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模具材料及热处理模具材料及热处理1金属组织1.1金属具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。1.2合金由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。1.3固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。1.4固溶强化由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。1.5化合物合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。1.6机械混合物由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。2金属硬度2.1硬度金属的硬度，是指金属表面局部体积内抵抗外物压入而引起的塑性变形的抗力，硬度越高表明金属抵抗塑性变形的能力越强，金属产生塑性变形越困难。硬度试验方法简单易行，又无损于零件。实际常使用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。三种硬度试验值有大致的换算关系，见表一。布氏硬度HB：布氏硬度是用载荷为P的力把直接D的钢球压入金属表面，并保持一定的时间，测量金属表面上的压痕直径d，据此计算出的压痕面积AB，求出每单位面积所受力，用作金属的硬度值，叫布氏硬度，记作HB。布氏硬度的使用上限是HB450，适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。2.1.1洛氏硬度HRA、HRC：洛氏硬度是工业生产中最常用的硬度测量的方法，因为操作简便、迅速，可以直接读出硬度值，不损伤工件表面，可测量的硬度范围较宽。但洛氏硬度也有一些缺点，如因压痕小，对材料有偏析及组织不均匀的情况，测量结果分离度大，再现性较差。洛氏硬度(HR)也是用压痕的方式试验硬度。它是用测量凹陷深度来表示硬度值。洛氏硬度试验用的压头分硬质和软质两种。硬质压头为顶角为120o的金刚石圆锥体，使用于淬火钢等硬的材料。HRA硬度有效范围是70，适用于硬质合金、表面淬火层及渗碳层;HRC硬度有效范围是20-68(相当于HB230-700,HB450-700超出了布氏硬度的使用上限)，适用于淬火钢及调质钢。2.1.2洛氏硬度HRB洛氏硬度HRB的测量采用直径1.588mm(1/16)的钢球，适用于退火钢、有色金属等，硬度有效范围是25-100（相当于HB60-230)。2.1.3维氏硬度HV维氏硬度也是利用压痕面积上单位应力作为硬度值计量。维氏硬度所使用的压头是锥面夹角为136o的金刚石四方锥体。试验时，在载荷P的作用下，在试样试验面上压出一个正方形压痕。测量压痕两对角线的平均长度d，借以计算压痕面积AV，以P/AV的数值表示试样的硬度，以HV表示。维氏硬度的优缺点：维氏硬度有一个连续一致的标度；试验负荷可任意选择，所得的硬度值相同。试验时加载的压力小，压入深度浅，对工件损伤小。特别适用于测量零件的表面淬硬层及经过表面化学处理的硬度，精度比布氏、洛氏硬度精确。但是维氏硬度的试验操作较麻烦，一般在生产上很少使用，多用于实验室及科研方面。3金属材料机械性能（或称为力学性能）金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、弹性、刚度、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。 3.1强度强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指针。 3.2塑性塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。3.3疲劳前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。 冲击韧性以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 3.4弹性金属材料在外力作用下产生不永久变形的能力称为弹性。3.5刚度刚度是指金属材料抵抗弹性变形的能力。在工程应用中绝大多数零件都在弹性状态下工作，工作过程中不允许有过多的弹性变形。因此，对材料的刚度都有一定的要求。4 钢的分类钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。钢是经济建设中极为重要的金属材料。按化学成分，分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类：4.1按用途分类按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。4.1.1结构钢用作各种机器零件的钢，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。用作工程结构的钢，包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。4.1.2工具钢用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。