第一章 模具材料与热处理概述.ppt

马红萍 模具材料与失效分析 专业课 第一章模具材料与热处理概述 课程教学目的 使学生熟悉 了解模具寿命及其影响因素 常用模具材料的性能特点及选用 一般模具热处理工艺及选择 掌握有关因素对模具寿命的影响 并能正确应用这些规律指导模具选材 简明热处理工艺制订 模具设计 模具加工 模具使用和管理 课程教学要求 要求学生了解和掌握模具寿命及其对工业生产的影响 模具失效形式及机理 模具寿命的影响因素 常用模具寿命分析方法 模具材料分类 性能要求 选材原则 常用模具材料的性能特点 应用范围 根据模具工作条件和失效形式选用模具材料的方法 常用模具表面强化的类型 特点 应用场合 工艺方法 课程的教学任务 机械制造基础是机械类 近机械类各专业学生必修的一门技术基础课 本课程的任务是 l 模具材料的性能 以力学性能为主 还要考虑物理性能 化学性能及工艺性能 2 热处理方面 掌握模具材料的热处理基本原理和工艺 掌握热处理各种工艺方法的目的 以便正确选用热处理工艺方法 合理安排工艺路线 3 表面热处理 掌握模具材料的常规表面热处理的基本原理和方法 正确选择适当的表面处理方法 来提高模具的寿命 课程的性质和任务 4 常用模具的分类 掌握常用的冷作 热作 塑料 压铸模具材料的分类 成分 牌号 组织 性能和用途 以便合理选用不同使用条件下的模具材料 5 模具寿命的提高 掌握提高模具寿命的一般方法 并能初步分析失效原因 并能提出提高寿命的有效措施 教学方法 本课程的教学环节包括课堂讲授 项目教学 学生自学 答疑和期末考查 着重理解教学内容 尽量避免死记硬背 配合实验及多媒体信息 帮助和加深理解教学内容 利用网络交流教学信息 如查阅资料 习题解答等 课程教学形式 课程教学形式包括理论教学 项目教学 课堂讨论 自学 辅导 习题等方式 其中理论教学以CAI为手段主要讲授重点和难点 课程教学要求的层次 本课程教学内容的要求分为 掌握 熟悉 了解三个层次 实验内容按 分析 观察 掌握三个层次要求 教学内容 理论教学 第一章模具材料与热处理概述第二章冷作模具用钢及热处理第三章热作模具用钢及热处理第四章塑料模具用钢及热处理第五章表面处理 教材与学时安排 教材 模具材料与使用寿命 理论授课学时 16学时项目学时 8学时 第一节模具寿命与失效分析第二节模具的性能要求第三节模具用钢及热处理第四节模具钢的生产加工工艺第五节模具钢质量 制造技术与模具寿命 第一章模具材料概述 目录 现状分析 模具材料的性能 品种数量等都有了很大的要求 模具材料市场也得到了前所未有的发展 其表现如下 首先表现为世界各大模具材料厂商都在中国市场扎根生叶 例如瑞典的一胜百 日本的日立 大同 东洋碳素 法国的奥布杜瓦 美国的芬可乐 德国的葛利兹 西格里等 其中瑞典一胜百所占的市场份额非常大 其次 国内模具材料供应商也发展迅速 尤其是国产钢的发展 整体呈现出上升发展的趋势 无论从用量上还是销售金额上都占市场最大份额 但是采用国产材料生产的模具寿命较进口材料的差 再次 很多模具材料供应商不止供应模具材料 而且提供了很多配套服务 例如机加工 热处理等 以提高模具材料的附加价值 存在的问题 滥用 乱用模具材料 模具钢材浪费非常严重 既给模具企业带来了成本上的提升 又带来了污染 主要原因 1 凡是模具钢用量多的地区 也是产生模具废料多的地区 例如在广东地区 其中用Crl2 Crl2MoV 和4Cr5MoSiVl H13 钢制作的废模具每年以万吨计算 9Cr2Mo 9Cr2MoV 钢的废料也越来越多 这三种料分别用来制作冷作模具 陶瓷模 冷冲模 铝型材挤压模和冷轧辊 2 暴利的引诱 低价收购废模具 在中频熔炼炉中融化后浇铸成小钢锭 并胡乱锻成元钢和板材 从而使劣质材料泛滥成灾 特别是数量众多的小型作坊式模具厂 是劣质材料的主要去处 带来的危害 某些劣质Crl2和Crl2MoV制作的冷作模具 在热处理过程 线切割时 磨削过程 甚至在库内存放时发生爆裂 分析结果共晶碳化物不均匀度达8级 碳化物呈网状分布 以块状 角状存在的大块碳化物达5级 一般疏松和中心疏松均严重超标 学习目的 正确选用材料 1 零件产量很大 外形尺寸稳定的模具应采用高性能的材料制造 这类模具材料还能进行低真空表面强化处理 使模具的耐用度提高到新的水平 2 模具形状复杂 精度要求高 制造周期长 模具的加工费远远超过模具的材料费用 这种模具也应采用高性能的材料制造 3 高应力的模具采用高性能的材料制造 并可用廉价的表面强化技术提高其耐用度 4 零件产量不大的模具 形状简单 应力小 容易制造的模具 经常改形的模具 可用普通钢 铸铁甚至非金属制造 5 模具选材应结合国家资源 选用我国富有元素的钢号 6 需用可持续发展的观点选用材料 