模具工程材料第2章 冷作模具材料课件

第2章冷作模具材料 2 1冷作模具材料及性能要求2 2碳素工具钢2 3油淬冷作模具钢2 4空淬冷作模具钢2 5高碳高铬冷作模具钢 下一页 第2章冷作模具材料 2 6基体钢和低碳高速钢2 7高耐磨高强模具钢2 8其他类型冷作模具钢2 9冷作模具钢材料的选用2 10冷作模具钢材料选用实例 上一页 2 1冷作模具材料及性能要求 2 1 1冷作模具材料冷作模具材料主要用于制造在冷状态 室温 条件下进行压制成型的模具 如冷冲压模具 冷拉伸模具 冷镦模具 冷挤压模具 压印模具 辊压模具等 冷作模具材料应用量大 使用面广 其主要性能要求有强度 硬度 韧性和耐磨性 采用的钢号很多 一般采用高碳过共析钢和莱氏体钢 如碳素工具钢 低合金油淬冷作模具钢 空淬冷作模具钢 高碳高铬型冷作模具钢 高耐磨高强模具钢 低碳高速钢和基体钢及用粉末冶金工艺生产的高合金模具材料等 下一页返回 2 1冷作模具材料及性能要求 2 1 2冷作模具材料的性能要求1 冷作模具材料的使用性能要求 1 变形抗力衡量冷作模具材料变形抗力的指标主要有硬度 抗压强度 抗弯强度 2 断裂抗力 一次性脆断抗力 疲劳断裂抗力 3 耐磨性 4 咬合抗力 上一页下一页 2 1冷作模具材料及性能要求 5 受热软化抗力2 冷作模具材料的工艺性能要求 1 锻造工艺性 2 切削工艺性 3 热处理工艺性 退火工艺性 淬透性 淬硬性 脱碳 侵蚀敏感性 过热敏感性 上一页下一页 2 1冷作模具材料及性能要求 淬裂敏感性 淬火变形倾向3 冷作模具材料的内部冶金质量要求 1 化学成分不均匀性 2 磷和硫的含量 3 钢中夹杂物 4 碳化物不均匀性 5 疏松 上一页返回 2 2碳素工具钢 2 2 1碳素工具钢的一般特性碳素工具钢的含碳量在0 7 1 3 范围内 价格便宜 原材料来源方便 加工性能好 热处理后可得到高硬度和高耐磨性 用于制作尺寸不大 形状简单 受轻负荷的模具零件 碳素工具钢在淬火后具有高硬度 但存在淬火内应力 塑性低 强度也不高 必须回火 以改善其力学性能 下一页返回 2 2碳素工具钢 2 2 2常用的碳素工具钢1 T7 亚共析钢 T7为高韧性碳素工具钢 其硬度和韧性都较高 但切削能力较差 多用来制造同时需要有较大韧性和一定硬度但对切削能力要求不是很高的工具 T7的化学成分见表2 4 T7的热加工工艺见表2 6 2 T8 共析钢 T8淬火加热时过热敏感性较大 晶粒容易粗化 变形也大 塑性及强度也比较低 不宜制造承受冲击较大的工具 但 上一页下一页 2 2碳素工具钢 热处理后有较高的硬度及耐磨性 因此多用来制造切削刃口在工作时不变热的工具 T8的化学成分见表2 7 T8的热加工工艺见表2 9 3 T10 过共析钢 T10在淬火加热 温度达800 C 时不致过热 仍能保持细晶粒组织 是力学性能较好的碳素工具钢 经适当热处理可得到高的耐磨性 较高强度和一定韧性 适于制造切削刃口在工作时不变热的工具 T10的化学成分见表2 10 T10的热加工工艺见表2 12 上一页下一页 2 2碳素工具钢 4 T11 过共析钢 T11的含碳量介于T10及T12之间 具有较好的综合力学性能 如硬度 耐磨性及韧性等 而且对晶粒长大和形成碳化物网的敏感性较小 故适于制造在工作时切削刃口不变热的工具 T11的化学成分见表2 