模具选材及热处理(工艺).ppt

第八章 模具材料及热处理,第一节 模具材料概述,一、 模具的分类 根据模具的工作条件，可将模具分为以下三大类： 1. 冷作模具：包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉 深模、拉丝模、滚丝模、剪切模等。 2. 热作模具：包括热锻压模（热锻模、高速锤锻模、 精密锻造模）、热挤压模、热冲裁模、压铸模等。 3. 成形模具：包括塑料模、橡胶模、陶瓷模、玻璃 模、粉末冶金模具等。,汽车模具系列,保险杠注射模,轮毂压铸模,轮胎橡胶模,密封圈挤出模,大型覆盖件模,反光镜玻璃模,绝缘陶瓷模,举例:,二、 模具失效的概念 1. 模具的服役：模具经安装、调试后，正常生产合格产品的过程称为模具的服役。 2. 模具的损伤：模具在使用过程中，虽然出现尺寸变化（变形、磨损等）、微裂纹等缺陷，但没有丧失服役能力的状态。称为有病状态，要及时维修。 3. 模具的失效：模具损坏到不可修复，且不能生产出合格产品的状态；模具的失效按照发生时间的早晚可分为正常失效和早期失效。,三、 常见的失效形式 塑性断裂 1.断裂失效 脆性断裂 疲劳断裂 过量弹性变形 2.过量变形失效 过量塑性变形（局部塌陷、局部镦粗、型腔胀大） 蠕变(金属在高温环境下，即使所受的力小于屈服点，也 会随时间的增长发生缓慢的永久变形的现象）超限 表面磨损（粘着、磨粒、氧化、疲劳磨损等） 3. 表面损伤 表面腐蚀（冲蚀、浸蚀、熔蚀等） 4. 疲劳及热疲劳失效疲劳裂纹,四、模具材料,五、 模具材料的性能要求 模具的工作条件复杂，工作温度高低不一，失效形式多样，对各类模具性能要求不同。模具的服役条件比较恶劣，一般承受高压、冲击、振动、摩擦、弯扭、拉伸等载荷；工作温度有的很高；精度要求很高；磨损、变形、疲劳、断裂时有发生。模具材料的性能相对一般零件为高，一般从使用性能和工艺性能二大方面考虑。 （一）使用性能要求 1. 硬度和热硬性 成形模具应具有足够高的硬度，才能确保使用寿命。 冷作模具一般要求硬度在60HRC以上；热作模具一般在40,52HRC范围内，塑料模具通常在4560HRC内考虑。 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标，是指材料抵 抗局部变形，特别是塑形变形、压痕或划痕的能力。它是强度、 塑性、韧性、耐磨性等指标的综合反映，因此在零件图上常常 标注硬度值，作为技术要求。 热硬性是指模具在受热或高温条件下保持高硬度的能 力；如热作模具和部分冷作模具要求具有一定的热硬性。 材料的硬度和热硬性主要取决于材料的成分、热处理工 艺及表面处理工艺。,(1)布氏硬度HB,适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。,适用范围:,450HBS;,650HBW;,(2)洛氏硬度,定义：每0.002mm相当于洛氏1度。 洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 HRB 轻金属，未淬火钢 HRC 较硬，淬硬钢制品 HRA 硬、薄试件,10HRCHBS,(3)维氏硬度,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,图8-1 硬度对三种冷作模具钢抗压屈服强度的影响 1-W6Mo5Cr4V2钢; 2-Cr12MoV钢; 3-Cr5Mo1V钢,2. 耐磨性材料抵抗磨损的能力，它是衡量模具使用寿命的重要指标。 磨损形式不同，影响耐磨性的因素也不同，主要因素是硬度和组织。 如：冲击载荷较小时，耐磨性和硬度成正比关系； 钢的组织中，马氏体和下贝氏体耐磨性较好； 钢中碳化物的性质、数量、形态、分布对钢的耐磨性有显著的影响。,图8-2所示为用不同钢种制作的标准冲孔模对冷轧硅钢片进行 冲孔的试验结果，可反映各钢种的耐磨水平；试验以Cr12MoV 钢为基准（ =1.0）。图8-3所示是标准模具进行耐磨性试验 的结果，较好地反映了工模具钢在磨粒磨损条件下的耐磨性。,图8-2 五种模具钢模拟冲裁试验其耐磨性,图8-3 工模具钢的磨粒磨损抗力 1-高碳高钒高速钢;2-高碳高钒钢; 3-低合金模具钢及碳素工具钢,3. 强度和韧性 强度材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力，是衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标； 如：冷作模具:变形抗力屈服强度，断裂抗力抗拉强度、抗弯强度等； 热作模具:变形抗力高温屈服强度，断裂抗力抗拉强度、断裂韧性等； 韧性在冲击载荷下抵抗产生裂纹的特性，反映了材料的脆断抗力，常用冲击韧性（K）表示。 材料的强度和韧性主要取决于材料的成分、冶金质量、热处理工艺，碳化物的性质、数量、形态、分布对其也有显著的影响。,圆形截面的拉伸试样,4. 疲劳抗力-反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳破 坏的性能指标。 热作模具常常是在急冷急热的条件下工作，必定发生不同 程度的冷热疲劳现象，出现龟裂，因此希望有高的冷热疲劳抗 力，以免早期失效。,Titanic沉没原因,Titanic 含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,（二）工艺性能要求 1. 热加工工艺性能 包括锻轧、铸造、焊接等性能。