第五章模具材料.ppt

1,第五章模具材料,2,按模具类别分：冷作模具、热作模具、塑料模具。按材料类别分：钢铁材料、非铁材料、塑料等。,第一节模具材料概述,模具材料分类：,3,热加工工艺性能、冷加工工艺性能、热处理工艺性能,第一节模具材料概述,模具材料的性能要求,（一）使用性能：,（二）工艺性能：,硬度和耐磨性、强度和韧性、抗热性能（热强性、热硬性、热稳定性、热疲劳性、抗粘着性）,4,模具的选材原则使用性能工艺性能供应经济性,第一节模具材料概述,5,第一节模具材料概述,模具选材的具体考虑因素,（一）模具工作条件：承受载荷、速度（冲击）、工作温度、腐蚀（二）模具的失效因素：磨损、腐蚀、断裂、塑性变形。（三）模具所加工的产品产品批量大小、产品质量要求、产品材质（四）模具结构模具大小、模具形状、模具的不同组件（不同部位）、模具制造工艺、模具设计,6,第一节模具材料概述,模具材料的发展方向（1）模具性能要求模具材料由低级材料向高级材料发展。（2）模具表面强化处理的应用日益广泛。（3）新钢种不断出现、旧钢种逐渐淘汰。（4）模具材料由钢铁材料扩展到有色金属、硬质合金、非金属材料（橡胶、塑料、陶瓷）。,7,冷作模具钢是在常温下使金属材料变形的模具用钢。冷作模具的种类很多，包括冲裁模、冷挤压模、冷镦模、拉伸模等。,第二节冷作模具钢,冷作模具钢的应用,8,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(一)冲裁模冲裁模主要用于各种板料的冲切成形，按其功能不同可分为落料模、冲孔模、切边模等。,9,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(一)冲裁模1.工作条件冲裁模的工作部位是刃口。冲裁时，刃口部受到弯曲和剪切力的作用，还要受到冲击。同时，板料与刃口部位产生强烈的摩擦。,10,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(一)冲裁模2.失效形式冲裁模的正常失效形式主要是磨损，刃口由锋利变圆钝。有时会因热处理不当等造成崩刃和凸模折断等非正常失效。3性能要求依据上述分析，冲裁模的主要性能要求是高的硬度和耐磨性，足够的抗压、抗弯强度和适当的韧性。,11,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模主要包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模。利用这些模具可使板材或棒材延伸并压制成一定形状的产品。,12,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模拉深模,13,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模弯曲模,14,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模胀形模,15,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点(二)拉拔模及成形模1工作条件模具工作时受载较轻，但模具表面受到强烈的摩擦。凹模主要受到径向张力的作用，凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力的作用。2失效形式成形模具的主要失效形式是磨损，而拉拔模除了严重磨损外，在温度和压力作用下，还会产生“粘附”（咬合）。,16,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点二、拉拔模及成形模3性能要求对拉拔模的主要性能要求是高的耐磨性、硬度及良好的抗咬合性。对成形模的耐磨性、硬度要求稍低，但要求较高的韧性。,17,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点三、冷镦模冷镦模是在冲击作用下使金属棒料在模具型腔内冷变形成形的模具。主要用于紧固件、滚动轴承、滚子链条、汽车零件的成形。1工作条件冷镦模具工作条件差，受到强烈冲击，室温下，材料变形抗力大。凸模承受巨大冲击压应力，且冲击频率很高。凹模的型腔表面和凸模的工作表面还受到剧烈的冲击性摩擦。,18,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点三、冷镦模2失效形式冷镦模的主要失效形式是：凸模镦粗、局部变形或折断；凹模开裂，模口胀大等。3性能要求凸模、凹模均要求有足够的硬度、强度和韧性。