13 T11的热加工工艺见表2 15 5 T12 过共析钢 T12由于含碳量高 淬火后有较多的过剩碳化物 按其耐磨性和硬度适于制作不受冲击载荷 切削速度不高 切削刃口不变热的工具 T12的化学成分见表2 16 T12的热加工工艺见表2 18 上一页返回 2 3油淬冷作模具钢 2 3 1油淬冷作模具钢的一般特性油淬冷作模具钢是在碳素模具钢的基础上适当加入铬 钨 钼 锰 硅和钒等合金元素 总含量一般在5 以下 以提高过冷奥氏体的稳定性 降低了淬火冷却速度 减少了热应力 组织应力和淬火变形及开裂倾向 钢的淬透性也明显提高 这类钢具有一定的裂纹敏感性 锻造加热不易快 在箱式炉加热时最好在650 C 700 C进行预热 下一页返回 2 3油淬冷作模具钢 2 3 2常用油淬冷作模具钢1 9Mn2V该钢适宜于制作碳素工具钢不能满足要求的冷作模具零件 9Mn2V的化学成分见表2 19 9Mn2V的热加工工艺见表2 21 2 9SiCr9SiCr中因含有硅和铬 所以淬透性好 适宜分级或等温淬火 这对于防止模具发生淬火变形极为有利 因此该钢可做多种形状复杂 变形要求小的冷作模具零件 9SiCr的化学成分见表2 22 9SiCr的热加工工艺见表2 24 上一页下一页 2 3油淬冷作模具钢 3 9CrWMn9CrWMn是低合金冷作模具钢 具有一定的淬透性和耐磨性 淬火变形小 碳化物分布均匀且颗粒细小 该钢主要用于碳素工具钢不能满足要求的截面较大 形状较复杂的模具零件 9CrWMn的化学成分见表2 25 9CrWMn的热加工工艺见表2 27 4 CrWMn该钢适于制造尺寸较大 形状复杂 易变形 精度高的中小型模具 CrWMn的化学成分见表2 28 CrWMn的热加工工艺见表2 30 上一页下一页 2 3油淬冷作模具钢 5 Cr2该钢淬透性 硬度 耐磨性都比碳素工具钢高 接触疲劳强度也高 且该钢在热处理淬火 回火时尺寸变化不大 Cr2的化学成分见表2 31 Cr2的热加工工艺见表2 33 上一页返回 2 4空淬冷作模具钢 2 4 1空淬冷作模具钢的一般特性该类刚基本属于共析钢 钢液凝固时会产生合金元素的偏析区 构成枝晶间包有碳化物的粗晶结构 锻造加工过程中 碳化物的粗晶结构被破碎和改善 使钢的性能得到改善 因为钢的导热性差 钢钉在加热时应缓慢升温 最好在700 C左右保温预热 在合理的锻造温度范围内可安全锻造 因为空冷淬透性好 锻后必须改善缓冷条件 下一页返回 2 4空淬冷作模具钢 2 4 2常用空淬冷作模具钢1 Cr5Mo1V该钢特别适用于要求具备好的耐磨性同时又具有好的韧度的工具 广泛用于下料模和成形模 轧辊 冲头 压延模和滚丝模 也用于某些类型的剪刀片 Cr5Mo1V的化学成分见表2 34 Cr5Mo1V的热加工工艺见表2 36 2 Cr6WVCr6WV是一种具有较好综合性能的高碳中铬冷作模具钢 该 上一页下一页 2 4空淬冷作模具钢 钢变形小 淬透性良好 具有较好的耐磨性和一定的冲击韧性 Cr6WV的化学成分见表2 37 Cr6WV的热加工工艺见表2 39 3 Cr4W2MoV此钢的缺点是热加工温度范围较窄 变形抗力较大 易锻裂 软化退火也比较困难 使用时有时会发生崩刃开裂现象 Cr4W2MoV的化学成分见表2 40 Cr4W2MoV的热加工工艺见表2 42 上一页下一页 