根据模具的不同制造工 艺，可提出不同的加工性能要求，这些性能要求受到模具材料 的化学成分、冶金质量、组织状态等因素的影响。 2. 冷加工工艺性能 包括切削、抛光、研磨、冷挤压和冷拉等性能。模具制品 有时要求很高的表面质量、低的表面粗糙度及高的精度，所以 对切削性能和抛光性能均有较高要求。,3. 热处理工艺性能 实际上它是一种热加工工艺性能，在模具失效事故中，热 处理所造成的因素占总失效的52%左右，热处理工艺性能的好 坏对模具质量有较大影响。它要求热处理变形小、淬火温度范 围宽、过热敏感性小，脱碳敏感性低、淬火开裂倾向低等，特 别要求要有足够的淬硬性和淬透性。,六、模具选材的一般原则 模具的选材和其他零件选材一样，都要符合选材的一般原则，它要求所选材料应满足： （一）使用性能足够 根据工作条件、失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求，提出时要考虑尺寸效应及主要的、关键的性能指标，使所选材料足够满足性能要求。 (二）工艺性能良好 根据制造工艺方法不同使所选材料具有良好的工艺性能，首,先是能制造出来，在批量大时，对便于制造显得更为突出。 （三）供应上能保证 所选材料应考虑我国资源和现实供应情况，尽量少用进口 材料，并且品种规格应尽量少而集中，以便于采购管理。 （四）经济性合理 要求所选材料生产过程简单、成品率高、成本低，在满足 性能、寿命等要求下，尽可能选用价格低的材料，以降低成本。,七、模具选材的具体考虑因素 在模具实际的设计与制造中，具体选材时，应综合分析， 考虑以下多方面因素。 （一)模具的工作条件因素 1. 承载受力的大小、速度（冲击状况） 受力大，材料要求强度高；冲击大，则韧性要求好。 2. 工作温度 冷作、塑料、热作三类模具因为工作温度有很大区别，所 以材料的抗热性能要求有很大不同。,3. 腐蚀情况 腐蚀严重时要考虑不锈钢类的材料，例如加工易产生腐蚀 性体气的塑料件时，可采用不锈钢类型的模具材料. （二）模具的失效因素 根据模具的失效分析，找出失效原因，提出解决问题的主 要性能指标，有针对性的进行选材。 （三）模具所加工的产品因素 1. 产品批量的大小 批量大时采用材质高、性能好的材料制模具；批量小时， 可用性能较差、寿命较短、加工简便的材料制模具。,2. 产品质量的高低 精度要求高、表面粗糙度值要求低、则所选材料要从成分、 材质上保证模具制造时有较好切削、抛光等性能，制成模具后 有好的尺寸形状的稳定性或高的精度与低的表面粗糙度值。 3. 产品的材质 所加工产品是金属材料还是非金属材料，对不同原材料进 行加工，其变形抗力、工作温度都有很大的不同，模具的工作 条件差异很大，所选模具材料就很不一样。,（四）模具的结构因素 1. 模具的大小 大、中、小型的不同模具应选用不同的材质，一般大、中型模具（200mm）的材料费为模具总费用的50%，小型模具的材料费不超过总成本的5%10%。 2. 模具的形状 形状简单、公差要求不严的，可选不易变形的高耐磨性材料；形状复杂模具，应选淬透性好的，采用缓冷淬火剂以免变形开裂，同时还应选易加工材料。 3. 模具的不同组件、不同部位,模具组成主要可分成工作零件和辅助零件。前者直接与加工材 料接触，要求材料性能比后者高。如凸、凹模工作部位（型 面或刃部）硬度、耐磨性、抗热性等要求高；非工作部位可适 当降低，但要保证一定强韧性。对于模具的辅助零件，包括紧 固件、导向零件等，可按其性能要求进行选材。 （五）模具的制造工艺因素 应考虑制造时所采用的冷加工（切削、抛光、研磨）、热 加工（锻、铸、焊）的不同加工方法和工艺，选择适当的材料 与其相适应。对手工与机械不同方法制造模具，选材应有所区 别，手工制模具成本高，应尽量选较好的材料。,（六）模具的设计因素 根据具体情况可考虑采用： 1. 不同模具采用不同结构材料 对大型、复杂模具可应用组合或镶嵌结构，在刃部、型面部 分或某些经受强烈磨损、冲击或高温的部位采用贵重的高性能材 料，其他的模体部分，性能要求不高，可采用普通材料。 2. 普通材料强化处理 选用普通低价材料，用表面强化方法在型面或局部进行离子 渗入、堆焊、气相沉积及其他涂覆处理以获得高性能的表层。,第二节 冷作模具材料及其热处理 冷作模具是在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用 的模具，它主要分为冲裁模、拉拔及成形模、冷镦模和冷挤模。 一、 各类冷作模具的特点 （一）冲裁模 它是带有刃口、工作时冲切、分离材料（主要是板材）而获 得一定形状、尺寸工件的模具。包括落料模、冲孔模、切边模等。 它的硬度要求见表8-1。,/b/747766-1271471975.html,1. 工作条件 主要承受冲击力、剪切力。而模具的刃部（工作部位)可 看成特殊的剪刀，承受冲击、剪切、弯曲和挤压（冲头），同 时，板料与刃口部位产生强烈的摩擦。 2. 失效形式 主要为磨损、崩刃失效。 3. 性能要求 要求高的硬度、高的耐磨性，一定的韧性，较高的抗弯强 度和高的断裂抗力。,冲压常用设备：剪床和冲床等。 剪床为冲床备料，将板料切成条料；而冲压加工主要在各类冲床上进行。,对于薄板 (板厚1.5 mm)，冲裁模以高耐磨性、高精度要求为主； 对于厚板(板厚1.5mm)，除要求高耐磨性外，还应具有良好的强韧性； 另外，模具的功能不同，对性能要求也不同。 表8-1 冲裁模的硬度要求（HRC）,（二）冷镦模 它是在冲击力作用下将棒料镦成一定形状和尺寸的产品的模具。