尽可能选用新钢号 使科研成果转化为生产力 并把模具质量提高 个台阶 7 正确看待国产模具材料的发展 第一节模具寿命与失效分析 一 模具的服役条件冷作模具主要用于金属或非金属材料的冷态成形 冷作模具在服役过程中承受拉伸 弯曲 压缩 冲击 疲劳等不同应力的作用 而用于金属冷挤 冷镦 冷拉伸的模具 还要承受300度左右的交变温度作用 热作模具主要用于高温条件下的金属成形 模具是在高温下承受交变应力和冲击力 工件成形温度往往在1000度以上 模具还要经受高温氧化及烧损 在强烈水冷条件下经受冷热变化引起的热冲击作用 塑料模具中的热固性塑料压模受力较大 而且温度为200 250度左右 模具在较强的磨损及浸蚀条件下工作 而热塑性塑料注射模其受力 受磨损都不太严重 但部分塑料品种含有氯及氟 当压制时易放出腐蚀性气体 模具型腔经受气体腐蚀作用 二 模具的失效形式零件的失效形式比较复杂 根据零件破坏的特点 所受载荷的类型以及外在条件 零件的失效形式可归纳为变形失效 断裂失效和表面损伤失效三大类型 失效形式 冷作模具脆断热作模具冷热疲劳裂纹变形 三 模具失效分析 提高寿命的先决条件系统 设备 工件等产品丧失额定功能的现象称为失效 对失效现象进行科学 公正和客观的诊断 预测和预防 对人类揭示和认识客观事物的本质 激发和加快科学技术的进步 促进和协调国民经济的持续发展以及营造和保证社会的稳定具有重要作用 下列任何一种情况的发生 都可以认为零件已经失效 零件完全破坏 不能继续工作零件严重损伤 不能保证工作安全零件虽能安全工作 但工作低效 失效分析的目的是揭示零件失效的根本原因 影响失效的因素很多 要利用宏观和微观的研究手段进行系统的分析 失效分析方法 1 无损检测无损检测是针对材料在冶金 加工 使用过程中产生的缺陷和裂纹用无损探伤法进行检查 以查清其状态及分布 2 断口分析断口分析是对断口进行全面的宏观 肉眼 低倍显微镜 及微观 高倍显微镜 电子显微镜 观察分析 确定裂纹的发源地 扩展区和最终断裂区 判断出断裂的性质和机理 失效分析的主要方法 3 金相分析通过观察分析零件 特别是失效源周围 显微组织构成情况 如组织组成物的形态 粗细 数量 分布及其均匀性等 辨析各种组织缺陷及失效源周围组织的变化 对组织是否正常作出判断 4 化学分析检验材料整体或局部区域的成分是否符合设计要求 5 力学分析检查分析失效零件的应力分布 承载能力以及脆断倾向等 失效分析的主要方法 3 断裂形式的特征 韧性断裂的特征 宏观特征 宏观变形方式为缩颈 典型断口为杯锥状断口 底部成纤维状剪切断口 其平面和拉伸轴大致呈45角 微观特征 蛇形滑移和延伸 间距不等 短而且平行 不连续的条纹韧窝 大小相当于显微空洞裂纹的一半 韧性断裂见下图 脆性断裂的特征脆性断裂时承受的工作应力较低 通常不超过材料的屈服强度 甚至不超过常规的许用应力 所以又称为低应力脆断 这种宏观裂纹可以在生产工艺过程中产生 还可能由于疲劳或应力腐蚀而产生 脆性断裂见下图 a 脆性断裂实物 b 断口电镜照片 其他断裂失效形式其他断裂形式主要是疲劳断裂和蠕变断裂 疲劳断裂见图10 3 3 表面损伤失效 粘着磨损两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结 固相粘着 使材料从一个表面转移到另一表面或被撕下作为磨料留在两个表面之间的现象称为粘着磨损 如图10 4所示 粘着磨损 磨料磨损配合表面之间在相对运动过程中 因外来硬颗粒或表面微凸体的作用而造成表面损伤 被犁削形成沟槽 的磨损称为磨料 粒 磨损 磨料 粒 磨损示意图 4 腐蚀失效 腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗 它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果 点腐蚀集中于局部 呈尖锐小孔 进而向深度扩成孔穴甚至穿透 金属表面受破坏处和未受破坏处形成 局部电池 其中受破坏处是阳极 未受破坏处是阴极 腐蚀电流由阳极流向周围的阴极 阳极处很快被腐蚀成小孔 如图10 6所示 晶间腐蚀发生于晶粒边界或其近旁 其主要原因是晶界处化学成分不均匀 晶间腐蚀示意图 点腐蚀示意图 影响模具失效的因素 模具结构 模具几何形状的影响模具的几何形状对成型过程中坯料的流动和成型力产生很大的影响 从而影响模具的寿命 如图所示为两种形状的反挤压凸模 这两种结构的凸模比非台阶式平头细长杆件结构的凸模降低挤压力20 但其端面倾斜角不能过大 否则虽然降低了挤压力 但凸模容易因被挤偏受到弯曲应力而折断 影响模具失效的因素 模具间隙的影响模具间隙不仅影响工件的质量 还影响模具的寿命 例如拉深模的间隙过小将增加摩擦阻力 