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模具钢基础知识 一、基本分类1.钢材种类极杂且多，其中模具用钢材分三类：a.塑料模具钢：高抛光度b.热作工具钢：高强度、耐高温c. 冷作工具钢：耐高压、耐磨损mdash;mdash;lsquo;高速工具钢rsquo;为其一分支2.常见牌号标志：a.jismdash;mdash;日本工业规格b.astmmdash;mdash;美国材料试验协会规格c.aisimdash;mdash;美国钢铁协会规格d.dinmdash;mdash;德国国家规格二、使用惯例1.p20，最常用的塑料钢2.pds5，类似p20，但比p20难加工，缺点是温度较高易硬化3.pds1，不等于s45c，不是型腔用，使用在模架，以降低成本4.若要求耐用性，则模架材料s50c或s55c，国内常见克难办法为s45c锻打，硬度更高，耐磨性比s50c更好注：曾有人表示s45c锻打优于s50c的耐磨性，事实上,该s50c恐有伪劣产品之嫌5.型腔钢材对硬度要求高于p20时，可选用nak80，利于耐用6.选择倾向：a.塑胶钢：即用在塑胶射出成模，再区分镜面抛光、耐蚀性等要求b.冷作钢：用在导柱套标准零件，也用在精密五金模或耐磨的塑胶模或冷冲模c.热作钢：铝或锌合金压铸模7.塑料钢许多都是预硬型，以免热处理变形8.各类钢材成份倾向：中碳：含c量0.3mdash;0.8a.塑料钢：中碳或低碳少量镍铬系（1mdash;10）或中量接近sus420不锈钢铬系（gt;10）耐腐蚀b.热作钢：中c，少量crc.冷作钢：高c注：高速钢：高c，少量钨钼钒系（甚至加钴）。加少量铬可增加强度。9.大类区分解说：a.冷作钢：此类钢种在常温下使用，由于硬度高与耐磨要求，含碳量属于高碳钢（cgt;0.8）,甚至加入少量多钨钼钒元素，表助于提高耐磨性，另外，高硬度须防范发脆，故添加铬（约4mdash;12）以提高韧性和强度，也常辅之以锰元素b.热作钢：此类钢种主要要求在于500mdash;850左右较高温度的使用环境，故而耐高温的钨钼钒系元素与冷作钢相当，因其耐磨性非主要要求，是以含碳量仅属于中碳钢（0.3mdash;0.8），且其进而对韧性的影响减少，故含铬量略下降（约3mdash;5.2）c.塑料钢：模腔表面的耐磨蚀为其主要要求，故属于低碳钢（clt;0.3）以减少其氧化倾向，并添加中量铬或少量镍铬元素以提高其耐腐蚀性能三 .模具钢的选择1.成形方法:可从两种基本材料类型中选择：a.热加工工具钢，它能承受模铸、锻造和挤压时的相对高的温度。b.冷加工工具钢，它用于下料和剪切、冷成形、冷挤压、冷锻和粉末加压成形。一些塑料会产生腐蚀性副产品，例如pvc塑料。长时间的停工引起的冷凝、腐蚀性气体、酸、冷却加热、水或储存条件等因素也会产生腐蚀。在这些情况下，推荐使用不锈钢材料的模具钢。2.模具尺寸：大尺寸模具常常使用预硬钢，整体淬硬钢常常用于小尺寸模具。3.模具使用次数：长期使用(gt;1000000次)的模具应使用高硬度钢，其硬度为48mdash;65hrc。中等长时间使用(100000mdash;1 000000次)的模具应使用预硬钢，其硬度为30一45hrc。短时间使用(lt;1 00000次)的模具应使用软钢，其硬度为160mdash;2 50 hrc。4.表面粗糙度：许多塑料模具制造商对好的表面粗糙度感兴趣；当添加硫改善金属切削性能时，表面质量会因此下降，硫含量高的钢也变得更脆。crl2 性能：高碳、高铬类型莱氏体钢，具有较好的淬透性和良好的耐磨性。由于钢中碳质量分数最高可达2.30，从而钢变得硬而脆，所以冲南韧性较差，几乎不能承受较大的冲击荷载，易脆裂，而且易形成不均匀的共晶碳化物。