一般凸模要求硬度为60-62HRC，凹模要求硬度为58-60HRC。,19,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点四、冷挤压模冷挤压是使金属在强大的近于静挤压力的产生塑性变形而形成制品或零件。,20,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点四、冷挤压模1.工作条件金属的冷挤压成形，受到强烈的三向压应力的作用，变形抗力大。模具不仅受到强大的挤压力作用，而且还受到坯料塑变流动的剧烈摩擦，冷挤压时产生较大的温升。,21,第二节冷作模具钢,各类冷作模具的特点四、冷挤压模2.失效形式冷挤压凸模的失效形式主要是断裂、塑性变形及磨损；凹模的主要失效形式是胀裂及磨损。3性能要求冷挤压模必须具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模要求硬度为60-64HRC，凹模要求硬度为58-62HRC。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。,22,第二节冷作模具钢,冷作模具正常的失效形式是磨损。常会因变形(包括弯曲、镦粗、塌陷、模孔胀大等)、崩刃、开裂而出现早期失效。冷作模具用钢应该具有高强度、高硬度、高耐磨性和足够的韧性。一般凸模要求硬度为50-60HRC。,冷作模具钢的性能要求,23,第二节冷作模具钢,冷作模具钢通常以高碳为主，以满足高强度、高硬度、高耐磨性要求，为了提高淬透性和耐磨性，适当添加一些碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等。,冷作模具钢的成分特点,24,第二节冷作模具钢,冷作模具钢的类型,25,第二节冷作模具钢,冷作模具钢的分类冷作模具用钢按化学成分分类，可以分为碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬和高碳中铬钢及高速钢。,26,第二节冷作模具钢,碳素工具钢常用钢种有T7A、T8A、T10A、T12A等.主要优点：（1）成本低：价格便宜，来源方便。（2）加工性能好：与其他冷作模具钢相比，锻造工艺性较好，易退火软化，便于加工制成模具。（3）热处理后有较高的硬度和一定的耐磨性。,27,第二节冷作模具钢,碳素工具钢主要缺点：(1)淬透性低：模具截面尺寸大于15mm，水冷也不能淬透。属低淬透性冷作模具钢。(2)热硬性、耐磨性差，淬火变形大，易产生淬火裂纹，使用寿命低。用途：因此碳素工具钢只适合制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的模具。,28,第二节冷作模具钢,T10A应用最普遍。T10A、T12A钢过热倾向较小，淬火晶粒较细，并有过剩碳化物，因此经热处理后钢的强度较高、耐磨性较好。T10A钢还能保证足够的韧性，而T12A钢过剩碳化物过多，颗粒较粗、分布不均，易使钢的力学性能降低。T8A钢由于没有过剩碳化物，因此过热倾向大，淬火加热时晶粒易粗化，韧性和耐磨性差，所以冷作模具制造很少采用。T7A钢，钢的耐磨性不如T10A，但有较好的韧性，所以韧性要求较高的冷作模具可以选用。,29,第二节冷作模具钢,碳素工具钢模具的制造及热加工工艺过程:锻造-退火-粗加工-预调质处理或去应力处理-精加工-最终热处理（淬火+低温回火）热处理工艺见表5-6、表5-7、图5-1。,30,第二节冷作模具钢,碳素工具钢锻造工艺:,31,第二节冷作模具钢,T10A、T12A钢锻造时，必须严格控制终锻温度和锻后的冷却速度，如果终锻温度过高，冷却速度过缓，易析出二次渗碳体，从而增加模具淬火开裂、磨削裂纹及使用时出现脆断的倾向。,碳素工具钢锻造工艺:,32,第二节冷作模具钢,退火和正火经改锻后的模具毛坯必须进行球化退火，形成粒状珠光体，以便于切削加工，并为淬火作好组织准备。当钢坯锻后出现粗大或严重网状碳化物时，应先进行正火后再进行球化退火。,碳素工具钢,33,第二节冷作模具钢,碳素工具钢,34,第二节冷作模具钢,碳素工具钢淬火和回火,35,第二节冷作模具钢,碳素工具钢淬火：淬火温度760-820C。如果淬火温度过高，增加淬火变形、开裂的危险，并导致淬火马氏体粗大，钢的韧性下降。如果淬火温度过低，钢的硬度和耐磨性降低。如果适当提高淬火温度，可以增加淬硬层深度。因此，对于直径较小、易淬透的小型模具，可以采用较低的淬火温度；对于较大型模具，应适当提高淬火温度。淬火组织为隐晶马氏体+碳化物（M3C）,36,第二节冷作模具钢,碳素工具钢回火：根据模具的尺寸大小和形状复杂程度，碳素工具钢模具淬火分水冷、油冷、分级淬火等。