易擦伤工件表面 并增大了模具的磨损 冲裁模的间隙过小会加剧凸模与凹模的磨损 降低模具的使用寿命 结构形式的影响模具的结构形式不合理将导致应力集中而断裂失效 如图所示的整体式凸模 挤压时极易在心轴根部产生应力集中而折断 改为如图所示的组合式 消除了应力集中 可以防止模具的早期断裂失效 影响模具失效的因素 模具材料的影响模具材料是影响模具质量 性能和使用寿命的关键因素 模具材料对模具工业的发展也是十分重要的一环 因此为适应模具工业发展应不断提高模具寿命 必须对模具材料进行合理选择 模具材料必须满足模具对塑性变形抗力 断裂抗力 疲劳抗力 硬度 耐磨性 冷热疲劳抗力等性能的要求 如不能瞒足 则会发生模具早期失效 如在循环载荷下 如果材料疲劳杭力差 经一定应力循环后 可能萌生疲劳裂纹 并逐渐扩展直至模具断裂失效 影响模具失效的因素 模具钢的冶金质量对模具的失效形式也有很大影响 钢中的非金属夹杂物自身强度和塑性很低 容易形成裂纹源 引起模具早期断裂失效 钢中碳化物的数量过多 形状 尺寸分布不理想 严重降低钢的冲击韧度及断裂杭力 引起模具的崩块 折断 劈裂等 中心疏松及白点 降低钢的抗压强度 易发生模具工作面凹陷及淬火开裂 下图为因热裂而失效的凸模 影响模具失效的因素 热处理及加工制造工艺模具的热处理目的是为使模具获得理想组织 从而获得所需性能 但若热处理不当或工艺不合埋 则可导致模具产生热处理缺陷 或性能降低 从而引发模具早期失效 如淬火温度过高 则会引起钢的过热 甚至过烧 从而引起晶粒长大 晶界熔化等 这就导致模具韧性下降 使模具发生崩刃或早期断裂 如淬火温度过低时 则难以保证有足够的合金元素固溶于基体之中 将会降低钢的基体强度和组织稳定性 使钢容易产生早期变形 压塌或热疲劳裂纹 模具回火温度过高 则硬度下降 降低强度和耐磨性能 而且难以补救 但若回火温度过低 回火不足 则会在模具中残留较高的淬火应力 使模具韧性下降 从而使模具发生早期断裂 图所示为凸模因回火不足而发生早期脆断 同一批处理的凸模 再经一次较高温度回火后未再发生脆断 影响模具失效的因素 模具加工制造工艺 特别是锻造工艺对模具的失效影响 合理的锻造工艺可使大块状碳化物破碎 使之细小均匀分布 但若锻造工艺不合理 则达不到打碎晶粒 改善方向性 提高钢的致密度等目的 甚至引发锻造裂纹等缺陷 锻后退火目的是为了去除锻后应力 模具的切削加工应严格保证尺寸过渡处的圆角半径 圆弧与直线相接处应光滑 工作部位严禁留有刀痕 保证工作部位光滑无痕 如出现尖角或表面粗糙 留有刀痕 将容易在刀痕或尖角处萌发疲劳裂纹 造成模具疲劳失效 冲裁模的服役条件和失效形式 1 冲裁模的服役条件冲裁模主要用于各种板料的冲切 从冲裁工艺分析中我们可以得知 板料的冲裁过程可以分为三个阶段 弹性变形阶段塑性变形阶段和剪裂阶段 冲裁时作用于材料上的力1 凸模 2 板料 3 凹模 2 冲裁模的失效形式薄板冲裁模受到的冲击载荷不大 在正常的使用过程中 模具因摩擦产生的刃口磨损是主要的失效形式 磨损过程可分为初期磨损 正常磨损和急剧磨损三个阶段 对应于这三个阶段中刃口的损伤过程如图所示 冲裁时刃口的损伤过程 拉深模的服役条件和失效形式 1 拉深模的工作条件拉深模具主要用于金属板料的拉深成形 拉深过程中模具的受力状态如图10 11所示 2 拉深模的主要失效形式由于拉深模具的工作部件没有刃口 受力面积大 工作时无严重的冲击力 因此拉深模不易出现塑性变形和断裂失效 但是工作时存在着很大的摩擦 拉深模具的主要失效形式为粘附磨损和磨粒磨损 并以粘附磨损为主 是拉深过程中常出现的问题和模具失效的重要原因 拉深时模具的受力 四 模具材料与模具寿命 模具寿命的提高 最根本的办法是采用高性能的模具材料 模具钢的冶金质量也影响模具寿命 模具材料与模具寿命 新型高效模具钢 如热作模具钢中的3Cr3M03W2V 5Cr4W5M02V 4CrMnSiMoV 4Cr2NiMoV 5Cr4M03SiMnVAl等 冷作模具中的6Cr4W3M02VNb 7Cr7M03V2Si 7CrSiMnMoV 6CrNiMnSiMoV等新钢种的采用 均获得提高模具寿命数倍的效果 如冷作模具钢选用6Cr4W3M02VNb 65Nb 代替TIO Crl2MoV W6M05Cr4V2等制作多工位冷镦机用的内六角凸模 十字槽光凸模 螺栓切边模 冷镦螺栓顶模 钢板弹簧冲孔凸模 螺栓压角凸凹模 螺栓平圆头冲模 圆环冷冲模等 热作模具钢选用3Cr3M03W2V HMl 代替3Cr2W8V钢等制作轴承套圈的热冲压凸模和凹模 连杆辊锻成形模 小型机锻模等都显著提高了模具寿命 模具材料与模具寿命 模具钢的冶金质量对模具寿命也有很大影响 钢中的非金属夹杂物 中心疏松 白点 