主要用于紧固件、滚动轴承、滚子、链条、汽车零件的成形。 1. 工作条件 工作时，物料受强烈镦击，工作条件差。凸模承受巨大的冲击压应力，可超过2500 MPa，冲击频率很高。凹模的型腔表面和凸模的工作表面还受到剧烈的冲击摩擦，温度可达300。 2. 失效形式 主要是模具发生镦粗、局部变形及破裂。 3. 性能要求,要求有足够的硬度，凸模（镦头）要求6062HRC,凹模 5860HRC，并要求模具型面有适当的硬化深度（1.5mm）和 硬度分布，心部有足够的强度和韧性。例如表层选取适当硬度 和硬化层深度，既不能太高过深，否则易碎裂崩块，也不能硬 度不足、深度过浅，否则容易磨损、变形、拉毛、粘模而使工 件精度下降。 （三）冷挤压模 它是在常温下，在压力机上对金属以一定的速度和压力， 使金属发生塑性变形而成形产品的模具。,1. 工作条件 冷挤压成形时，有强烈的三向压应力作用，金属发生剧烈的流动，变形抗力大。模具承受巨大的挤压力，同时还有很大的摩擦力产生。当挤压有色金属时，挤压力达1000 MPa以上；当挤压钢材时，一般正挤压力达2000-2500MPa，而反挤压力达3000-3500MPa。此外，模具还受到坯料塑性流动的剧烈摩擦，使模具表面局部温升可大于400。凸模比凹模的工作条件更苛刻，如毛坯端面不平整，冲头与凹模不同心等，都会使冲头受到很大的弯曲应力的作用。 2. 失效形式 主要产生变形、磨损、冲头折断（因偏心弯曲）等失效。,3. 性能要求 具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模硬度要求在60-64HRC，凹模在58-62HRC。另外由于冷挤压时产生较大的温升，所以还应具有一定的冷热疲劳抗力和热硬性。 （四）拉拔模及成形模 它是将板材或棒材进行延伸或压迫，使之成为一定尺寸形状的产品的模具。包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模等。 1. 工作条件 工作时物料受拉应力延伸变形。模具在工作时，凹模主要受径向张力和摩擦力，凸模主要承受轴向压缩力及摩擦力，摩擦力十分强烈。总的来说，模具承受的力不算太大。,2. 失效形式 模具应严重磨损而失效，因表面产生沟槽而报废，还产生咬合、擦伤、变形等失效。 3. 性能要求 对拉拔模，要求很高耐磨性，高的硬度（比成形模、冲裁模更高），一般凸模硬度要求为58-62HRC，凹模硬度要求为62-64HRC，另外还要求具有良好的抗咬合性；对成形模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度为54-58HRC，凹模硬度为56-60HRC，但要求较高的韧性。,二、常用冷作模具材料及其性能特点 按热处理性能分类： (一) 低淬透性冷作模具钢碳素工具钢和低合金工具钢 1. 碳素工具钢（以T7A钢、T10A钢、T12A钢为代表） 表示方式：T + 数字 T表示“碳素工具钢” ； 数字表示平均含碳量的千分之几. 如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。 *说明: 碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,特点： 这类钢的含碳量在0.7%1.3%范围内， 价格便宜、原材料来源方便；加工性良好； 热处理后可得到较高的硬度和一定的耐磨性， 用于制作尺寸不大、形状简单、受载较轻的 模具。 主要缺点是淬透性差，淬火温度范围 窄，对于厚大的模具就不能淬透，如模具截 面尺寸15 mm，采用快速水冷也只是模具表 层得到高硬度，淬火变形大，易 产生裂纹，与合金钢相比，模具 使用寿命低，因此，不适宜制作 大中型和复杂的模具零件。,丝锥,锉刀,应用范围 碳素工具钢只适宜制造尺寸较小、形状简单、精度要求不高、受载较轻、生产批量不大的冷作模具。 T7A钢适合制作易脆断的小型模具或承受冲击载荷较大的模具； T10A钢适合制作要求耐磨性较高，而承受冲击载荷较小的模具； T8A钢适合制作小型拉拔模、拉深模、挤压模； T12A钢只用于韧性要求不高，而硬度和耐磨性高的切边模和 冲孔模等。,2. 低合金工具钢 表示方式：含碳量+合金元素符号+该元素百分含量 当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位 数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi. 当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。 常用钢种：GCr15钢（滚动轴承钢） w（C）= 0.951.05%， w （Cr）= 1.31.65%。 特点: 热处理后可获得高硬度、高强度、良好的耐磨性和一定的,韧性。与碳素工具钢相比，低合金工具钢 的主要优点是淬透性较高，过热倾向小， 淬火变形小，回火稳定性高，热处理质量 稳定。 应用范围： GCrl5钢综合性能优于碳素工具钢,适 于制作形状复杂、精度要求较高的小尺寸 落料模、冷挤压模、搓丝模和成形模等.,（二）低变形冷作模具钢 这类钢一般都有较高的含碳量，它是在碳素工具钢的基础上，加入了适量的Cr、Mn、Si、W、V 、Mo等合金元素 。 主要作用：提高淬透性；减小淬火变形、开裂；形成特殊碳化物，细化晶粒；提高回火稳定性。 这类钢的韧性、耐磨性、硬度都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。 