碳素工具钢淬火后存在较大内应力，必须及时低温回火（180-200C），通常在油炉或硝盐中进行。回火温度根据硬度要求而定，回火时间一般为1-2h。,37,第二节冷作模具钢,高碳低合金工具钢常用牌号有9Mn2V、CrWMn、9SiCr、GCrl5等。该钢种碳含量在0.8以上，是在碳素工具钢基础上发展起来的，加入少量合金元素Cr、W、Mn、Si、Mo、V等，提高合金的淬透性，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、热硬性都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。淬火变形比碳素工具钢小，属低变形冷作模具钢。,38,第二节冷作模具钢,高碳低合金工具钢淬透性：25-70mm，甚至80-100mm.用途：适用于制造尺寸较大，形状较复杂，精度要求较高的模具。,39,第二节冷作模具钢,（1）9Mn2V钢主要性能特点9Mn2V钢的主要化学成分是：C：0.85-0.95%，Mn：1.70-2.00%。碳含量高是为了保证钢经热处理后具有高硬度、高耐磨性；锰是为了提高钢的淬透性。由于锰含量高易引起钢的过热，因而同时加入少量的钒，以细化晶粒，克服锰的过热倾向。淬透性低，油淬时临界淬透直径为40mm。,40,第二节冷作模具钢,（1）9Mn2V钢热加工工艺1.锻造：始锻温度为1130-1160C，终锻温度为800-850C，空冷至650-700C转入炉灰中冷却。退火：加热温度为750-770C，保温3-5h；等温温度为650-700C，保温4-6h。淬火：淬火温度为780-840C，为了获得优良的强韧性，宜采用800C淬火；若希望工件获得最大的淬硬层深度时，则可选取820-840C淬火，淬火硬度为62-63HRC。采用油冷，形状复杂的模具可用热油冷却或硝盐浴分级淬火。,41,第二节冷作模具钢,（1）9Mn2V钢热加工工艺4.回火：回火温度在160-180c，空冷。回火硬度为60-62HRC。回火温度为200-300C范围产生回火脆性。应用用于制造冷冲模、弯曲模、落料模等。用它代替T10A钢，不仅可以减小热处理变形，还可大大提高模具寿命。对于中小模具，该钢还可以代替CrWMn钢。,42,第二节冷作模具钢,（2）CrWMn钢主要性能特点：由于同时含有W和Mn，CrWMn钢具有高的淬透性。生产中，模具尺寸在400mm以下时，在油中即可淬透。又由于含有W，在淬火及低温回火状态下含有较多的钨的碳化物，硬度高，耐磨性良好。W还能细化晶粒，改善钢的韧性并减小过热敏感性。,43,第二节冷作模具钢,（2）CrWMn钢热加工工艺1.锻造：加热温度为1100-1150C，始锻温度为1050-1100C，终锻温度为800-850C。锻后应采用空气吹冷，以防止形成网状碳化物，尤其是大规格的钢材。2.退火和正火：加热温度为790-830C，等温温度为700-720C，退火后的组织比较均匀，退火后的硬度为207-255HBS。如果锻造质量不高，出现严重网状碳化物或粗大晶粒时，必须在球化退火之前进行一次正火，正火加热温度930-950C，然后空冷。,44,第二节冷作模具钢,（2）CrWMn钢热加工工艺3.淬火和回火淬火温度为820-840C，油冷，硬度为63-65HRC。模具要求韧性较高而硬度要求不低于55HRC时，可采用下贝氏体等温淬火。回火温度一般为160-200C，为了克服回火脆性，应尽量避免在300C附近回火。,45,第二节冷作模具钢,（2）CrWMn钢应用CrWMn钢的淬透性、淬硬性、强韧性、耐磨性及热处理变形倾向均优于碳素工具钢，主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载冲裁模，轻载拉深、弯曲、翻边模。,46,第二节冷作模具钢,高碳高铬和高碳中铬工具钢低合金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、变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的要求。对于形状复杂的重载冷作模具，必须采用性能更好的模具钢。,47,第二节冷作模具钢,高碳高铬钢典型的钢号是Cr12和Cr12MoV，其组织和性能很相似，常统称为Cr12型钢。成分特点：高碳(1.32.3)、高铬(11-13)。属于高碳高铬莱氏体钢。,48,第二节冷作模具钢,高碳高铬钢的性能特点：1）经热处理后，组织中含有大量弥散分布的铬的碳化物颗粒M7C3，使钢具有很高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力仅次于高速钢；2）淬透性高，截面尺寸为300-400mm的模具在油中均可淬透；3）淬火变形小。