成分偏析 碳化物大小 形状及分布不理想 均能降低钢的强韧性及疲劳抗力 从而降低模具使用寿命 采用先进的冶金生产技术如电渣重熔 炉外精炼 真空脱气等都明显提高模具钢冶金质量及模具寿命 五 锻造 热处理工艺与模具寿命 锻造工艺Cr129Omm5级不改煅寿命3000件Cr1260 9Omm改煅3 4级寿命8000件 锻造工艺对模具寿命的影响 模具钢含碳量及合金元素含量均较高 导热性差 特别是高碳高合金钢锻造温度范围较窄 如操作不当极易锻裂 因此 模具钢要有严格合理的锻造工艺 首先 加热速度不能太快 加热要均匀 注意钢料在炉中的位置要适当 有时加热还要翻转棒料 以使其受热均匀 加热温度不能过高 要防止过热和过烧 锻打时要轻重掌握适度 打击力过大 变形量太大 易产生裂纹 停锻后的冷却速度也很重要 冷却过快也易开裂 因此 如果锻造工艺不合理 不仅达不到改善模具钢质量和提高其性能的目的 甚至会造成锻造缺陷而恶化钢材质量 某配件厂的冷冲模材质为Crl2 毛坯尺寸为90mm 共晶碳化物大于5级 不经改锻 由轧材直接车削加工 使用寿命最高达3000件 均以崩刃 纵向开裂或碎裂而失效 后改用60mm棒料 经镦粗锻制成90mm 共晶碳化物为3 4级 分布也较均匀 制成模具后 使用寿命达8000件以上 热处理对模具寿命的影响 模具热处理包括预备热处理 如正火 高温回火 球化退火 调质处理等 预备热处理主要目的是为模具最终热处理做组织准备 热处理关键是加热温度的选择 保证碳化物充分溶解或合金元素充分固溶 冷却速度或等温温度的选择 保证所析出的碳化物均匀分布 能获得合适的切削硬度 最终热处理的关键是淬火工艺的制定 淬火加热温度过高会引起钢中晶粒长大 从而使冲击韧度下降 导致模具开裂及脆断 如果淬火温度太低 则不能保证有足够的合金元素固溶于基体之中 就会降低钢的高温强度 组织稳定性及冷热疲劳抗力 使模具容易产生塑性变形或压塌等早期失效 淬火冷却速度也要严格掌握 如果冷却过快或油温过低均容易出现淬火裂纹 这将会严重缩短疲劳寿命 甚至引发早期断裂 淬火和回火 淬火时的保护或盐浴炉脱氧也很重要 如果不当 将引起表面脱碳 脱碳层强度低 耐磨性差 易产生微裂纹 如未经去除 则会降低模具耐磨性及疲劳抗力 最终热处理中的回火也是重要工序 首先模具回火要充分 高合金模具一般要求回火两次以上 这是因为钢中的残留奥氏体是在回火冷却过程中转变为回火马氏体 经两次以上回火可以使残留奥氏体充分转变 否则 将在模具中残留较大的淬火应力 降低模具韧性容易发生早期断裂 为缩短工时 提高设备利用率 回火时间可适当缩短些 深冷处理 真空 气氛 对于高精度 高合金钢制造的模具 为提高硬度及尺寸稳定性 在淬火后可采用 40 80 或 180 的深冷处理 处理时间为30 120min 为减少深冷处理的内应力 应分级冷却 深冷处理后 温度也应分级回升到室温 并立即进行回火 对于精密模具及性能要求高的模具 可以采用真空加热或保护气氛加热 特别是真空热处理 可确保无表面缺陷 能脱除部分有害杂质 提高硬度 显著提高模具的强韧性及使用寿命 如Crl2MoV钢制造的录音机机芯冷冲模 常规热处理平均使用寿命10万次 采用调质和真空热处理 使模具寿命提高到25万次 接近日本同类模具的寿命水平 表面强化 为了提高模具使用寿命 还可采用一些表面强化技术 特别是化学热处理技术 如渗硼 渗硫 渗氮 气体及液体氮碳共渗 化学气相沉积 物理气相沉积 表面涂覆 刷镀等等 在提高模具使用寿命上均有显著效果 热处理工艺 失效大部分是由断裂 磨损和变形引起的 其主要原因是热处理不当和模具加工不良 因此 合理选择材料 正确制定热处理工艺 提高热处理质量 对于延长模具使用寿命至关重要 模具热处理包括预先热处理和最终热处理 热处理的最终目的是使模具具有良好的表面质量和强度 塑性和韧性的合理配合 例 行车中接头冷挤成型 冷挤冲头外形尺寸如图所示 冲头材料为Cr12钢 加工工艺流程如下 锻造 球化退火 机械加工 热处理 打光 热处理采用980 加热 280 回火 硬度为60 62HRC 寿命为7000 8000件 因脆断 崩刃 掉块而失效 后来采用调质处理取代球化退火 使冲头寿命提高到10万件以上 第二节模具的性能要求 冷冲压模具要求其材料具有高的强度 良好的塑性和韧性 高的硬度及耐磨性 冷挤压模具要求其材料具有高强度 高韧性 高淬透性以及良好的耐磨性 热稳定性和切削加工性 热作模具用钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性 良好的抗腐蚀性 热稳定性和优良的热疲劳抗力 一 常规力学性能 对各类模具钢提出的性能要求主要包括硬度 强度和韧性等 1 硬度硬度表示了钢对变形和接触应力的抗力 