2 4空淬冷作模具钢 4 8Cr2MnWMoVS8Cr2MnWMoVS是我国研制的含硫易切削精密冷作模具钢 8Cr2MnWMoVS的化学成分见表2 43 8Cr2MnWMoVS作为易切削精密冷作模具钢 适于制作冲裁模 因其淬火 回火硬度高 强韧性好 热处理变形小 因而制模精度高 使用寿命长 上一页返回 2 5高碳高铬冷作模具钢 2 5 1高碳高铬冷作模具钢的一般特性高碳高铬冷作模具钢具有高硬度 高强度 高耐磨性 易淬透 稳定性高 抗压强度高及淬火变形小等优点 由于含有大量的铬 能形成多种碳化物 淬火加热时 碳化物大量溶入奥氏体中 从而保证得到高硬度的马氏体 回火时 马氏体中析出大量弥散分布的碳化物 硬度很高 因而提高了钢的耐磨性 下一页返回 2 5高碳高铬冷作模具钢 2 5 2常用高碳高铬冷作模具钢1 Cr12Cr12具有良好的耐磨性 但冲击韧度较差 易脆裂 主要用于制造冲击负荷较小 要求高耐磨的冷冲模工作零件 冷挤压模的凹模 搓丝板 拉延模以及滚螺纹模等模具 Cr12的化学成分见表2 45 Cr12的热加工工艺见表2 47 2 Cr12Mo1Cr12Mo1具有很高的淬透性 淬火变形较小 又有高的耐磨性和其他力学性能 所以可以制造截面大 形状复杂 经受较大冲击负荷的冷作模具 Cr12Mo1的化学成分见表2 48 Cr12Mo1的热加工工艺见表2 50 上一页下一页 2 5高碳高铬冷作模具钢 3 Cr12Mo1V1Cr12Mo1V1简称D2是国际上广泛采用的高碳高铬型冷作模具钢 属于莱氏体钢 实践表明 Cr12Mo1V1模具寿命较Cr12MoV模具寿命有所提高 Cr12Mo1的化学成分见表2 51 Cr12Mo1的热加工工艺见表2 53 上一页返回 2 6基体钢和低碳高速钢 2 6 1基体钢和低碳高速钢的一般特性基体钢和低碳高速钢锻后必须退火 同时对返修的模具 需进行重新淬火 也应进行退火 这些钢特别是钼含量较多的钢 其脱碳敏感性较强 当不采用真空炉或保护气氛炉退火时 必须采取其他保护措施以防止严重脱碳 下一页返回 2 6基体钢和低碳高速钢 2 6 2常用基体钢和低碳高速钢1 6W6Mo5Cr4V它的淬透性好 并具有类似高速钢的高硬度 高耐磨性 高强度和好的红硬性 且韧性比高速钢高 6W6Mo5Cr4V的化学成分见表2 54 6W6Mo5Cr4V的热加工工艺见表2 56 2 6Cr4W3Mo2VNb它具有高速钢的高硬度和高强度 又因无过剩的碳化物 所以比高速钢具有更高的韧性和疲劳强度 6Cr4W3Mo2VNb的化学成分见表2 57 6Cr4W3Mo2VNb的热加工工艺见表2 59 上一页下一页 2 6基体钢和低碳高速钢 3 7Cr7Mo2V2Si其强韧性远高于高速钢或高碳高铬钢 同时还具有高的耐磨性 好的冷 热加工工艺 热处理变形小 通用性强等优点 7Cr7Mo2V2Si的化学成分见表2 60 7Cr7Mo2V2Si的热加工工艺见表2 62 上一页返回 2 7高耐磨高强模具钢 2 7 1高耐磨高强模具钢的一般特性高速钢 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2和W12Mo3Cr4V3N 具有高硬度 高抗压强度 高耐磨性和高的热稳定性 采用低温淬火 快速加热淬火等工艺措施又可以有效的改善其韧性 