CrWMn和9Mn2V是常用钢种，广泛用来制作形状较复杂、截面较大、承受负载较大、变形要求严格的中小型冷作模具。,（三）高耐磨微变形冷作模具钢 低变形冷作模具钢的性能虽然优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性以及变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的要求，这时需采用性能更好的模具钢。 高耐磨微变形冷作模具钢就是其中一类。 典型钢种有：Cr12型钢（Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1）和Cr4W2MoV 。 这类钢的成分特点是高碳（w（C）= 1.4 2.3%）， 高铬（w（Cr）= 11 13%）。 合金元素作用：,Cr 提高淬透性； Mo、V 提高耐磨性，细化晶粒。 应用： Cr12型钢是应用最广、使用量最大 的冷作模具钢。 Cr12钢脆性大、易断裂，只适用于制造冲击负荷小、耐磨性要求高的冲切薄钢板的冲裁模； Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢的脆断倾向较小， 综合性能也优于Cr12钢，所以广泛用于制造大截 面、形状复杂的重载冷作模具，如切边模、落料,模、滚丝模等。 Cr12Mo1V1钢较Cr12MoV钢中Mo、V含量高，因此强韧性较Cr12MoV高，耐磨性也有所增加。一般情况下， Cr12Mo1V1钢的模具寿命比 Cr12MoV钢的模具寿命提高。如用Cr12Mo1V1钢制造的冲裁模、滚丝模均比Cr12MoV钢模具寿命提高56倍。 改进钢种：Cr4W2MoV钢 在用Cr12型钢做冷作模具时，一个很突出的问题是钢中的粗大碳化物导致钢的脆性大，使用中易开裂。而 Cr4W2MoV钢是针对Cr12型钢的缺点研制的新钢种，Cr含量比Cr12型钢减少23，属于高碳中铬钢。与Cr12型钢相比，碳化物颗粒细小，分布,均匀，具有较高的淬透性和淬硬性，耐磨性相当，淬火变形小， 尺寸稳定性好。 应用范围: Cr4W2MoV钢主要用来替代Cr12型钢制造各种冷冲模、高 压力冷镦模、落料模、冷挤压凹模以及搓丝板等，并能提高模具 寿命。,（四）高强度高耐磨冷作模具钢 典型钢种：W18Cr4V（高速钢)、 W6Mo5Cr4V2（高速钢）。 特点： w（C）= 0.70.9，合金元素总 量大于15。具有很高的硬度、抗压 强度和耐磨性，其耐磨性和承载能力 居各类冷作模具钢之首，主要用于制 造要求重载荷、高寿命的冷作模具。但高速钢的热塑性差，不适宜制造大型模具 。,（五）高韧性冷作模具钢 传统高碳高铬钢、高速钢等韧性较低，制作的冷挤压模、冷镦模、薄板冲模在使用中常常发生脆断。为提高上述冷作模具的寿命，现已研制出各种高韧性冷作模具钢。主要包括降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等。 1. 6W6Mo5Cr4V(代号6W6)钢 主要性能特点: 又称降碳高速钢，相对高速钢W6Mo5Cr4V，降低了C含量和V含量，碳化物总量减少，碳化物不均匀性得到改善，使钢在保持高硬度、耐磨性的同时，明显提高钢的抗弯强度、塑性和,韧性。主要缺陷是易产生脱碳，耐磨性稍差。 应用范围： 主要取代高速钢或Cr12型钢制作易于脆断或开裂的冷挤压 凸模或冷镦模，寿命可提高210倍，而用于尺寸较大的圆钢下 料剪刀，模具寿命可提高数十倍。 2. 基体钢 基体钢是指成分与高速钢正常淬火后的基体组织（M）成分 大致相同、而性能有所改善的一类钢。 与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物数量少，颗粒细小，分 布均匀，在保证一定耐磨性和热硬性的条件下，可显著改善钢的,韧性和抗弯强度，不仅适用于冷作模具，也可用于热作模具。 下面主要介绍三种已经研制成功并在推广应用的基体钢。 （1） 65Cr4W3Mo2VNb钢（代号65Nb） 成分上w （Nb）0.2%0.3%，可细化晶粒、阻止晶粒长大。 w（C）0.6% 0.7%，增加了少量的一次碳化物，提高了耐磨性，并有高的强度、一定的韧性。适宜于制造形状复杂、大型或塑性变形抗力大的金属冷挤压模以及受冲击负荷较大的冷镦模。 （2） 7Cr7Mo3V2Si钢（代号LD） 它在成分上已超出基体钢范围，碳化物的含量大于10%。在 高速钢基础上保持含碳量不变，去掉W，增加Cr和V的含量，从,而提高了强韧性，并有高耐磨性。和其他模具钢相比，LD钢有更好的综合性能，因而适用于制造高强韧性冷作模具。 如用LD钢制造轴承滚子冷镦模、标准件冷镦凸模等，其寿命比用高铬钢和高速钢提高几倍到几十倍。 （3） 5Cr4Mo3SiMnVAl 钢（代号012Al） 主要性能特点： 是冷热模具兼用的基体钢，w（C） 0.47%0.57%，在三种基体钢中最低；提高了合金元素含量，从而提高了钢的热疲劳性。加入Si可提高强度，加入Al可细化晶粒，提高韧性。 应用范围：,5Cr4Mo3SiMnVAl 钢综合性能好，强韧性高，通用性好， 作为冷作模具钢，主要代替Cr12MoV钢制造受强烈冲击的模 具，特别是标准件生产所用的冷镦模。 3. 7CrNiSiMnMoV钢 (代号GD) 基体钢虽然具有高强韧性和较好的耐磨性，但合金元素含量 10，成本较高；淬火温度区间较窄，一般不能用箱式电阻炉 加热淬火，限制了该类钢在中小企业的推广使用。GD钢是针对 基体钢的上述缺陷而研制的新钢种。 