由于含有很高的Cr元素，可降低Ms，增加残余奥氏体量，减小体积变形，淬火后可达微变形程度，属高耐磨微变形冷作模具钢。,49,第二节冷作模具钢,Cr12型钢模具的制造及热加工工艺过程:锻造-退火-粗加工-预调质处理或去应力处理-精加工-最终热处理（淬火+回火）,50,第二节冷作模具钢,1）锻造Cr12型钢的导热性差，塑性低，变形抗力大，锻造温度范围窄，组织缺陷严重，所以锻造性能差。合理的锻造工艺是：预热温度为750850C，加热温度为1100-1150C，始锻温1050-1150C，终锻温度为850-900C，锻后缓冷。Cr12型钢为莱氏体钢,铸态组织中有鱼骨状共晶碳化物。锻造时，坚持多向、多次镦拔，才能保证击碎碳化物。锻后应及时退火。,51,第二节冷作模具钢,2）退火Cr12型钢一般采用等温球化退火工艺，加热温度为850-870C，保温3-4h。等温温度为720-750C，保温6-8h。退火后的硬度为207-255HBS。退火后组织为索氏体+粒状合金碳化物，降低硬度，提高切削性能。退火工艺如图5-4所示。,52,第二节冷作模具钢,3）预调质处理为了降低粗加工造成的应力以及在淬火之前获得比较均匀的碳化物分布，淬火前要进行预调质处理（淬火+高温回火）。图5-5所示。,53,第二节冷作模具钢,4）淬火及回火两种工艺：（1）低温淬火+低温回火（一次硬化处理）淬火温度：Cr12MoV钢1020-1050Cr12钢970-990回火温度：160-180。可保持细的奥氏体晶粒，具有高硬度、耐磨性和高韧性.,54,第二节冷作模具钢,4）淬火及回火两种工艺：（2）高温淬火+多次高温回火（二次硬化处理），达到二次硬化目的。Cr12钢因含合金元素量较低，只采用一次硬化处理。Cr12MoV的淬火温度为1100-1150，回火温度为500-540，多次回火。经这种方法处理后可使其钢获得高耐磨性、热硬性，但韧性较差。,55,第二节冷作模具钢,Cr12与Cr12MoV的性能比较：Cr12型钢是应用最广、数量最大的冷作模具钢。Cr12型钢中的主要碳化物是M7C3型。因Cr12钢碳含量高达1.32.3，碳化物不均匀性严重，脆性大，用于制造模具易产生崩刃和脆断。只适用于制造冲击负荷小、耐磨性要求高的模具；Cr12MoV的含碳量比Cr12少，并加入了Mo、V，改善了碳化物不均匀性，提高了韧性。钼和钒还能细化晶粒，改善韧性。所以，Cr12MoV钢的脆断倾向较小，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、滚边模、拉丝模等。,56,第二节冷作模具钢,高碳中铬钢这类钢典型的钢号是Cr6WV，Cr5MoV，Cr4W2MoV，6Cr4W3Mo2VNb。此类钢是针对高铬模具钢Cr12型碳化物不均匀的缺点而发展起来的。与Cr12型钢相比，中铬模具钢含有较低的含碳量(约1)和铬量(5-7)，还加入少量的钨、钼和钒，属于过共析钢。因成分偏析的原因，这类钢铸态组织中也存在莱氏体共晶碳化物。碳化物以M7C3为主，也含有M6C和MC型碳化物。碳化物不均匀性较Cr12型钢明显减轻，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，属高耐磨微变形冷作模具钢。,57,第二节冷作模具钢,高碳中铬钢的工艺特点：高碳中铬钢的加工工艺也包括锻造、等温球化退火、淬火回火。高碳中铬钢和Cr12型钢一样，有高温淬火和低温淬火两个淬火温度区间。淬火温度较低时，回火后无二次硬化现象；淬火温度较高时，回火后有二次硬化现象。其中，6Cr4W3Mo2VNb为基体钢，淬火态剩余碳化物很少，主要靠基体中过饱和元素在回火过程中弥散析出获得高硬度，所以只能采用高温淬火及高温回火，才能获得高硬度和高耐磨性。,58,第二节冷作模具钢,高速钢类冷模具钢典型钢种W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、W12Mo3Cr4V3N等。自20世纪70年代用于传统的冷作模具以来，现已成为重载冲头的主要材料。国内的许多冷挤压凸模都选用高速钢制作。,59,第二节冷作模具钢,高速钢类冷模具钢主要性能特点：含碳量0.7-0.9%，合金总量大于15%。具有高强度、高耐磨性，同时具有很高的回火稳定性和热硬性。其承载能力位于各种传统的冷作模具钢之首。主要缺陷：高速钢的价格昂贵，导热性差，韧性不足。