4.1.3特殊性能钢是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。4.2按化学成分分类按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。4.2.1碳素钢按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%）；中碳钢（0.25%含碳量0.6%）；高碳钢（含碳量0.6%）。合金钢按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量5%）；中合金钢（合金元素总含量5%-10%）；高合金钢（合金元素总含量10%）。此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。4.3按质量分类按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量0.045%、含硫量0.055%；或磷、硫含量均0.050%）；优质钢（磷、硫含量均0.040%）；高级优质钢（含磷量0.035%、含硫量0.030%）。4.4按冶炼炉的种类将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉），空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电炉钢。4.5按冶炼时脱氧程度将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。5.模具零件及其材料模具由模架和模芯及相关配件组成，模架和配件由专业的厂家按常用的系列规格做好供选择，模具工厂一般只做模芯加工和装配。模具的各种不同主要是在模芯，针对不同形状的产品，模具设计人员把模芯设计成各种形式，如：点进料、直进料、潜进料、滑块、抽芯、直顶出、推板顶出、二次顶出、热流道、气体辅助等，其目的是为了能按产品设计要求成型和方便完整地脱出模具，同时也要考虑到模芯在加工时的易加工性及模具使用的寿命。模具各部分用的钢材各有不同，模架一般用中碳钢45#或50#，配件用高碳钢加热处理，模芯的钢材用成分较复杂的合金钢，有预硬钢和热处理钢及镜面钢等，其不同的国家用的牌号各不相同，如：NAK80、718、SKD61（日本）P20、H13、（美国）2344、2738（德国）S136、8407（瑞士）等。现在通常说模具质量的好坏，主要区别在模芯的加工精密程度和模具的反复使用寿命，这又很大程度上依靠精密的加工设备和合理的模具结构设计，当然模具的制造周期也是一个很重要的考虑因素，模具制造的周期因模芯的复杂性由30天到90天不等（在中国），欧洲有的要120天到180天。德国在模具上现有的优势在设备精密、钢材的优良，不足是劳动力成本高，制造周期长，中国的优势在劳动力成本低，制造周期短，不足是设备不够精良，加工精密度相对较低。5.1模具标准件材料模具标准件材料主要有SKD61、SKD61-F、CH13、SKS3、SKH51、FDAC、SUJ2（以上均为日本JIS标准）5.2模具成型件材料NAK80、718、SKD61（日本）P20、H13、（美国）2344、2738（德国）S136、8407（瑞士）等。6国内外模具钢材生产情况国产冷作模具钢类别牌号 中国 美国 日本 瑞典 德国 用途 冷作模具钢 T7A-T12AW1-7 W1-1.2CSK7-SK2C70W1 C125W 形状简单小型工模具，可选用此材，可保证高强度，耐磨性，足够的韧性及耐用性。 GCr15 E52100 SUJ2 SKF3 100cr6 60si2Mn SUP6 60si7 16Mn 电机轴 CrWMn SKS31 105WCr6 下料模、冲头、成形模、搓丝板顶出杆及小型塑料压模等。 Cr12 D3 SKD1 X210Cr12 应用于小动载条件下要求高耐磨形状简单的拉伸和冲载模。 Cr12MoV X165CrMov12 下料模、冲头、滚丝轮、剪刀片、冷镦模、陶土模及热固塑料成形模等。 Cr12Mo1V1D2SKD11 XW-42 X155CrVMo121 重型落料模、冷挤压模、深拉伸模、滚丝模、剪刀片、冷镦模、陶土模等。 国产热作模具钢类别牌号 中国 美国 日本 瑞典 德国 用途 热作模具钢 5CrMnMo 用于制造形状简单，厚度小于250毫米的小型锤锻模。 5CrNiMo L6 用于制造商形状简单，工作温度一般，厚度在250350毫米之间的中型热锤锻模块。 5CrNiMoV SKT4 56CrNiMoV7 用于制造厚度350毫米，型腔复杂，受力载荷较大的大型锤锻模或锻造压力机热锻模。 4Cr5MoSiV1 H13 SKD61 8407 X40CrMoV51 用于制造冲击载荷较大，型腔复杂的长寿命锤锻模或锻造压力机用模具或镶块；以及铝合金挤压模，铝镁锌等金属长寿命压铸模具，部分高寿命高耐磨塑料模具。 5Cr2NiMovSi 用于锻锤模具钢具有良好的韧性，强度和耐磨性，淬透性，适用于制作工作。大面积复杂形状，承受冲击负荷重的大、中型，锤锻模用材，5CrNiMo。5CrMnMo、H13等热模钢1.5倍2.5倍。 55NiCrMoV6 2713钢 45Cr2NiMoVSi 6.2部分进口钢材介绍：HITACHI钢材YSS日立金属所出产之安来钢YSS，是同精选之高纯度的“真砂铁矿砂”通过自创的“低温还原法”精练，成功创出YSS海棉铁作为原铁，令钢中杂质含量减到极少。