主要性能特点： .,属高强韧性低合金冷作模具钢，成分与CrWMn 钢相比，C含量 降低、增加了Ni、Si，合金元素含量4左右。该钢碳化物偏析 小，分布均匀，主要力学性能显著优于CrWMn和Cr12MoV钢， 耐磨性略低于Cr12MoV，优于CrWMn。 应用范围： 可代替CrWMn、GCr15、9Mn2V、6CrW2Si 、9SiCr、 Cr12等钢制做易崩刃、断裂的冷作模具，如冷挤、冷弯、冷镦 模，精密塑料模，温挤压模等，尤其适用于制造各种异形、细 长薄板冷冲凸模、形状复杂的大型薄壁凸凹模等，与上述传统模 具钢相比，寿命提高几倍到几十倍。,4. 7CrSiMnMoV钢（代号CH-1） 是一种火焰淬火钢，属低合金空淬微变形钢。 主要性能特点： w（C） 0.65%-0.75%，淬火温度宽（82010000c）， 性能与GD钢接近，具有高的强韧性，火焰加热后空冷可获得 60HRC以上的硬度，耐磨性优于T10A和CrWMn钢，碳化物偏 析小，变形抗力小，可焊性较好，能满足冲模的焊接修补要求。 应用范围： 可取代T10A、9Mn2V、Cr12MoV等冷作模具钢。 如制,造薄板冲孔模、整形模、切边模、弯曲模、拉深模、冷镦模等 不易发生开裂、崩刃，模具寿命可提高34倍。 该钢可以火焰淬火，特别适合制作多孔位、形状复杂的大 型冷作模具，不仅精度高，而且制造工艺简单，制造成本低。,（六）高耐磨、高韧性冷作模具钢 高强韧性钢虽克服了Cr12型钢、高速钢的脆断倾向，但含碳量少，耐磨性不足。高耐磨、高韧性冷作模具钢克服上述缺点，典型钢种有9Cr6W3Mo2V2（GM）和Cr8MoWV3Si（ER5）。 1. 9Cr6W3Mo2V2钢（代号GM） 主要性能特点： w（C） 0.86%0.96%，含有多种碳化物形成元素，合金元素配比合理，未溶碳化物细小、弥散，加工性能良好，二次硬化能力强，耐磨性、韧性明显高于Cr12型钢，有最佳耐磨性和强韧性的配合。,应用范围： 在高速冲床多工位级进模、滚丝模、切边模、拉深模等方面 应用效果较好，模具寿命比65Nb钢和Crl2MoV钢提高26倍以 上。在标准件、电器仪表和电机行业也有广泛应用前景。 2. Cr8MoWV3Si钢（ER5） 主要性能特点： 与基体钢相比， w（C） （0.95%1.1%）和碳化物元素含 量增加，但碳化物数量少，颗粒细小，分布均匀，强度、韧性、 耐磨性等性能均优于Cr12MoV钢。,应用范围： ER5钢在锻造、热处理、机加工、电加工等方面无特殊要求，材料成本适中，韧性高、耐磨性好，所以适宜于制作大型、重载冷镦模、精密冲模等。 例如：用ER5钢制造的电机硅钢片冲模，模具总寿命达360万次，一次刃磨寿命为21万次，是国内硅钢片冲模最高寿命水平。制造大尺寸轴承滚子冷镦模寿命达1万次以上，超过从日本进口模具的保证寿命5000次。,三、 特殊用途冷作模具材料 （一） 特殊要求冷作模具钢 主要有两类： （1）耐蚀冷作模具钢：9Crl8、Cr18Mo、Cr14Mo、 Cr14Mo4; （2）无磁模具钢： 1Crl8Ni9Ti 、7Mnl5Cr2A13V2WMo 、 5Cr21Mn9Ni4W。 1. 9Cr18 耐蚀冷作模具钢 成分特点是高碳、高铬。淬火后，马氏体中含Cr高达12左,右，既具有高的硬度和耐磨性，又具有良好的耐蚀性能，主要用 来制造耐蚀塑料模具。 2. 7Mn15Cr2Al3V2WMo无磁模具钢 含锰量高，在使用状态下呈稳定的奥氏体组织，导磁系数非 常低，在磁场中不被磁化。固溶淬火时效处理后，有较高的强度、 硬度和耐磨性。 应用范围： 主要用于磁性材料的成形，以及无磁轴承和其他在强磁场中 不产生磁感应的结构零件成形。该钢还具有较高的高温强度和硬 度，所以也可以用来制造在700-800下工作的热作模具。,（二）硬质合金及钢结硬质合金材料 1. 硬质合金 硬质合金是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末 (如WC、TiC等)和粘结剂(Co、Ni等)混合加压成形，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。 常用硬质合金有三种： （1）钨钴类（YG）硬质合金：由WC与Co粉末烧结而制成的， YG后的数字表明钴的含量。例如YG6表示含钴量为6%，而其余为WC的硬质合金。含钴量越高，韧性越好，但硬度及耐磨性稍有降低。,（2） 钨钛钴类（YT）硬质合金：由WC、 TiC和Co粉末 烧结而成的。YT后的数字表示TiC的含量。 （3）钨钴钽类（YW）硬质合金:由WC、 TiC、与TaC三种 粉末与Co粘结剂烧结而制成的。 YG硬质合金的韧性较好，而YT硬质合金的热硬性高，且 不粘结，YW硬质合金的性能较全面，兼有两者的优点，适用 多种用途，又称万能硬质合金。 用于制造模具的主要是钨钴类硬质合金。其化学成分及力 学性能见表223。,硬质合金的特点是：具有高硬度、高抗压强度和高耐磨性，但脆性大，不能进行锻造及热处理。主要用来制造不受冲击和冲击载荷较小的拉丝模、冷挤压模等。硬质合金用来制造这些特定模具，其寿命可高于工具钢10倍以上。,2. 钢结硬质合金 钢结硬质合金是以碳化物（WC、TiC）等为硬质相，以钢为粘结剂 ，用粉末冶金方法制成的材料。它具有硬质合金的高硬度、高耐磨性、高抗压性，又具有钢的高韧性、且可以进行冷热加工和热处理，是一种性能介于高速钢和硬质合金之间的模具材料。钢结硬质合金已在冷冲模、冷挤压模、整形模、冷镦模及一些热作模具上得到较广泛的应用。 