用途：用于制造受冲击荷载较小，且要求高耐磨性的冷冲模和冲头，剪切硬且薄的金属的冷切剪刃、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉延模和螺丝滚模等。生产品种：热轧材、冷拉材、锻材、热轧钢板、冷拉钢丝。crl2mo1v1性能：高碳、高铬类型莱氏体钢，无特殊要求时钻不作为必加元素。由于钼和钒的含量比crl2mov高，故钢的组织和晶粒度进一步细化，提高了钢的淬透性、强度和韧性，使钢的综合性能更好。用途：用于制造要求高耐磨性的大型复杂冷作模具，如冷切剪刀、切边模、拉丝模、搓丝板、螺纹滚模、滚边模和要求高耐磨的冷冲模和冲头等。生产品种：热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。crl2mov性能：高碳、高铬类型莱氏体钢，具有良好的淬透性，截面尺寸在400mm以下可以完全淬透，且具有很高的耐磨性，淬火时体积变化小。其碳含量比crl2钢低很多，且加入了钼、钒，因此，钢的热加工性能、冲击韧性和碳化物分布都得到了明显改善。用途：用于制造断面较大、形状复杂、耐磨性要求高、承受较大冲击负荷的冷作模具，如冷切剪刀、切边模、滚边模、量规、拉丝模、搓丝板、螺纹滚模、形状复杂的冲孔凹模、钢板深拉伸模，以及要求高耐磨的冷冲模和冲头等。生产品种：热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。cr5molv性能：合金含量中等，由于含有钼和钒，所以钢的淬透性良好，碳化物分布均匀，具有一定的冲击韧性和较好的耐磨性。用途：用于制造定型模、钻套、冷冲模、冲头、切边模、螺纹滚模、搓丝板和量规等。生产品种：热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。9mn2v性能：综合力学性能比碳素工具我钢，具有较高的硬度和耐磨性，淬透性很好，淬火时变形较小。由于钢中含有一定量的钒，细化了晶粒，减小了过热敏感性。碳化物不均匀性比crwmn钢好。用途：用于制造各种精密量具、样板，以及一般要求的尺寸较小的冲模、冷压模、雕刻模、料模、剪刀、丝锥、板牙和铰刀等。生产品种：热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。根据需方要求可供应中小规格的模块。crwmn性能：具有较高的淬透性，由于加入1.201.60（质量分数）钨，形成碳化物，所以在淬火和低温回火后具有一定的硬度和耐磨性。钨有助于保持细小晶粒，从而使钢具有较好的韧性，该钢对形成网状碳物比较敏感，而且这种碳公物网使工具刃部有剥落的危险。用途：使用较为广泛的冷作模具钢。用于制造量具，如板牙、块规、样柱和样套，以及形状复杂的高精度冲模等。生产品种：热轧材、锻材、冷拉材、冷拉钢丝、银亮钢丝、热轧钢板、冷轧钢板。9crwmn性能：低合金冷作模具钢，具有一定的淬透性和耐磨性，淬火变形较小，碳化物分布均匀且颗粒细小。用途：用于制造截面不大的，而形状较复杂的冷冲模，以及量规、样板等量具。生产品种：热轧材、锻材、冷拉材、冷拉钢丝、冷轧钢板。cr4w2mov性能：新中型合金冷作模具钢，性能较稳定，与高合金冷作模具钢crl2、crl2mov相比，用其制成的模具使用寿命明显提高。该钢的共晶碳化物颗粒细小，分布均匀，具有较高的淬透性和淬硬性，以及较好的耐磨性和尺寸稳定性。但钢的热加工温度范围较窄，变形抗力较大。用途：用于制造各种冲模、冷镦模、落料模、拉延模、冷挤压凹模和搓丝板等。生产品种：热轧材、锻材。根据需方要求可供应小规格模块。6cr4w3mo2vnb性能：高韧性冷作模具钢，其化学成分接近高速工具钢的基体成分，属于一种基体钢。