,60,第二节冷作模具钢,高速钢类冷模具钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2经一般热处理后的主要缺点是韧性不足，所以作为冷作模具使用的高速钢应在工艺上或成分上适当调整。这种调整有两个方向，其一是高速钢的低温淬火；其二是应用低碳高速钢或基体钢。,61,第二节冷作模具钢,（1）高速钢的常规淬火和回火高速钢常规淬火的加热温度很高，W18Cr4V为1260-1280C，W6Mo5Cr4V2为1240-1250C，以保证碳化物充分溶解。淬火得到合金含量很高的马氏体钢组织，再经回火后可获得高的热硬性和耐磨性。由于加热温度高，为了减少热应力，必须在800-850C进行预热，待工件内外温度均匀后，再送入高温炉加热。淬火冷却可采用空冷、油冷或分级淬火。分级淬火一般在580-600C中性盐浴中进行。,62,第二节冷作模具钢,（1）高速钢的常规淬火和回火回火采用500-600C三次回火，每次1h，以获得最佳的二次硬化效果。回火组织为很细的回火马氏体和较多的粒状碳化物及少量的残余奥氏体。回火后的硬度为63-66HRC.,63,第二节冷作模具钢,（2）高速钢的低温淬火为了改善高速钢的韧性，可降低淬火温度。高速钢在较低温度加热淬火，未溶碳化物较多，因此基体中的碳及合金元素钨、钼、钒的含量都较少，于是回火析出的碳化物量也少，二次硬化的效应就减弱一些，与此相反冲击韧度值却上升了。,64,第二节冷作模具钢,（2）高速钢的低温淬火淬火加热温度:W18Cr4V为1150-1200C，W6Mo5Cr4V2为1180-1200C，淬火得到细小板条马氏体钢组织，提高韧性。再经150-250C低温回火后，硬度为58-64HRC。低温淬火和回火主要应用于受冲击载荷较大的冷作模具，如冷挤压模、冷镦模等。,65,第二节冷作模具钢,（2）低碳高速钢6W6Mo5Cr4V(6W6)是我国研制的一种低碳高速钢，在高速钢W6Mo5Cr4V2的基础上降碳降钒，碳量下降20以上，钒量下降约50。由于碳化物总量减少，不均匀性得到改善，保持高强度、高耐磨性的同时，提高了塑性、韧性。6W6钢锻造时也需按莱氏体钢的操作要求进行，控制流线方向。此钢种易退火软化。6W6Mo5Cr4V钢经1180-1200加热淬火，560580三次回火后硬度达62-63HRC。可以代替W18Cr4V制作冷挤压凸模。,66,第二节冷作模具钢,模具材料的选材依据：1.按模具大小考虑选材；2.按模具形状和受力考虑选材；3.按模具性能要求考虑选材；4.按模具压制产品的批量考虑选材；5.按模具用途考虑选材.,67,第二节冷作模具钢,新研制及引进的冷作模具钢基体钢：一般是指其成分相当于高速钢正常淬火组织中基体成分相同的钢，与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物少，颗粒细小，分布均匀，强韧性好，同时还保持较高的耐磨性和热硬性，不仅适用于冷作模具，也可用于热作模具。见书69。微变形钢：淬透性强，变形开裂小。引进钢种：D2、D7、A2、A7.,68,第三节热作模具钢,热作模具主要用于热变形加工和压力铸造的模具。其工作特点是在外力作用下，使加热的固体金属材料产生一定的塑性变形，或者使高温的液态金属铸造成形，从而获得各种所需形状的零件或精密毛坯。,69,第三节热作模具钢,根据加工形式，热作模具可分为热冲切模（切边模、热切料模）、热变形模（锤锻模、高速锤锻模、压力机锻模、热挤压模）和压铸模（铝合金压铸模、铜合金压铸模、黑色金属压铸模等）。,根据加工材料，热作模具可分为加工黑色金属的模具、加工有色金属的模具、塑料模具等。,一、热作模具的分类:,70,第三节热作模具钢,三、各类热作模具的工作条件和性能要求分锤锻模、高速锤锻模、压力机锻模、热挤压模、热冲切模和压铸模介绍。,71,第三节热作模具钢,1、锤锻模高温下通过冲击加压、强迫金属成形的工具。（1）工作条件承受很大的压应力和冲击载荷，且冲击频率很高；模具型腔表面受到炽热金属的不断加热，可使模具升温到300-400C，局部温度达到500-600C。锻完一个零件毛坯之后，必须用水或油冷却模具，从而对模具产生急冷急热的作用。坯料对模具型腔还产生强烈的摩擦。,72,第三节热作模具钢,1、锤锻模（2）失效形式锤锻模的主要失效形式氧化、磨损、断裂、产生热疲劳裂纹，形成龟裂；塑性变形造成型面塌陷。（3）性能要求较高强度和良好的韧性；良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；具有高的淬透性。,73,第三节热作模具钢,2、热挤压模（1）工作条件热挤压模主要承受压缩力和弯曲应力，脱模时还承受一定的拉应力，但冲击力不大。