而且是很容易测定的一种性能 同时硬度与强度也有一定关系 可通过二者的换算关系得到材料硬度值 可按硬度范围划定模具类别 如高硬度 52 60HRC 一般用于冷作模具 中等硬度 40 52HRC 一般用于热作模具 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 各种相的硬度值 模具钢硬度与含碳量关系最佳淬火时间二次硬化 2 强度强度是指钢在服役过程中 抵抗变形和断裂的能力 对于模具来说则是整个型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力 压缩力 弯曲力 扭转力或综合力的能力 性能指标 3 塑性 性能指标4 韧性在工作过程中 模具承受着冲击载荷 为了减少在使用过程中的折断 崩刃等形式的损坏 要求模具钢具有一定的韧性 韧性是模具钢的一种重要性能指标 它决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力 材料的韧性越高 脆断的危险性越小 热疲劳强度也越高 对于衡量模具脆断倾向 冲击韧度试验具有重要意义 冲击韧性的影响因素 组织 晶粒大小 内应力提高韧性的方法 锻造 热处理和内应力 1 耐磨性模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力 要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度 图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5 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5 2五种模具钢模拟冲裁试验其耐磨性 图5 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 二 特殊性能要求 2 抗热疲劳性能热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外 还受到高温及周期性的急冷急热的作用 抗热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命 因此 热作模具如要获得高的寿命 模具材料应具备高的抗热疲劳性能 低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值 3咬合抗力咬合抗力实际上就是发生 冷焊 时的抵抗力 该性能对于模具材料较重要 试验时通常在干摩擦条件下 把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料 如奥氏体钢 进行恒速对偶摩擦运动 以一定的速度逐渐增大载荷 此时 转矩也相应增大 该载荷称为 咬合临界载荷 咬合临界载荷愈高 标志着咬合抗力愈强 4耐蚀性金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力 称为金属的耐蚀性 提高模具材料的耐蚀性 通常采用合金化方法获得一系列耐蚀合金 主要包括 1 提高金属或合金的热力学稳定性 2 加入易钝化合金元素 3 加入能促使合金表面生成致密腐蚀产物保护膜的合金元素 不同的服役条件对模具材料主要力学性能要求不同对热作模具钢要考虑其抗热疲劳性能 对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能 对于高温下工作的热作模具应考虑其在工作温度下的抗氧化性能 对于在腐蚀介质中工作的模具 应注意其耐蚀性 对高载荷下工作的模具应该考虑其抗压强度 抗拉强度 抗弯强度 疲劳强度及断裂韧度等 三 工艺性能 在模具生产成本中 材料费用一般占10 20 而机械加工 热处理 装配和管理费用占80 以上 所以模具材料的工艺性能是影响模具的生产成本和制造难易程度的主要因素之一 改善模具的工艺性能 不仅可以使模具生产工艺简单 易于制造 而且可以有效地降低模具的制造费用 模具材料的工艺性能主要包括可加工性 淬透性和淬硬性 淬火温度和热处理变形 氧化 脱碳敏感性及其他因素 1 可加工性 1 可加工性概述模具的可加工性包括 热加工性能 热塑性 加工温度范围等 冷加工性能 切削 磨削 抛光 冷拔等 特种加工 如电火花加工 模具零件的加工工艺路线 2 淬透性和淬硬性 淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前的原始组织状态 淬硬性则主要取决于钢中的碳含量 对于大部分的冷作模具钢 淬硬性往往是主要的考虑因素 对于热作模具钢和塑料模具钢 