因此，它具有高速工具钢的高硬度和高强度。又因该钢没有过剩的碳化物，所以具有较高的韧性和疲劳强度。该钢含有0.200.35（质量分数）的铌，使晶粒细化，并提高晶粒精化温度，从而提高了钢的韧性，改善了其工艺性能。用途：用于制造冷挤压模具、冷镦模、螺钉冲头、冷冲模、拉延模和搓丝板等。生产品种：热轧材、锻材。根据需方求可供应部分扁钢或其他条钢。6w6mo5cr4v性能：低碳高速工具钢类型的冷作模具钢，其淬透性好，并具有类似高速工具钢的高硬度、高耐磨性、高强度等综合性能，还具有比高速工具钢韧性好的特性。用该钢制造的冷挤压模寿命较长。因钢中钼含量较高，其热加工温度范围稍窄，变形抗力较大。此钢易脱碳。用途：用于制造冷挤压凹模和上下冲头等。生产品种：热轧材、锻材。根据需方要求可供应中小规格模块。冷作模具钢与热作模具钢成分区别一、冷作模具钢 冷作模具钢包括制造冲截用的模具（落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀）、冷镦模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等 1.冷作模具钢的工作条件及性能要求 冷作模具钢在工作时由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此，冷作模具的正常报废原因一般是磨损也有因断裂、崩力和变形超差而提前失效的。 冷作模具钢与刃具钢相比有许多共同点。要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性，以保证冲压过程的顺利进行、其不同之处在于模具形状及加I工艺复杂而且摩擦面积大磨损可能性大所以修磨起来困难。因此要求具有更高的耐磨化模具工作时承受冲压力大又由于形状复杂易于产生应力集中，所以要求具有较高的韧性；模具尺寸大、形状复杂所以要求较高的淬透性、较小的变形及开裂倾向性。总之，冷作模具钢在淬透性、耐磨性与韧性等方面的要求要较刃具钢高一些而在红硬性方面却要求较低或基本上没要求（因为是冷态成形），所以也相应形成了一些适于做冷作模具用的钢种，例如，发展了高耐磨、微变形冷作模具用钢及高韧性冷作模具用钢等。下面结合有关钢种选用进一步说明。 2.钢种选择 通常接冷作模具的使用条件，可以将钢种选择分为以下四种情况： （1）尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具。例如小冲头，剪落钢板的剪刀等可选用T7A、T8A、T10A、T12A等碳素工具钢制造。这类钢的优点是；可加工性好、价格便宜、来源容易。但其缺点是：淬透性低、耐磨性差、淬火变形大。因此，只适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的工具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷像模等。 （2）尺寸大、形状复杂、轻负荷的冷作模具。常用的钢种有9SiCr、CrWMn、GCr15及9Mn2V等低合金刃具钢。这些钢在油中的淬透直径大体上可达40mm以上。其中9Mn2V钢是我国近年来发展的一种不含Cr的冷作模具用钢可代替或部分代替含Cr的钢。 9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向性比CrWMn钢小、脱碳倾向性比9SiCr钢小，而淬透性比碳素工具钢大其价格只比后者高约30因此是一个值得推广使用的钢种。但9Mn2V钢也存在一些缺点如冲击韧性不高，在生产使用中发现有碎裂现象另外回火稳定性较差，回火温度一般不超过180在200回火时抗弯强度及韧性开始出现低值。 