模具与炽热金属接触时间比锤锻模长，使其受热温度比锤锻模温度更高，尤其是挤压钢件和难熔金属时，工作温度高达600-800C。挤压过程中模具表面与坯料之间的摩擦较大。,74,第三节热作模具钢,2、热挤压模（2）失效形式热挤压模的主要失效形式是模腔过量塑性变形、开裂、冷热疲劳、热磨损及表面氧化腐蚀。（3）性能要求热挤压模的尺寸一般比锤锻模小。因此，对热挤压模的性能要求主要有：高的热稳定性；良好的冷热疲劳抗力和高耐磨性；较高的高温强度和足够的韧性。,75,第三节热作模具钢,3、热冲切模热冲切模由切边凹模和凸模组成。在切边时凸模无刃口，只起传力作用，由凹模切除飞边、连皮。（1）工作条件由于是切边凹模完成剪切过程，因而凹模刃口与毛坯相摩擦，同时受到一定的冲击载荷。此外，刃口还受热而升温。（2）主要失效形式：刃口磨损、崩刃、卷边等。,76,第三节热作模具钢,3、热冲切模（3）性能要求具有高的耐磨性，高的硬度及热硬性；为避免崩刃，应具有一定的强韧性；具有良好的工艺性。,77,第三节热作模具钢,4、压铸模是在高压下使液态金属压铸成型的一种模具。（1）工作条件压铸模工作时与高温的液态金属接触，不仅受热时间长，而且受热温度比热锻模高（压铸有色金属时的温度达400-800C以上，压铸黑色金属时的温度可达1000C），同时承受很高的压力，此外还受到反复加热和冷却的作用以及金属液流的高速冲刷。,78,第三节热作模具钢,4、压铸模（2）失效形式：疲劳开裂（龟裂）、气蚀、冲蚀磨损。低温合金的压铸以磨损失效为主。（3）性能要求较高的耐热性和良好的高温力学性能；优良的耐冷热疲劳性和高的导热性；良好的抗氧化性和耐蚀性；具有较高的淬透性。,79,第三节热作模具钢,热作模具总的性能要求：1)抗热性好；2)高的强度和良好的韧性；3)淬透性大；4)耐磨性好。其中，不同的模具又有各自突出的性能要求：1）锤锻模突出要求高韧性；2）高速锤锻模要求高的强韧性；3）压力机锻模和热挤压模要求有高的高温强度；4）热冲切模要求耐磨性和热硬性高；5）压铸模要求高的冷热疲劳抗力和热强性。,80,第三节热作模具钢,四、热作模具钢的特点：1）热作模具大多用合金工具钢制造，少数用高温合金和硬质合金。一般不用碳素工具钢（淬透性低、热疲劳抗力差、脆性大、易崩裂）。2）为了保证钢的韧性和热疲劳抗力，碳化物量不能太多，热作模具钢中的碳含量一般在0.3-0.6之间，属亚共析钢。3）热作模具钢中的常用合金元素为Cr、W、Mo、V、Ni、Si等元素，其中，Cr、Mn、Si、Mo可提高淬透性；W、Mo、V可增加抗热性和耐磨性，Cr、Mn、Si可获得好的抗氧化性。,81,第三节热作模具钢,五、热作模具钢的分类,82,第三节热作模具钢,热作模具钢的分类按照模具钢的工作温度及性能分：低耐热高韧性钢、中耐热韧性钢、高耐热性钢、特殊用途模具钢。,83,第三节热作模具钢,1、低耐热高韧性钢常用钢种有：5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi等。成分特点：碳含量在0.4-0.6之间，属亚共析钢或接近共析钢。合金元素主要有Cr、Ni、Mn、Si，其次为Mo、V。性能特点：淬透性高；有一定回火稳定性和高温强度，可在500-600C以下抗热使用，但相对其它热模钢，其耐热性较低；冲击韧度高、疲劳强度高，属高韧性钢。主要用于锤锻模。,84,第三节热作模具钢,1、低耐热高韧性钢下面比较不同牌号模具钢的性能特点：5CrNiMo和5CrMnMo：由于碳化物形成元素含量低，碳化物主要为M3C型，阻止奥氏体长大的能力较差，耐热性低，热稳定性较差，热强性不高。5CrNiMo相对有良好的韧性和淬透性，主要用于制造各种类型的大、中型锤锻模。5CrMnMo是考虑我国的资源状况，为了节约镍而研制的，相对来讲，5CrMnMo的韧性、淬透性、耐热疲劳性均比5CrNiMo差一点，主要用于制造各种类型的中小型锤锻模。,85,第三节热作模具钢,1、低耐热高韧性钢下面比较不同牌号模具钢的性能特点：5Cr2NiMoVSi在5CrNiMo的基础上添加了合金元素V、Si，适当增加了Cr的含量，与5CrNiMo钢相比，其高温强度、淬透性及热稳定性温度均得到了提高。600C以上高温强度比5CrNiMo高一倍。稳定性温度提高了150-170C。500mm500mm截面的锻模，其心部硬度较5CrNiMo高13HRC。主要用于制造大型重负荷锤锻模和较小压力机锻模。,86,第三节热作模具钢,1、低耐热高韧性钢下面比较不同牌号模具钢的性能特点：4CrMnSiMoV含有Mo、V，提高了抗回火能力和高温硬度。具有较高的强度、耐磨性和冲击韧度，其高温性能、热疲劳抗力和淬透性均优于5CrNiMo钢。