一般模具尺寸较大 尤其是制造大型模具 其淬透性更为重要 3 淬火温度和热处理变形为了便于生产 要求模具钢淬火温度范围尽可能放宽一些 特别是当模具采用火焰加热局部淬火时 由于难以准确地测量和控制温度 所以要求模具钢有更宽的淬火温度范围 模具在热处理时 尤其在淬火过程中 要产生体积变化 形状翘曲 畸变等 为保证模具质量 要求模具钢的热处理变形小 4 氧化 脱碳敏感性模具在加热过程中 如果发生氧化 脱碳现象 就会使其硬度 耐磨性 使用性能和使用寿命降低 因此 要求模具钢的氧化 脱碳敏感性好 对于钼含量较高的模具钢 由于氧化 脱碳敏感性强 需要采用特种热处理 如真空热处理 可控气氛热处理 盐浴热处理等 5 其他因素在选择模具钢时 除了必须考虑使用性能和工艺性能之外 还必须考虑模具钢的通用性和价格 从技术 经济方面全面分析 以最终选定合理的模具材料 第三节模具材料的选用原则 模具材料的选用有三个原则一是使用性能原则材料的使用性能应满足模具的使用要求 对大量机器工件和工程构件 主要是机械性能 对一些特殊条件下工作的工件 则必须根据要求考虑到材料的物理化学性能 二是工艺性能原则材料的工艺性能应满足模具生产工艺的要求 三是经济性原则必须考虑材料的经济性 采用便宜的材料 把总成本降至最低 取得最大的经济效益 使产品在市场上具有最强的竞争力 满足使用性能要求1 耐磨性2 强韧性3 疲劳断裂性能4 高温性能5 抗热疲劳性能6 耐蚀性满足工艺性能要求模具的制造一般都要经过锻造 切削加工 热处理等工序 为保证模具的制造质量 降低生产成本 其材料应具有以下特性 1 良好的可锻性 2 良好的退火工艺性 3 良好的切削加工性 4 较小的氧化 脱碳敏感性 5 良好的淬硬性 6 良好的淬透性 7 较低的淬火变形开裂倾向 8 良好的可磨削性 满足经济性要求 1 材料的价格2 模具的总成本3 自然资源等因素模具材料的通用性 也是选用模具材料时必须考虑的因素 除了特殊要求以外 尽可能采用大量生产的通用型模具材料 目前 通用型模具钢技术比较成熟 积累的生产工艺和使用经验较多 性能数据也比较完整 便于在设计和制造过程中参考 产品成本分析 我国常用金属材料的相对价格 3 自然资源等因素 1 能源和资源消耗少 世界能源储藏量 重要金属的世界储量 3 自然资源等因素 2 环境污染小 一定性能水平下的材料能耗 E 生产每公斤材料的能耗 材料密度 b 抗拉强度 生产各种材料消耗的能量及碳的排放量 第三节模具用钢及热处理 由于各种模具的工作条件差别很大 所以从化学成分看 模具钢的范围很广 从一般的碳素结构钢 碳素工具钢 合金结构钢 高速工具钢 直到满足特殊模具要求的奥氏体无磁模具钢 耐蚀模具钢 马氏体时效钢 高温合金 难熔合金 硬质合金及一些专用的采用粉末冶金工艺生产的高合金模具材料等 本书仅讨论常用的模具钢 常用的模具钢 根据其用途和工作条件分为三大类 即冷作模具钢 热作模具钢和塑料模具钢 第三节模具用钢及热处理 一 常用模具钢的分类及主要用途冷作模具材料1 火焰淬火钢2 基体钢3 高韧性低合金冷作模具钢4 高碳中铬耐磨模具钢热作模具材料塑料模具材料1 预硬钢2 时效硬化钢3 冷挤压成型塑料模具钢压铸模具材料其他模具材料 在三大类模具材料之外 还有铸造模具钢 有色合金模具材料 玻璃模具材料等 模具钢 冷作模具材料 主要用于制造在冷状态 室温 条件下进行压制成形的模具 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 冷作模具品种多 应用范围广 其产值占模具总产值的30 40 采用的钢号很多 一般采用高碳过共析钢和莱氏钢体 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 高速钢 低碳高速钢和基本钢及用粉末冶金工艺生产的高合金模具材料等 冷作模具材料 热作模具材料 主要用于制造对高温状态的金属进行热成形的模具 如热锻模具 热挤压模具 压铸模具 热剪切模具等 这类钢含碳量一般为0 3 0 5 添加提高高温性能的钨 钼 铬 钒等合金元素 又分为锻造模块用钢 铬钼系热作模具钢 铬钨系热作模具钢 奥氏体型高温热作模具钢等 特殊要求的热作模具有时采用高温合金和难熔合金制造 热作模具材料 塑料模具材料 钢的普通热处理工艺有退火 正火 淬火 回火等 一 退火 1 退火 将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的热处理工艺 2 退火的目的 1 降低钢的硬度 提高塑性 以利于切削加工及冷变形加工 2 消除钢中的残余内应力 以防工件变形和开裂 3 改善组织 细化晶粒 改变钢的性能或为以后热处理做准备 二 模具热处理 