9Mn2V钢可在硝盐、热油等冷却能力较为缓和的淬火介质中淬火。对于一些变形要求严格而硬度要求又不很高的模具，可采用奥氏体等温淬火。 （3）尺寸大、形状复杂重负荷的冷作模具。须采用中合金或高合金钢如Cr12Mo、 Crl2MoV、 Cr6WV、Cr4W2MoV等，另外也有选用高速钢的。 近年来用高速钢做冷作模具的倾向巴日趋增大、但应指出，此时已不再是利用高速钢所特有的红硬性长处而用它的高淬透性和高耐磨性。为此在热处理工艺上也应有所区别。 选用高速钢做冷模具时应采用低温淬火以提高韧性。例如W18Cr4V钢做刃具时常用的淬火温度为1280-1290。而做冷作模具时，则应采用1190的低温淬火。又如W6Mo5Cr4V2钢采用低温淬火后可使寿命大大提高、特别是显著减少了折损率。 （4）受冲击负荷且刀间单薄的冷作模具。如上所述前三类冷作模具用钢的使用性能要求均以高耐磨性为主为此均采用高碳过共析钢乃至荣氏体钢。而对有的冷作模具加切边楼、冲裁模等其对口单薄使用时又受冲击负荷作用则应以要求高的冲击韧性为主。为了解决这一矛盾可采取以下措施降低合碳量采用亚共折钢以避免由于一次及二次碳化物而引起钢的韧性下降；加入Si、Cr等合金元素以提高钢的回火稳定性和回火温度（240一270回火）这样有利于充分消除淬火应力使叽提高而又不致降低硬度；加入W等形成难熔碳化物的元素以细化晶粒、提高韧性。常用的高韧性冷作模具用钢有6SiCr、4CrW2Si；、5CrW2Si等。 3.充分发挥冷作模具钢性能潜力的途径 在用Cr12型钢或高速钢做冷作模具时，一个很突出的问题是钢的脆性大使用中易开裂。为此，必须用充分锻打的方法细化碳化物除此之外应发展新钢种。发展新钢种的着眼点，应是降低钢的含碳量及碳化物形成元素的数量。近年来国内研制并推广以下几种新钢种、如表4.11所示。Cr4W2MoV钢具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等优点并具有较好的回火稳定性及综合力学性能用干制造硅钢片冲模等可使寿命比Cr12MoV钢提高13倍以上但此钢锻造温区范围较窄，锻造河县开裂应严格控制锻造温度和操作规认Cr2Mn2SiWMoV钢淬火温度低、淬火变形小、淬透性高有空淬微变形模具钢之称7W7Cr4MoV钢可代W18Cr4V和Cr12MoV钢其特点是钢的碳化物不均匀性和韧性得到很大的改善。二、热作模具钢 1.热作模具的工作条件 热作模具包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。如前所述热作模具工作条件的主要特点是与热态金属相接触、这是与冷作模具工作条件的主要区别。因此会带来以下两方面的问题： （l）模腔表层金属受热。通常锤锻模工作时其模腔表面温度可达300400以上热挤压模可达500一800以上；压铸模模腔温度与压铸材料种类及浇注温度有关。如压铸黑色金属时模腔温度可达1000以上。这样高的使用温度会使模腔表面硬度和强度显著降低，在使用中易发生打垛。为此对热模具钢的基本使用性能要求是热塑变抗力高，包括高温硬度和高温强度、高的热塑变抗力，实际上反映了钢的高回火稳定性。由此便可以找到热模具钢合金化的第一种途径，即加入Cr、W、Si等合金元素可以提高钢的回火稳定性。 （2）模腔表层金属产生热疲劳（龟裂）。热模的工作特点是具有间歇性每次使热态金属成形后都要用水、油、空气等介质冷却模腔的表面。因此热模的工作状态是反复受热和冷却，从而使模腔表层金属产生反复的热胀冷缩，即反复承受拉压应力作用其结果引起模腔表面出现龟裂，称为热疲劳现象，由此，对热模具钢提出了第二个基本使用性能要求即具有高的热疲劳抗力。一般说来，影响钢的热疲劳抗力的因素主要有： 钢的导热性。