可用于制造压力机锻模生产汽车用连杆、前梁和齿轮。,87,第三节热作模具钢,下面通过5CrNiMo介绍该类型模具钢的加工工艺。5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730C；AC3为780C；Ms为230C。锻造工艺：锻坯加热温度为1100-1150C，始锻温度为1050-1100C，终锻温度为800-880C，砂冷或坑冷。交替进行拔长和镦粗2-3次以上。,退火工艺：采用完全退火或等温退火，退火工艺曲线如图所示。退火组织为片状或粒状珠光体+少量碳化物（主要为（Fe,M)3C，也有少量M23C6,M6C,MC).,88,第三节热作模具钢,5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730C；AC3为780C；Ms为230C。,89,第三节热作模具钢,5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730C；AC3为780C；Ms为230C。,90,第三节热作模具钢,5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730C；AC3为780C；Ms为230C。,淬火和回火工艺淬火预热温度为600-650C，加热温度为800-860C，油淬。回火工艺见表，由表中可见锻模燕尾部分与模体部需以不同温度回火，才能保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效。淬火组织为马氏体，硬度为52-60HRC，回火组织为回火马氏体，硬度为34-48HRC。,91,第三节热作模具钢,5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730C；AC3为780C；Ms为230C。,92,第三节热作模具钢,5CrNiMo钢的临界温度：AC1为730C；AC3为780C；Ms为230C。,93,第三节热作模具钢,2、中耐热韧性钢主要为5%铬的铬型热作模具钢。含有较多的Cr、Mo、V等碳化物形成元素，中等耐热性，可在650C使用。我国从60年代开始引进开发。钢种有：4Cr5MoSiV(H11),4Cr5W2SiV（H12）,4Cr5MoSiV1（H13）,4Cr4MoWSiV等。成分特点：碳含量在0.3-0.4之间,合金元素主要有Cr（5%)、Mo、W、V等碳化物元素。Cr、Mo提高钢的淬透性，V提高抗过热敏感性。,94,第三节热作模具钢,2、中耐热韧性钢性能特点：淬透性高，100mm工件可空冷淬透（空冷硬化钢）。中等耐热性，工作温度为600-650C。与5CrNiMo相比，韧性大致相当，而硬度、热硬性、耐磨性提高，综合性能好。在所有热作模具钢中，这类钢具有最高的疲劳强度。主要用于热挤压模（包括压力机锻模、高速锻模）和压铸模。,95,第三节热作模具钢,2、中耐热韧性钢组织及工艺特点：（1）退火工艺及组织该钢种退火温度为1000-1070C，退火组织为珠光体+未溶碳化物（6%-12%），主要为M23C6Cr23C6）和M6C（Fe3Mo3C）。Mo影响M6C型碳化物含量，对耐热性有影响。V影响MC型碳化物含量，对耐磨性有影响。退火后硬度为207-229HBS，切削加工性能好。,96,第三节热作模具钢,2、中耐热韧性钢（2）淬火回火工艺及组织：淬火温度为1010-1060C，淬火后硬度为50-59HRC。由于Cr含量高，该钢种淬透性高，可采用空冷淬火。尺寸大于100mm的模具可采用油冷淬火。淬火组织为细晶马氏体+过剩碳化物（MoC、VC）+残余奥氏体。回火温度根据硬度要求而定，在540-650C之间。硬度要求高，回火温度需低一些；硬度要求低，韧性要求高，回火温度可高一些。5%Cr热作模具钢通常的使用硬度为44-50HRC。在剧烈冲击和重负载荷下可采用40-44HRC。,97,第三节热作模具钢,2、中耐热韧性钢典型钢种的性能特点及应用：4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1有较高的韧性和塑性，4Cr5W2SiV和4Cr4MoWSiV有较高的强度和硬度。4Cr5MoSiV1比4Cr5W2SiV的耐热性好，4Cr4MoWSiV耐热性最好。中耐热韧性钢主要用于热变形用模具（压力机锻模、高速锻模）和压铸模。4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1韧性好，适用于高速锤锻模，4Cr4MoWSiV强度硬度高，适用于塑性变形抗力大的热变形模、高速锤锻模以及压铸模。