第一代钢结硬质合金有两个牌号供应市场，分别是GT35（碳化钛系）和TLMW50（碳化钨系）。 第二代钢结硬质合金是我国研制成功的，硬质相为WC，简,称为DT合金。 主要性能特点： DT合金硬质相颗粒细小均匀，弥散分布，保持了GT35、 TLMW50合金的高硬度、高耐磨性，又较大幅度地提高了强度 和韧性，可以承受较大负荷的冲击，同时还具有较好的抗热裂 力，不易出现崩刃、碎裂等，DT合金在退火软化后，具有较 好的切削加工性，是较理想的工模具材料之一。 几种材料性能对比见下表。,（2）应用范围： DT合金制造模具时，一般采用组合联接方法。在模具的工作部位镶装或连接DT合金，其余部位采用一般钢材。常用的组合连接方法有镶套、焊接、粘接和机械连接等。 DT合金性能优越，多用于制造冷镦模、冷挤压模、冲裁模、拉深模等，使用效果良好。例：制造定转子冲裁模、落料模，DT,合金比W18Cr4V钢、Crl2MoV钢模具使用寿命至少提高630 倍；制造五金行业的冷镦模、拉深模，DT合金比Cr12钢模具 寿命提高1032倍，使成本大幅降低。但DT合金价格比合金 钢贵几倍,在小批量生产时经济效益不明显。,四、 冷作模具的选材及热处理 冷作模具合理选材，首先要满足模具的使用性能，同时兼顾材料的加工工艺性和经济性；其次要综合考虑模具结构，工作条件，制品的形状、尺寸，材质性质，加工精度，生产批量等方面对模具的影响。模具材料选定后，必须进行正确的热处理，才能保证模具的使用性能和寿命。 (一) 冲裁模的选材及热处理 1. 薄板冲裁模（薄板厚度1.5 mm） （1）主要失效形式是磨损。,（2）选材依据：制品批量、尺寸大小和复杂程度。 小批量（103件）、尺寸较小、形状简单的冲裁模，选T8A钢或T10A钢。 中小批量（103105件）、尺寸较大、形状较复杂的冲裁模，选用 9Mn2V、9CrWMn、CrWMn、GCr15等钢种. 大批量（106件）、尺寸较大、形状复杂的模具，选用GM 、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr4W2MoV、ER5钢等. 对负荷大、易磨损小冲头，选用W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、GD、GM钢等. 对于特大生产批量，可选用GM、ER5、YG15、YG20、DT等。,2. 厚板冲裁模 厚板冲裁模承受的负荷大，刃口易磨损，凸模易崩刃、折断。选材时主要考虑材料的强韧性和高耐磨性。 对小批量生产，选T8A、9SiCr、5CrW2Si等钢种； 对大批量生产，选用W18Cr4V钢、W6Mo5Cr4V2钢制作凸模，用Cr12MoV或Cr12Mo1V1钢制作凹模。 上述传统钢种的耐磨性不够，韧性差，所以模具的寿命不高。为提高厚板冲裁模的使用寿命，可选用新型模具钢，如LD、 GD、 65Nb、012Al、CH-1等钢种；模具寿命提高效果显著，见下表示例。,3. 冲裁模的热处理 大多数冲裁模的热处理工艺为淬火回火，硬度为60HRC左右，这样的硬度使模具具有高寿命而不磨损是不够的。为了提高冲裁模的耐磨性和使用寿命，常进行表面强化处理，主要的表面强化处理工艺有：氮碳共渗、渗硼、TD法渗钒、渗铌、化学气相沉积（CVD）、化学镀磷镍、电火花强化等。 。,（二） 冷镦模的选材及热处理 根据受载情况，冷镦模可分为轻载冷镦模和重载冷镦模。 1. 轻载冷镦模 主要用于生产形状简单、变形量小、变形速度低的冷镦件。多选用T10A、60Si2Mn、GCrl5、9SiCr和Cr12MoV等钢种。 T10A钢：强韧性、耐磨性均不高，只适合制造20mm 以下，形状简单、受载轻、寿命要求不高的凸模和凹模。 60Si2Mn：韧性较好，但耐磨性不高，只适合制造轻载、寿命要求不高的冷镦凸模。 9SiCr：属低合金工具钢，耐磨性、强韧性都高于T10A，,常用来制作截面较厚，形状较复杂的冷镦模具；标准件行业常用该钢制作冷镦凸模。 2. 重载冷镦模 用于生产变形量较大、形状复杂的冷镦件，按生产批量的大小，可作如下选择： 中小批（10万件）生产，选用Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢及新型冷作模具钢，如 6W6、65Nb、012Al、LD、CH-1等钢种。 大批量生产，选用YG15、YG20和DT等硬质合金。一般做成镶块，外附模套，模套材料可用合金结构钢或合金工具钢，如,5CrMnMo、40Cr、 5CrNiMo、60Si2Mn等。 新型模具钢和硬质合金制作冷镦模使用效果良好，见表 232。 Cr12MoV钢用于冷镦模易产生表面剥落、崩刃、断裂， 寿命较低；高速钢承载能力很高，但韧性较差，不宜制作形状 复杂受冲击较大的凸模。 3. 冷镦模的热处理 冷镦模的热处理工艺一般为球化退火+淬火+低温回火。,（三）冷挤压模具的选材及热处理 冷挤压模在选材时，首先要考虑材料的承载能力是否满足高 强韧性要求；其次是考虑挤压件的生产批量大小对模具材料耐磨 性要求；另外，还要考虑材料的抗回火软化能力是否能承受挤压 过程中所产生的热负荷。 根据挤压工艺、挤压件材质和挤压模的寿命要求，冷挤压模 的材料可选用碳素工具钢、低合金工具钢、Cr12型钢、高速钢及 新型冷作模具钢等。 具体选用时应注意以下几点：,1. 碳素工具钢和低合金工具钢的淬透性、强韧性和耐磨性 较差，使用中易折断、弯曲和磨损，只用作挤压应力较小，批 量不大的正挤压模具。 