钢的导热性高，可使模具表层金属受热程度降低，从而减小钢的热疲劳倾向性。一般认为钢的导热性与合碳量有关，含碳量高时导热性低，所以热作模具钢不宜采用高碳钢。在生产中通常采用中碳钢（C0.350.6）合碳量过低会导致钢的硬度和强度下降也是不利的。 钢的临界点影响。通常钢的临界点（Acl）越高钢的热疲劳倾向性越低。因此一般通过加入合金元素Cr、W、Si、引来提高钢的临界点。从而提高钢的热疲劳抗力。 2.常用热作模具用钢 （1）锤锻模用钢。一般说来，锤锻模用钢有两个问题比较突出一是工作时受冲击负荷作用故对钢的力学性能要求较高，特别是对塑变抗力及韧性要求较高；二是锤锻模的截面尺寸较大（400mm）故对钢的淬透性要求较高，以保证整个模具组织和性能均匀。 常用锤锻楼用钢有5CrNiMo、 5CrMnMo、 5CrNiW、5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。不同类型的锤眼模应选用不同的材料。对特大型或大型的锤锻模以5CrNiMo为好也可采用5CrNiTi、5CrNiW或5CrMnMoSi等。对中小型的锤锻模通常选用5CrMnMO钢。 （2）热挤压模用钢，热挤压模的工作特点是加载速度较慢，因此，模腔受热温度较高，通常可达500一800。对这类钢的使用性能要求应以高的高温强度(即高的回火稳定性）和高的耐热疲劳性能为主。对ak及淬透性的要求可适当放低。一般的热挤压模尺寸较小，常小于7090 mm。 常用的热挤压模有4CrW2Si、3Cr2W8V及5Cr型等热作模具钢其化学成分如表4.16所示。其中4CrW2Si既可做冷作模具钢，又可做热作模具钢由于用途不同，可采用不同热处理方法。作冷模时采用较低的淬火温度（870900）及低温或中温回火处理；作热模时则采用较高的淬火温度（一般为950一1000）及高温回火处理。 （3）压铸模用钢。从总体上看，压铸模用钢的使用性能要求与热挤压模用钢相近，即以要求高的回火稳定性与高的热疲劳抗力为主。所以通常所选用的钢种大体上与热挤模用钢相同如常采用4CrW2Si和3Cr2W8V等钢。但又有所不同如对熔点较低Zn合金压铸模可选用40Cr、30CrMnSi及40CrMo等；对Al和Mg合金压铸模，可选用4CrW2Si、4Cr5MoSiV等对Cu合金压铸模多采用3Cr2W8V钢。 近年来随着黑色金属压铸工艺的应用，多采用高熔点的铝合金和镍合金或者对3Cr2W8V钢进行Cr-Al-SI三元共渗，用以制造黑色金属压铸模。最近国内外还正在试验采用高强度的铜合金作黑色金属的压铸模材料。常用不锈钢牌号的主要用途常用不锈钢牌号的主要用途 牌号 类型 用途 1Cr18Ni9Ti 奥氏体型 使用最广泛，适用于食品、化工、医药、原子能工业 0Cr25Ni20 奥氏体型 炉用材料，汽车排气净化装置用材料 1Cr18Ni9 奥氏体型 经冷加工有高的强度，建筑用装饰部件 0Cr18Ni9 奥氏体型 作为不锈耐热钢使用最广泛、食品用设备，一般化工设备，原子能工业用 00Cr19Ni10 奥氏体型 用于抗晶间腐蚀性要求高的化学、煤炭、石油产业的野外露天机器、建材、耐热零件及热处理有困难的零件 0Cr17Ni12Mo2 奥氏体型 适用于在海水和其它介质中，主要作耐点蚀材料，照相、食品工业、沿海地区设施、绳索、CD杆、螺栓、螺母 00Cr17Ni14Mo2 奥氏体型 为0Cr17Ni12Mo2的超低碳钢，用于对抗晶间腐蚀性有特别要求的产品 1Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体型 用于抗硫酸、磷酸、甲酸、乙酸的设备，有良好的耐晶间腐蚀性 0Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体型 同上 0Cr18Ni10Ti 奥氏体型 添加Ti提高耐晶间腐蚀，不推荐作装饰部件 0Cr16Ni14 奥氏体型 无磁不锈钢，作电子原件 0-1Cr20Ni14Si2 奥氏体型 具有较高的高温强度及抗氧化性，对含硫气氛较敏感，在600-800有析出相的脆化倾向，适用于制作承受应力的各种炉用构件 1Cr17Ni7 奥氏体型 适用于高强度构件，火车客车车厢用材料 00Cr18Ni5Mo3Si2 奥氏体型+铁素体 耐应力腐蚀破裂性能良好，具有较高的强度，适用于含氯离子的环境，用于炼油、化肥、造纸、石油、化工等工业，制造热交换器、冷凝器等 0Cr17(Ti) 铁素体型 用于洗衣机内桶冲压件，装饰用 00Cr12Ti 铁素体型 用于汽车消音器管，装饰用 0Cr13Al 铁素体型 从高温下冷却不产生显著硬化，汽轮材料，淬火用部件，复合钢材 1Cr17 铁素体型 耐蚀性良好的通用钢种，建筑内装饰用，重油燃烧部件，用于家庭用具，家用电器部件 0Cr13 铁素体型 作较高韧性及受冲击负荷的零件，如汽轮叶片，结构架，螺栓，螺帽等 1Cr13 马氏体型 具有良好的耐蚀性，机械加工性，用作一般用途、刀刃机械零件、石油精炼装置、螺栓、螺母、泵杆、餐具等 2Cr13 马氏体型 淬火状态下硬度高，耐蚀性良好，作汽轮机叶片，餐具（刀）不锈钢系列知识在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，不锈钢是具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能,使用于多方面的钢铁的一种，通常称为不锈钢。代表性能的有13铬钢，18-铬镍钢等高合金钢。 从金相学角度分析，因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用。 为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢必须含有12以上的铬。 不锈钢种类： 不锈钢可以按用途、化学成分及金相组织来大体分类。 以奥氏体系类的钢由18铬-8镍为基本组成，各元素的加入量变化的不同，而开发各种用途的钢种。 以化学成分分类： CR系列：铁素体系列、马氏体系列 CR-NI系列：奥氏体系列，异常系列，析出硬化系列。 以金相组织的分类： 奥氏体不锈钢 铁素体不锈钢 马氏体不锈钢 双相不锈钢 沉淀硬化不锈钢 工具钢的特性工具钢具有良好的强度、韧性、硬度、耐磨性和回火稳定性等性能。主要用于制造各种切削刀具、成形工具和测量工具。（1） 硬度 工具钢制成工具经热处理后具有足够高的硬度，如用于金属切削加工的工具一般在HRC60以上。工具在高的切削速度和加工硬材料所产生高温的受热条件下，仍能保持高的硬度和良好的红硬性。碳素工具钢和合金工具钢一般在180250、高速工具钢在600左右的工作温度下，仍能保持较高的硬度。红硬性对热变形模具和高速切削刀具用钢是非常重要的性能。（2） 耐磨性 工具钢具有良好的耐磨性，即抵抗磨损的能力。工具在承受相当大的压力和摩擦力的条件下，仍能保持其形状和尺寸不变。 （3） 强度和韧性 工具钢具有一定的强度和韧性，使工具在工作中能够承受负荷、冲击、震动和弯曲等复杂的应力，以保证工具的正常使用。 （4） 其他性能 由于各种工具的工作条件不同，工具用钢还具有一些其他性能，如模具用钢还应具有一定的高温力学性能、热疲劳性、导热性和耐磨腐蚀性能等。工具钢除了具有上述使用性能外，还应具有良好的工艺性能。 （1） 加工性 工具钢应具有良好的热压力加工性能和机械加工性能，才能保证工具的制造和使用。钢的加工性