,98,第三节热作模具钢,3、高耐热韧性钢典型钢种主要有：3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V，5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V。成分特点：碳含量在0.3-0.5之间，合金元素含量在8%-10%，属共析钢或过共析钢。主要有Cr、Ni、Mn、Si，其次为Mo、V。性能特点：耐热性好，即有较高的高温强度和高温硬度，可在600-700C高温下使用。具有高耐磨性。但塑性韧性、抗冷热疲劳性能显著低于5%Cr的热模钢。淬透性好，小于150mm的模具空冷也能淬透，硬度高达55-62HRC，具有强烈的二次硬化、抗回火软化能力强、抗疲劳性好。,99,第三节热作模具钢,3、高耐热韧性钢组织及工艺特点：（1）退火工艺及组织该钢种退火温度为840-880C，退火组织为细颗粒珠光体+少量一次共晶碳化物。碳化物总的质量分数为10%-13%，主要为M6C型。含V高时，主要为MC型碳化物。退火硬度为207-255HBS，切削加工性稍差。,100,第三节热作模具钢,3、高耐热韧性钢组织及工艺特点：（2）淬火回火工艺及组织：淬火温度为1050-1140C，油淬后硬度为53-62HRC。该钢种淬透性高，可采用分级淬火。淬火组织为细晶马氏体+未熔碳化物（MoC、VC）+残余奥氏体。高耐热钢均为二次硬化钢，二次硬化最佳温度为500-560C。所以回火温度一般为560-630C，硬度达到48-56HRC。回火组织为回火马氏体、回火索氏体或回火托氏体。为了提高韧性，可采用二次回火。,101,第三节热作模具钢,3、高耐热韧性钢3Cr2W8V的性能特点：3Cr2W8V用于热作模具已有70年历史，至今仍广泛使用，是我国产量最大的模具钢之一。用于压铸模、热挤压模、精锻模、有色金属成型模等。钢中的碳和合金元素Cr、W、V的含量正好是高速钢W18Cr4V的一半，故称“半高速钢”。高的W、V提高钢的热稳定性和耐磨性；较低的含碳量可保证一定的热疲劳抗力及塑性和韧性；Cr增加了钢的淬透性，80mm以下可以淬透。因大量合金元素的作用，合金的共析点左移，属过共析钢，组织为莱氏体，韧性较差。,102,第三节热作模具钢,3Cr2W8V的性能特点：因为低碳，3Cr2W8V钢锻造性能较好。锻后进行球化退火。一般3Cr2W8V模具的淬火加热温度应在1050-1100范围内选取，以保证回火后塑性、韧性无明显降低。3Cr2W8V钢模具的回火温度可依照具体情况在560-630之间选择。因为大量钨和钒的作用，3Cr2W8V在回火时有明显的二次硬化效应，回火硬度的峰值在550左右出现。回火温度升至600以后，硬度很快下降。3Cr2W8V钢在使用温度不超过650时。在650以上使用时，钢的强度硬度迅速下降，导致模具软化变形。此外，3Cr2W8V钢高温时的塑性、冲击韧度和热疲劳抗力也比较低。,103,第三节热作模具钢,3、高耐热韧性钢典型钢种的性能比较及应用：4Cr3Mo3W2V和3Cr2W8V的韧性、塑性较好，而强度、硬度偏低；5Cr4Mo2W2VSi，5Cr4W5Mo2V为基体钢，具有高速钢的高强度及低合金工具钢的韧性，相对于前两种钢，强度、硬度较高，而塑性、韧性偏低。这两种钢的回火抗力均高于3Cr2W8V，可在700C高温下工作。这类钢适用于耐热性、耐磨性要求较高而韧性要求较低、形状不太复杂的模具，如压力机镦锻模、挤压机以及压铸模等。,104,第三节热作模具钢,4、特殊用途热作模具钢(1)超高强度钢有40CrMo、40CrNi2Mo、30CrNiMnSiA等。性能特点：有很高的抗拉强度和足够的塑性、韧性。成分特点：中、低含碳量，低合金量（小于5%），主要靠特殊的冶炼工艺及后续热处理（回火时效、形变热处理、晶粒超细化处理）获得高强性和高韧性。应用：主要用于工作温度低于450C，需要高强度和高韧性的模具零件。如热挤压用挤压筒、压力机锻模用模座、高速锤锻用模套、压板、顶杆。,105,第三节热作模具钢,4、特殊用途热作模具钢(2)马氏体时效钢有18Ni（250）成分：Ni18,Co7.75,Mo5.0,Ti0.4,Al0.1。18Ni（300）,18Ni（350）。成分特点：超低碳量（小于0.03%)，高含镍量（Ni大于10%），以及一定量的Co、Mo、Ti、Al。固溶处理后组织为Fe-Ni板条马氏体，有很高的位错密度和小孪晶。,106,第三节热作模具钢,4、特殊用途热作模具钢(2)马氏体时效钢性能特点：固溶时效处理后，具有超高硬度和良好的塑性、韧性，硬度高、耐磨性好，断裂韧度也高。同时，具有高的抗热性能、抗高温疲劳