐腐蝕性； 良好的淬透性；

12、良好的照相腐蝕加工性； 良好的焊接性能； 熱處理變形小、熱膨脹系數(shù)?。?表面熱處理性能好。,如：,形狀簡單選用45、40Cr、T10A、低熔點合金、鋅基合金。 形狀復(fù)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),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(jié)構(gòu)，從而使機械性能、力學(xué)性能、加工性能等達到特定的要求。 熱處理三階段： 加熱：以一定加熱速度使工件達到特定溫度； 保溫：使工件內(nèi)外溫度均勻； 冷卻：工件置于適當?shù)睦鋮s

13、劑中，以一定冷卻速度降到特定溫度。,常用工藝方法：退火、正火、淬火、回火, 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(jié)構(gòu)，清除鍛造應(yīng)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(jié)晶退火）、球化退火、擴散退火、消應(yīng)力退火、低溫退火,正火：,加熱至Ac3或Accm以上30-50C,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(yīng)力。對含C低于0.45的碳鋼，可用正火代替退火。,退火、正火工序的溫度區(qū)域：,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(zhì)（水、油、鹽液）中，以極快的速度

14、進行冷卻而獲得馬氏體組織。 冷卻速度大于臨界速度。 淬火易出現(xiàn)： 產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)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(xué)性能。,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(yīng)力，改變淬火組織，適當改善強度和韌性。 滲碳體（Fe3C）、碳溶解于鐵中形成固溶體叫奧氏體（用A表示）、碳溶解于鐵中形成鐵素體,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(xué)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(xué)氣相沉積、真空鍍膜、離子噴鍍、噴鍍、熱噴涂、表面合

15、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。,二.模具表面強化處理工藝特點及應(yīng)用,（一）模具滲氮 1.滲氮處理的特點 模具滲氮后的性能特點 表面硬度高 具有較高的紅硬性 顯著提高疲勞強度 提高模具耐蝕性 滲氮處理溫度低，模具氮化后變形極小 降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力,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.,氣體滲氮 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。 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。

16、,氣體低溫氮碳共滲,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 氣體低溫氮碳共滲工藝 在氮碳共滲前應(yīng)對模具進行脫脂、除銹、清洗、防滲表面的保護等預(yù)處理工作。 離子滲氮,（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(yīng)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(yīng)進行精加工和消除應(yīng)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，對要求內(nèi)部有足夠強度的，滲硼后要進行淬火，回火處理。,2.滲鉻,滲鉻的方法很多，分為固體、液體和氣體滲鉻，常用的

17、有粉末滲鉻和真空密封滲鉻。 模具滲鉻的應(yīng)用： 滲鉻對在熱態(tài)工作或承受強烈磨損的模具有顯著效果，適用于錘鍛模、壓鍛模、塑料模、拉深模等冷熱作模具。,（三）鹽浴涂覆,（四）模具表面覆層處理 1.氣相沉積碳化鈦 根據(jù)化學(xué)沉積原理進行表面覆層的方法，稱為化學(xué)氣相沉積法，簡稱CVD。 該工藝適用于各種拉深模、冷擠模、沖裁模的沖頭和凹模，以及粉末冶金模和陶瓷模等。Cr12鋼制拉深模經(jīng)氣相沉積TiC后，使用壽命可提高8-30倍。,（五）復(fù)合熱處理,該法是將傳統(tǒng)的熱處理方法加以合理組合，發(fā)揮各自特點，以獲得優(yōu)于單一熱處理效果的一種極有發(fā)展前途的工藝方法。,一般組合的原則：,先行處理的一般是先給予工件一定性能，或為一定性能打下基礎(chǔ)；后繼處理的則常對先行處理效果給以補充和提高，或者是給予新的性能。 后繼處理的溫度不應(yīng)使先行處理所得到的組織與性能發(fā)生變化，至少不改變心部組織及性能。 后繼處理不應(yīng)引起過量變