因此越来越多的被用于要求重负荷 长寿命的冷作模具 下一页返回 2 7高耐磨高强模具钢 2 7 2常用高耐磨高强模具钢1 W18Cr4VW18Cr4V为钨系高速钢 具有高的硬度 红硬性及高温硬度 其热处理范围较宽 淬火不易过热 热处理过程不易氧化脱碳 磨削加工性能较好 W18Cr4V的化学成分见表2 63 W18Cr4V的热加工工艺见表2 65 2 W6Mo5Cr4V2该钢具有碳化物细小均匀 韧性高 热塑性好等优点 W6Mo5Cr4V2的化学成分见表2 66 W6Mo5Cr4V2的热加工工艺见表2 68 上一页下一页 2 7高耐磨高强模具钢 3 W12Mo3Cr4V3N该钢对于高强度钢具有良好的切削性能 做冷作模具具有很好的耐磨性能 由于钢中含钒量较高 可磨削性能较差 W12Mo3Cr4V3N的化学成分见表2 69 W12Mo3Cr4V3N的热加工工艺见表2 71 上一页返回 2 8其他类型冷作模具钢 2 8 1火焰淬火冷作模具钢7CrSiMnMoV7CrSiMnMoV是一种火焰淬火冷作模具钢 可用于模具刃口部位 火焰加热淬火具有设备简单 操作方便 生产率高等优点 并解决了大型模具表面局部淬火的难题 火焰淬火能使刃口获得表面高硬度 心部高韧性 模具不易发生开裂 崩刃等 同时表面硬化层形成压应力 可显著提高疲劳强度 延长模具使用寿命 7CrSiMnMoV的化学成分见表2 72 下一页返回 2 8其他类型冷作模具钢 2 8 2特殊用途冷作模具钢1 耐蚀冷作模具钢耐蚀冷作模具钢的成分特点是高碳高铬 2 无磁冷作模具钢7Mn15Cr2Al3V2WMo 7Mn15 7Mn15在各种状态下都能保持稳定的奥氏体 具有非常低的磁导率 高的硬度 强度和较好的耐磨性 7Mn15化学成分见表2 75 7Mn15的锻造工艺规范见表2 76 7Mn15退火工艺曲线如图2 8所示 7Mn15钢在不同温度固溶和时效处理后的力学性能见表2 78 上一页下一页 2 8其他类型冷作模具钢 2 8 3硬质合金和钢结硬质合金1 硬质合金硬质合金的共性是 具有高的硬度 高的抗压强度和高的耐磨性 脆性大 不能进行锻造 热处理和切削加工 2 钢结硬质合金钢结硬质合金是以难熔金属碳化物 TiC WC 为硬质相 以合金钢为黏结剂 用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料 它既具有硬质合金的高硬度 高耐磨性和高抗压性 又具有钢的可加工性和热处理性 它的出现填补了工具钢与普通硬质合金的空白 上一页返回 2 9冷作模具钢材料的选用 2 9 1冷作模具钢材料的选用原则基本原则是 首先要满足模具的使用性能要求 同时兼顾材料的工艺性和经济性 具体选择时应从模具的种类 结构 工作条件 制品材质 制品形状和尺寸 加工精度 生产批量等方面综合考虑 最后根据模具使用寿命和模具成本做出选择 下一页返回 2 9冷作模具钢材料的选用 2 9 2冷作模具钢材料的选用1 冷冲裁模材料的选用 1 冷冲裁模材料的选用原则和方法 选用冷冲裁模用钢主要应考虑模具寿命 但寿命长短不是唯一的选用依据 还应考虑冲压件的材质 另外应考虑冲压件的产量 冲压件的形状 尺寸 厚度 尺寸公差和毛刺等各种因素对模具寿命影响极大 也应考虑 除此 还要考虑钢种价格以及模具材料费占模具总费用的份额 