2. Cr12型钢是正挤压模具普遍采用的钢种，但韧性差， 碳化物偏析严重，脆断倾向大，逐步被新型冷作模具钢替代。 3. 高速钢适合制造承受高挤压负荷的反挤压凸模，但高 速钢与Cr12型钢有同样的问题，即韧性差，易脆断。为克服高 速钢的缺点，保持其优点，生产中常用低温淬火方法来提高钢 的断裂抗力。,4.新型冷作模具钢，如降碳高速钢、基体钢等用于冷挤压模具，效果十分显著，但对于大批生产用的模具，耐磨性差。 5.对于大批生产用的冷挤压模具应采用硬质合金，应用最多的是钢结硬质合金，常用来作冷挤压凹模。 常用的冷挤压模具材料见表2-33。 冷挤压模的热处理一般为退火+等温退火+淬火+低温回火。,第三节 热作模具材料及其热处理 热作模具是指对金属材料加热到再结晶温度以上进行压力加 工的模具。根据工作条件，可分为热锻模、热挤压模、压铸模和 热冲裁模等。 一、各类热作模具的特点 1. 热锻模包括锤锻模、压力机锻模、热镦模和高速锤锻 模等。其中锤锻模（是在高温下通过冲击加压、强迫金属成形的 模具）最有代表性。 （1）工作条件 工作时承受很大冲击载荷外，还受到很大的压应力、拉应力,和弯曲应力，模具型腔表面经常和1100 1200炽热金属坯料接触而被加热，模具 可升温到300 400，局部温度到500 600。因此，锻压时模具快速加热、 升温到很高温度，结束时用水或油冷却润 滑而剧烈降温，对模具产生急冷急热的作用。同时加工坯料对模具型腔有强烈摩擦。 （2）失效形式 磨损(粘着、氧化、磨粒）、断裂（脆断、崩裂）、产生热疲劳裂纹，形成龟裂、塑性变形造成型面塌陷。,曲轴模具,（3）性能要求 在高温下保持高强度和良好的韧性，高的耐磨性及一定的硬 度；优良的耐热疲劳性；高的淬透性；良好的导热性，以便尽快 散热；良好的工艺性和抗氧化性。 2. 热挤压模 （1）工作条件 模具承受巨大压力，但冲击力不太大，冲击载荷小于锤锻模。 工作时，与炽热金属接触的时间比锤锻模长，温度比锤锻模温度 更高，尤其是挤压钢材和难熔金属时，温度高达600-800。,（2）失效形式 脆断、冷热疲劳（裂纹及断裂）、塑性变形（型面塌陷和堆 塌）、磨损及表面氧化腐蚀。 （3）性能要求 好的高温强度和一定的韧性；较高的冷热疲劳抗力、热稳定 性（抗氧化能力）；好的淬透性；优良的加工工艺性。 3. 压铸模（在高压下使液态金属压铸成形的一种模具） （1）工作条件 工作中，模具经常与4001600液体金属接触，反复多次,被加热、冷却，受到急热急冷的作用，模具受热时间长，受热 温度高（压铸有色金属时,温度达400800；压铸钢材时,温 度可达1000以上）；承受高压作用，一般为30150MPa； 液态金属压铸时，冲刷严重，有强烈摩擦作用。 （2）失效形式 疲劳损伤（出现网状裂纹龟裂）；冲蚀、气蚀磨损，尤 其是低温合金的压铸，磨损是主要失效形式。 （3）性能要求 优良的耐冷热疲劳性；高温下能保持高的强度、足够的硬 度、高的耐磨性和一定的冲击韧度；高的淬透性；高的导热性,和耐腐蚀性；好的抗氧化性。,汽车四缸压铸模,4. 热冲切（裁）模 热冲切模由切边凹模及切边凸模组成，在切边时，凸模无 刃口，只起传力作用，由凹模刃口切去飞边、连皮。 （1）工作条件 切边凹模完成剪切过程，因而凹模刃口与毛坯有摩擦，同 时承受一定的冲击载荷；由于是热切边，切边模的刃口将受热 升温。 （2）失效形式 刃口磨损、崩刃、卷边等。,（3）性能要求 高的耐磨性，高的硬度及热硬性；为避免崩刃，应具有一 定的强韧性，并有良好的制造工艺性。,二、常用热作模具钢及其热处理 热作模具钢的品种较多，由于不同热作模具的服役条件差异较大，对模具钢的具体性能要求不同；热作模具钢的性能侧重点不同，使用的模具也有较大差异。 热作模具钢的分类方法很多，可根据合金元素含量分及热处理后性能分；也可按用途分；或由性能分；也可按工作温度分。表3-1为热作模具钢的分类。,（一） 锤锻模用钢 主要采用中碳、多元低合金热作模具钢。 传统钢种有：5CrMnMo、5CrNiMo；近年来研制的新钢种有： 4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi 和45Cr2NiMoVSi。 1. 5CrNiMo钢 （1）主要性能特点及应用 良好的力学性能和淬透性；（硬度4048HRC，抗拉强度 12001400MPa，冲击韧度4070Jcm2，对第二类回火脆性不 敏感） 。,不足之处是工作温度稍低，锻坯中易产生白点。 广泛用于制造形状复杂，要求高强度、高韧性的大、中型 锤锻模，如高度尺寸375mm的大型（锤吨位3t）锤锻模。 （2）热处理工艺 锻造退火（完全退火或等温退火）淬火回火,淬火预热温度：600650，加热温度：830860 、 油淬（油温为20 60） ； 回火温度根据模具尺寸和部位确定（500660）； 锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100左右，保证 燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效）。,2. 5CrMnMo钢 （1）主要性能特点及应用（和5CrNiMo钢相比） 强度、硬度相当，但冲击韧性稍差； 淬透性、耐热疲劳性稍差； 热处理过热倾向较大； 适用于制造要求具有较高强度和高耐磨性的各种类型（边长400mm）的中、小型（锤吨位 3t）锤锻模。 （2）热加工工艺 锻造等温退火淬火回火,等温退火加热温度：850870，等温温度680 。