常规热处理 3 退火的分类 各种退火正火加热温度及工艺曲线如图2 10所示 图2 10退火正火工艺规范示意图 1 完全退火 加热到Ac3以上20 300C 保温 缓冷至6000C以下 再空冷 得到接近平衡状态组织 主要用于亚共析钢和共析钢的锻件 轧件 铸件 使晶粒细化 组织均匀和消除残余应力 提高钢件的性能 过共析钢不宜完全退火 因析出网状渗碳体 降低钢的机械性能 12 球化退火 使钢中的碳化物呈球状而进行的退火 将工件加热到Ac1以上20 300C 保温 然后缓慢冷却 主要用于过共析钢 使钢中二次渗碳 体和珠光体中的片状渗碳体球状化 以降低硬度提高韧性 改善切削加工性能 图2 10退火正火工艺规范示意图 3 去应力退火 为消除形变加工 锻造 焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火 铸钢件的温度为600 6500C 铸铁件为500 550 保温后在炉内缓慢冷却 组织不发生变化 只消除内应力 减少变形 稳定尺寸 4 扩散退火 均匀化退火 将钢加热到略低于固相线温度 长时间保温 随炉冷却 使化学成分和组织均匀化 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件或锻件 1 正火 将工件加热到Ac3 亚共析钢 或Accm 过共析钢 以上30 500C 保温适当时间 在自由流通的空气中冷却 得到珠光体类组织的热处理工艺 二 正火 主要应用于 1 对不太重要的零件 可细化晶粒 组织均匀 提高机械性能 作为最终热处理 2 对低碳钢火低碳合金钢 可提高硬度 改善切削加工性 3 对于过共析钢或工具钢 可减少二次渗碳体 并使其不呈连续网状碳化物 便于球化退火 三 钢的淬火 1 淬火 将钢加热到相变温度以上 保温一定时间 然后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 从而提高其硬度和耐磨性 一般淬火后的工件再配合适当温度的回火 可获得较好的综合力学性能 如刀具 模具 轴和齿轮 淬火质量取决于加热温度和冷却方式 2 淬火加热温度 根据钢材的化学成分决定 亚共析钢在Ac3以上30 500C 此时钢的组织为细颗粒的奥氏体 淬火后获得细小的马氏体 若温度低于Ac3 将出现自由铁素体 若温度过高 得到粗大的马氏体 性能变坏 共析钢和过共析钢加热温度在Ac1以上30 500C 得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织 3 淬火冷却方法 冷却介质对淬火效果有很大影响 常用的有水 油和盐 碱的水溶液 水用于形状简单 截面较大的碳素钢工件 油用于合金钢和复杂的碳素钢 常用淬火方法如图3 11所示 1表示单液淬火 2表示双液淬火 3表示分级淬火 4表示等温淬火 4 淬透性和淬硬性 图3 11常用淬火方法示意图 1 淬透性 钢在淬火后 获得淬透层 淬硬层 深度的能力 2 淬硬性 钢淬火时能达到的最高硬度 四 淬火钢的回火 1 回火 为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组织和性能 将淬火后的工件加热到Ac1以下某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 2 回火目的 淬火后得到性能很脆的马氏体组织 而且淬火马氏体是不稳定的组织 它有变为稳定状态的趋势 而使零件尺寸变化 并存在内应力 零件容易变形和开裂 为此利用回火 1 减少和消除淬火应力 2 稳定工件尺寸 防止变形和开裂 3 获得工件所需的组织和性能 即获得要求的强度 硬度和韧性 3 回火的种类及应用 1 低温回火 加热温度为150 2500C 得到碳的过饱和程度稍小的固溶体 回火马氏体 硬度较高 在HRC58 64之间 高耐磨性 可消除一定的残余应力 韧性有所改善 用于各类高碳钢的工具 模具 量具 2 中温回火 加热温度为350 5000C 得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物 回托氏体 有极高的弹性极限和屈服强度 也有较好的韧性 硬度在HRC35 45 用于各种弹簧 弹簧夹头及锻模 3 高温回火 加热温度为500 6500C 得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物 回火索氏体 有较高的强度和硬度 又有较好的韧性和塑性 工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理 用于重要的零件如轴 齿轮 联杆和螺栓 4 回火脆性 