并使用高质电熔炉及精密仪器提练，所有练制步骤（如热作、冷作、热处理）均经严格控制。高质量之水平可在钢材身上反映出来。我们并能为顾客生产特别要求之钢材，我们之品质保证系统及技术支援服务使YSS钢材在世界不同市场上赢取到极高之信誉。各项同性我们称这新技术研究成果为“各向同性”钢材。“各向同性”工具钢和可塑性钢之名称是因其能减少纵向锻炼间之机械性能差异，使其质量更普通钢材。其所制造之产品，均能达到更稳定之机械特性及更长之使用寿命。故此，这种新钢材已得到曾经使用过之客户极高评价。HPM7新型预硬P20塑料模钢 出厂硬度 特 征 用 途 预硬处理HB300-330 切削性、焊接性优越钢材；洁净度高，具有良好的镜面精加工性能；严格挑选化学成分，经新技术特别提炼后，能提高钢材本质延伸性、韧性、及溶接性、不易爆裂；大尺寸模具中心部位也同样有相对硬度。 因设计变硬，而需要焊接频繁模具；汽车部件如尾灯、表盘；家电如电视机体、空调机壳和电话等；其它：大型日用品、胶卷、容器、导管等。 HPM50卓越表面质量P21塑料模具钢出厂硬度 特 征 用 途 预硬处理HBC36-41 最适用于镜面抛光加工的预硬化钢；放电加工特性佳：经处理后的表面非常好，可取代蚀花加工、在进行放电（电火花）加工后，表面硬度不会增加，可简化其后的加工工序；组织均匀，最适用于精密蚀花加工；焊接性佳，表面不会硬化；韧性优良，机械特性卓越。 镜面抛光模具：防尘盖、电视机滤光板、化妆品盒、家电等；精密皱纹加工模具：办公室自动化设备、汽车零件等。 HPM38高优质镜面塑料模具钢(420 ESR)出厂硬度 特 征 用 途 预硬处理HB300-330 镜面抛光特性极佳；耐腐蚀性优良的电渣重熔13铬钼不锈钢，不需镀铬；热处理变形极少，是精密模具最佳选择；防锈性高，不需担心模具保管问题；热处理硬度可达HRC50-56。 适用于透明、热固和耐热树脂用模具：如化妆品盒、雷射碟片、卡式录音带盒、各种镜片、医疗设备、家电、食品容器等。 DAC特种热压合金模钢(SKD 61)出厂硬度 特 征 用 途 处理退火至约HB185 用途广泛的通用热加工用工具钢。 可抵受溶铝、镁、锌之腐蚀作用及热度之急剧变动。适宜制造铝、镁、锌合金压铸模热或热冲铸工作及热铰刀、轧刀、铰刀、切槽刀、剪刀及热锻冲头等。 SLD高耐磨冷作工具铬钢(SLD 11)出厂硬度 特 征 用 途 软性退火至约HB210 高耐磨性的通用冷作模具钢；淬火性佳，热处理变形少。 此钢易于车削，并宜制锋利刀口、剪刀、圆锯、冷或热作修整模、滚筒边、螺丝纹、线模、铣刀、冲唧模。圆形滚筒，制电力变压器心衡模、切割钢皮轧刀、钢管成型滚筒、特殊成型滚筒、精密规、形状繁杂的冷压工具、心轴、冶金、锡作模、塑料模、螺钉头模等。 SGT不变形耐磨油钢(SKS 3)出厂硬度 特 征 用 途 软性退火至约HB190 切削性优异的通用冷模。注意大型加工品的淬火唧钢丝电火花加工。 此钢热处理后，具有不变形之特性，适宜制造精密工具、精密仪器、精密测定工具，并宜制造铰刀、铣刀、滚筒，冷作拉线模、样板样模、冲孔器、冷作切器、剪刀、木用工具、螺丝模、手盘、各种冲模等。 ACD37冷加工用工具钢出厂硬度 特 征 用 途 软性退火至约HB190-220 气冷、真空淬火钢。改善了SGT的淬火性及钢丝电火花加工件。 此钢热处理后，变形度极低，适宜制造高精密工具、仪器、摩打、各种刀具、板金用模、样板等。 CENAI抗腐蚀性及易切削性塑料模具钢(P21)出厂硬度 特 征 用 途 预硬处理HRC40 解决了模具腐蚀问题；预硬度高达40HRC的易切削性模具钢；具有极优良抛光，蚀纹及放电加工特性。 重视镜面，蚀纹加工性、放电加工性的模具钢、办公室自动化电器用品、通信机器用品、家庭电器用品、汽车用品、化妆品盒、重视长寿命的泛用模具钢、食品容器、橡胶模具。 FDAC快削预硬压铸合金模钢(SLD 61)出厂硬度 特 征 用 途 预硬处理HRC38-42 出厂硬度高达HRC40，在加工模后且不用热处理可直接生产，增加含硫量令切削性更佳。 塑料模插压销，特别交货期极短的压铸零件模具。 一胜百钢材一胜百之瑞典工厂生产的钢材以其质量享誉全球，718模具钢几乎成了塑料模具最常用的型腔材料，最新生产的HOTVAR热作钢在HRC54-56时能适合在650摄氏度工作。钢材编号 标准 出厂硬度 钢材特性 主要成份 一般用途 C Cr Ni W Mo V Mn Si S 718 P20改良型 HB190-330 预加硬纯洁均匀，含Ni约1.0% 0.38 2.0 1.0 - 0.2 - 1.4 0.3 - 高抛光度及高要求内模件，适合PA、POM、PS、PE、PP、ABS塑料 718H S136 420ESR HB215 高纯度，高镜面度，抛光性能好、抗锈防酸能力极佳，热处理变形少 0.38 13.6 - - - 0.3 0.5 0.8 - 镜面模及防酸性高，可保证冷却管道不受锈蚀，适合PVC、PP、EP、PC、PMMA塑料，食品工业机械构件 S136H HRC31-35 618 P20改良型 HB280-320 真空除气制炼之合金钢，纯度高，金相结构均匀，抛光容易 0.38 1.9 - - 0.15 - 1.5 0.3 - 有好的机械强度和可机加工性预硬钢，用于冷作钢支承板与支撑物，塑料模架以及要求不高的型腔和型芯。 8407 H13改良型 HB180 性能优越的热作钢。优秀的韧性和抗龟裂 0.38 5.3 - - 1.3 0.9 0.4 1.0 - 适宜作压铸模和其他热作模具。另外，是多用途的有很好的抗磨损性，可抛光