薄板冷冲裁模用钢 对薄板冷冲裁模用钢要求具有高的耐磨性 厚板冷冲裁模用钢 厚板冷冲裁模用钢既要有高的耐磨性 又要有良好的强韧性 表2 82是新型冷作模具钢在冷冲裁模方面的应用实例 上一页下一页 2 9冷作模具钢材料的选用 2 冷拉伸模材料的选用冷拉深模具主要用于板材的冷拉深成形 在电器 仪表 汽车及拖拉机等行业中占有重要位置 如果被拉深的板材较薄 强度较低 塑性较好 模具承受载荷较轻时 属于轻载拉深 如果被拉深材料强度较高或板材较厚时 则模具承受载荷增大 属于重载拉深 在冷拉深时 冲击力很小 主要要求模具具有较高的强度和耐磨性 在工作时不发生钻附和划伤 具有一定韧性和较好的切削加工性 并要求热处理时模具变形小 拉深模具材料的选用及工作硬度可参考表2 84 上一页下一页 2 9冷作模具钢材料的选用 3 冷挤压模材料的选用由于冷挤压凸模在工作时要受到很大的压应力作用 同时还要受拉应力 弯曲应力及摩擦力的作用 而凹模工作时 要受到很大的摩擦力及切向拉应力作用 因此 制作冷挤压模具的材料必须具有高的强韧性及良好的耐磨性 一般有求硬度61 63HRC 硬度过高 模具容易碎裂 崩块 硬度不够 模具容易磨损 也可能发生压塌及变形 由于挤压时 模具承受极大的挤压力 故模具的抗压强度要高 为防止折断 抗弯强度也要高 此外 冷挤压是在整个模具型腔内进行 金属变形产生的热量很大 模具温度达到300 左右 这就要求模具材料具有较高的高温强度及硬度 由于模具是在冷热交变条件下工作的 模具材料也应具有较高的冷热疲劳抗力 冷挤压模材料的选用及工作硬度可参考表2 85 上一页下一页 2 9冷作模具钢材料的选用 4 冷镦模材料的选用 1 一般载荷冷镦模用钢一般载荷冷镦模主要用于形状不太复杂 变形量不太大 冷镦速度也不是很高的冷镦件生产 生产的冷镦件为低碳钢或中低碳钢零件 2 重载冷镦模用钢重载冷镦模用于生产变形量大 形状较复杂的冷徽件 冷镦件用钢是强度较高的合金钢或中高碳钢 对这类模具通常采用Cr12冷作模具钢 高速钢及新开发研制的冷作模具钢 上一页下一页 2 9冷作模具钢材料的选用 3 新型冷镦模用钢我国已引进国外钢种或自行开发了10余种适合制作冷镦模具的新钢种 这些新钢种的特点是具有较高的淬透性和淬硬性 具有很高的压缩屈服点 较好的耐磨性和韧性 冷镦模材料的选用及工作硬度可参考表2 86 上一页下一页 2 9冷作模具钢材料的选用 2 9 3冷作模具钢的热处理工艺1 冷作模具的制造工艺路线 1 一般成形冷作模具一般成形冷作模具的制造工艺路线 锻造 球化退火 机械加工成形 淬火与回火 钳修装配 2 成形磨削及电加工冷作模具成形磨削及电加工冷作模具的制造工艺路线 锻造 球化退火 机械粗加工 淬火与回火 精加工成形 凸模成形磨削 凹模电加工 钳修装配 3 复杂冷作模具复杂冷作模具的制造工艺路线 锻造 球化退火 机械粗加工 高温回火或调质 机械加工成型 钳修装配 上一页下一页 2 9冷作模具钢材料的选用 2 冷作模具的淬火淬火是冷作模具的最终热处理中最重要的操作 合理选择淬火加热温度 保温时间 淬火介质及采用合适的淬火加热方法 都会有效地提高模具的使用性能 3 冷作模具的强韧化处理艺术 1 冷作模具钢的低温淬火工艺所谓低温淬火是指低于该钢的传统淬火温度进行的淬火操作 2 冷作模具钢的高温淬火工艺对于一些低淬透性的冷作模具钢 