； 淬火加热温度为820850，油淬，冷却到150180 左右出油立即回火； 为减少变形，防止开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到 740780入油； 回火温度根据模具尺寸和部位确定（500660）； 锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100左右，保证燕 尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效。,3. 4CrMnSiMoV钢 （1）主要性能特点及应用 具有较高的强度、耐磨性和冲击韧性； 高温性能、热疲劳抗力和淬透性均优于5CrNiMo钢。 适用于大、中型锤锻模，用于中、小型锤锻模，模具寿命一般比5CrNiMo钢模具高。 （2）热处理工艺 锻造等温退火淬火回火 等温退火：加热温度为870890 ，等温温度为720740；,大型锤锻模淬火温度900930、油淬； 中、小型锤锻模淬火温度870900、油淬； 大型锤锻模回火温度为620660，回火硬度为3842HRC； 中型锤锻模回火温度为610630，回火硬度为4144HRC； 小型锤锻模回火温度为470610，回火硬度为4449HRC。,4. 5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi钢 （1）主要性能特点及应用（与5CrNiMo钢相比） 高温强度提高了64，热稳定性提高(温度提高了150 170 )，500X 500mm截面的锻模，其心部硬度较5CrNiMo 钢高13HRC，使用寿命提高1倍。 ； 5Cr2NiMoVSi钢主要用于制造各类压力机锻模和3t以 上锤锻模； 45Cr2NiMoVSi钢适合制造各类锤锻模，特别是10t以 下的大截面锤锻模具。,（2）热处理工艺 锻造退火淬火回火 等温退火：800720等温； 完全退火：850870，缓冷至500出炉空冷； 5Cr2NiMoVSi钢（大截面锤锻模），淬火温度为960 980，回火温度为600680； 45Cr2NiMoVSi钢（大截面锤锻模），淬火温度为960 980，型腔回火温度为630670； 燕尾回火温度：680700。,（二）热挤压模具钢 主要有钨系、铬系、铬钼系热作模具钢及基体钢。 1. 钨系 代表钢种 3Cr2W8V，耐热疲劳性较差，在压铸模中的应用较多。 2. 铬系 代表钢种： 4Cr5MoSiV（H11）、 4Cr5W2VSi（H12）、 4Cr5MoSiV1（H13），属于中碳中铬钢。 （1）主要性能特点及应用 淬透性好（属空冷硬化钢，厚度为150mm的钢件在油中,可淬透）； 冲击韧度和断裂韧度较高； 良好的耐热疲劳性能和抗氧化性，能适应急冷急热的工作条件。 与5CrNiMo钢相比，有更高的硬度、热硬性和耐磨性。 与钨系热作模具钢相比，冲击韧度高，但高温强度低，耐热性稍差。 这类钢的工作温度一般不超过600。广泛用于铝型材挤压模具；汽车、拖拉机、五金工具等行业机锻模具、辊锻模具；轴承行业挤压模及辗压辊；压铸模等。,（2）热处理工艺 锻造等温退火（加热到860890，700720等 温），缓冷至500出炉淬火（10001050、油冷） 540600回火（回火温度根据硬度要求确定）。,铬系热作模具钢一般热处理过程,3. 铬钼系及钨钼系钢 包括4Cr3Mo3SiV（H10）、4Cr3Mo2NiVNbB（HD）、 Cr3Mo3W4VNb（GR） 3Cr3Mo3W2V（HM1）、25Cr3Mo3VNb（HM3）。 （1） 25Cr3Mo3VNb钢（HM3） 1）主要性能特点及应用 含碳量较低；加入少量的铌，具有较高的耐热疲劳性、热强 性和回火稳定性。适用于制造热锻成形凹模、连杆辊锻模、小型 机锻模、铝合金压铸模等。工作寿命比5CrNiMo、4Cr5W2VSi、 3Cr2W8V 钢等模具提高210倍。,2）热处理工艺 锻造（锻后缓冷）等温退火（加热温度860、等温温度710，炉冷至550出炉空冷）淬火（加热温度1080，油冷或水冷）回火（回火温度根据模具硬度要求在560630范围选择，需回火二次）。 （2） 4Cr3Mo2NiVNbB钢（HD）新钢种 1）主要性能特点及应用 综合了3Cr2W8V和H13钢的优点。其高温强度、回火稳定性、断裂韧性、耐热疲劳性和耐磨性均优于3Cr2W8V ；而耐热性优于H13钢，可在700下工作。,主要替代3Cr2W8V钢制造承受冲击载荷及高温工作的热挤压模，模具寿命可提高1倍。 2）热处理工艺 锻造退火（加热温度850、保温4h，随炉缓冷到550 出炉空冷）淬火（加热温度1130 、油淬）回火（回火温度根据硬度要求可在650700 范围选择，回火二次）。 （3）3Cr3Mo3W2V钢（HM1）： 1）主要性能特点及应用 冲击韧度及断裂韧度与3Cr2W8V钢相近，但回火抗力比3Cr2W8V钢高，在保持高强度和热稳定性的同时，耐冷热疲劳性,能比3Cr2W8V钢高得多。HM1钢是目前国内研制的高强韧热 模钢中应用广泛，寿命长的新钢种。适于制造高温高负荷、急 热急冷水冷条件下工作的压力机和轴承环热锻凹模，高强度和 高热强钢零件的精锻模，热挤压模，铝和铜合金的压铸模等， 使用寿命可比3Cr2W8V、5CrNiMoV钢制模具提高14倍。 2） 热处理工艺 锻造（锻后缓冷）等温退火（加热温度为870，等温 温度730，随炉缓冷到550 出炉空冷，硬度为207225 HBS）淬火（加热温度为10301120 、油淬） 回火,（回火温度为580620 、保温2h，回火二次，硬度为48 49