为了提高淬硬层厚度 常采用提高淬火温度的方法 上一页下一页 2 9冷作模具钢材料的选用 3 冷作模具的微细化处理微细化处理包括钢中基体组织的细化和碳化物的细化两个方面 基体组织的细化可提高钢的强韧性 碳化物的细化不仅有利于增强钢的强韧性 而且增加钢的耐磨性 4 冷作模具钢的分级淬火和等温淬火分级淬火和等温淬火不仅可以减少模具的变形和开裂 而且是提高冷作模具强韧性的重要方法 5 其他强韧化处理方法除了上述方法外 还有变热处理 喷液淬火 快速加热淬火 消除链状碳化物组织的预处理工艺 片状珠光体组织预处理工艺等都可以明显提高冷作模具钢的强韧性 上一页返回 2 10冷作模具钢材料选用实例 2 10 1液化气钢瓶封头冷拉伸模具QT500 7球墨铸铁模具经过预冷 双液淬火及马氏体转变区分级等温处理后 可获得高强度和较高韧性 硬度为55 58HRC 同时 球墨铸铁组织中的游离石墨既有自润滑作用 又能侵入润滑油 可减轻拉伸过程中的摩擦 从而提高耐磨性 下一页返回 2 10冷作模具钢材料选用实例 2 10 2螺母冲孔模及热处理螺母冲孔模如图2 10所示 模具材料为60Si2MnA 硬度要求58 60HRC 它是冷墩螺母生产的第四道工序 使用中承受强烈的冲击 压缩 弯曲和摩擦 脱模时又承受拉应力 因此要求模具具有高的韧性 抗弯强度和耐磨性 否则会产生折断 崩刃 镦粗和成形部位软榻 上一页下一页 图2 10 返回 2 10冷作模具钢材料选用实例 2 10 3冷挤压凸模及热处理该模具是用作挤压黄铜的模具 材料选用Cr12MoV 其硬度要求为62 64HRC 采用常规工艺方法进行960 C 980 C加热油淬 其硬度为60 62HRC 在使用中发现 凸模常发生脱帽式断裂 主要原因是韧性不足 上一页下一页 2 10冷作模具钢材料选用实例 2 10 4不锈钢表壳冷挤压模及热处理7Cr7Mo2V2Si制造的表壳冷挤压凸模 使用寿命可超过1 5 104次 由于模具能承受特别强的载荷 克服了不锈钢的强度较高和对加工硬化敏感的问题 因而使挤压件轮廓清晰 可获得较理想的形状精度 简化了挤压后的切削加工 使表壳的总加工费用明显降低 上一页下一页 2 10冷作模具钢材料选用实例 2 10 5轴承滚柱冷镦凹模1 凹模的工作条件2 凹模服役寿命和失效形式3 凹模失效分析 1 擦伤的观察分析 2 剥落的观察分析 3 开裂的观察分析 4 失效分析结论4 影响凹模寿命的因素及改进措施 1 采用提高韧性的热处理工艺 2 改用高强韧的钢种 上一页返回 表2 4T7的化学成分 返回 表2 6T7的热加工工艺 返回 表2 7T8的化学成分 返回 表2 9T8的热加工工艺 返回 表2 10T10化学成分 返回 表2 12T10的热加工工艺 返回 表2 13T11的化学成分 返回 表2 15T11的热加工工艺 返回 表2 16T12的化学成分 返回 表2 18T12的热加工工艺 返回 表2 199Mn2V的化学成分 返回 表2 219Mn2V的热加工工艺 返回 表2 229SiCr的化学成分 返回 表2 249SiCr的热加工工艺 返回 表2 259CrWMn的化学成分 返回 表2 279CrWMn的热加工工艺 返回 表2 28CrWMn的化学成分 返回 表2 30CrWMn的热加工工艺 返回 表2