淬火钢在250 4000C和500 6500C两个温度范围内回火时 出现冲击韧性明显下降的现象 一 模具热处理的主要缺陷模具热处理内应力模具的热处理变形模具的热处理裂纹二 减小模具热处理变形与控制模具热处理开裂的措施合理设计并正确选材合理按排工艺流程合理进行锻造和预先热处理采用合理的热处理工艺三 模具热处理的其它缺陷及预防补救措施氧化与脱碳欠热 过热和过烧淬火硬度不足与软点回火缺陷 模具热处理的缺陷及防止措施 目录 模具热处理的主要缺陷 通常热处理缺陷是指模具在最终热处理过程中或在以后的工序中以及使用过程中出现的各种缺陷 如淬裂 变形超差 硬度不足 电加工开裂 磨削裂纹 模具的早期破坏等 其中最主要的是模具在热处理过程中的变形和开裂 模具热处理内应力1 热应力2 组织应力模具的热处理变形1 模具热处理变形的形式2 模具热处理变形的趋向 1 由热应力引起的变形趋向 2 由组织应力引起的变形趋向 3 由组织转变引起的变形趋向模具热处理裂纹1 模具热处理裂纹的种类此外 热处理裂纹还可根据其存在部位和深度分为以下三类 1 深裂纹 2 细微表面裂纹 3 内部裂纹 2 模具的热处理裂纹与内应力 模具热处理裂纹通常是在内应力 拉应力 作用下表现出来的一种脆性破坏状态 淬火时 易在模具表面附近产生非常大的拉应力 故最易产生裂纹 但在淬硬层浅的情况下 如各种表面硬化 表面附近常形成压应力 就不易产生裂纹 由于模具大部分是用高碳钢制作的 因此要特别注意防止产生热处理裂纹 形状比较简单的模具及实体的冲头 一般情况下不会产生淬火裂纹 而尖角 截面厚度急变处及厚薄不均的地方则极易产生淬火裂纹 如图所示 模具淬火裂纹部位 减小模具热处理变形与控制模具热处理开裂的措施 合理设计并正确选材1 合理设计 1 尽量避免尖角和厚薄相差悬殊的截面应避免厚薄悬殊的截面 薄边及尖角 在模具的厚薄交界处应平滑过渡 这样能有效降低模具截面的温差 减小热应力 同时也可减小截面上组织转变的不同时性 减小组织应力 图所示为模具采用过渡圆角与过渡圆锥 图12 2模具采用过渡圆角与过渡圆锥 图所示为凹模的合理壁厚 凹模的合理壁厚 2 适当增加工艺孔对于有些实在无法保证截面均匀及对称的模具 应在不影响使用性能的前提下 变不通孔为通孔 或者适当增加一些工艺孔 图 a 所示为一型腔狭窄的凹模 淬火后会产生如虚线所示的变形 如设计时能增加两个工艺孔 如图 b 所示 则减小了淬火过程中截面的温差 降低了热应力 使变形情况有了明显的改善 Cr12MoV钢凹模 图所示也是增加工艺孔或变不通孔为通孔的实例 可减小因厚薄不均而增大的开裂敏感性 模具增加工艺孔或变不通孔为通孔 3 尽可能采用封闭及对称结构模具形状为开口或不对称结构时 淬火后应力分布不均匀 极易变形 所以一般易变形的槽形模具 应尽量在淬火前留筋 淬火后再切除 图所示的槽形工件 原来淬火后在R处发生变形 经加筋 图12 6中阴影线部分 后 有效地防止了淬火变形 槽形工件淬火前加筋 4 采用组合式结构如图所示为一大型凹模 若采用整体式结构 不但热处理有困难 而且淬火后型腔各处收缩不一致 甚至会引起刃口凹凸和平面扭曲 且在以后的加工中难以补救 因此 可采用组合式结构 按图12 7中虚线分为四块 经热处理后再拼装成型并磨削再配合 这不仅使热处理简化 而且解决了变形问题 大型凹模 2 正确选材 图所示为一电子元件冲模 原用T10A钢 水淬油冷变形较大且易开裂 碱浴淬火型腔又不易淬硬 现改用9Mn2V钢或CrWMn钢 淬火硬度和变形都能符合要求 图12 8电子元件冲模 合理安排工艺流程 1 合理安排工艺流程图所示是一半圆形模具 由于形状不对称 淬火时会产生显著的扭曲变形 如在淬火前加工成整体的圆环 等热处理后再用锯片砂轮将其切成两件 则不但降低成本 还可以减少变形 2 根据特点预留加工余量图所示为一45钢的成型模 热处理后内孔会趋向胀大 故机械加工时应预先留出负公差 使热处理后符合设计要求 半圆形模具成型模 合理进行锻造和预先热处理 1 合理进行锻造实践证明 合理进行锻造是减小热处理变形 保证模具有较高寿命的关键 对合金钢如CrWMn Cr12 Cr12MoV钢 尤其重要 这类钢能实现低变形的前提是经充分锻造 使钢内部碳化物偏析程度达到最小 2 预先热处理模具变形与开裂不仅与淬火过程中产生的应力有关 而且与淬火前的原始组织和残余内应力有关 因此 必须对模具毛坯进行必要的预先热处理 采用合理的热处理工艺 为了减少及预防工件淬火变形 除了合理设计工件 合理选材 合理制定热处理技术要求及工件毛坯正确进行热加工 铸 锻 焊 和预先热处理外 更为重要的是在热处理方面必须注意以下问题 合理选择加热温度 合理进行加热 正确选择冷却方式和冷却介质 正确掌握淬火操作方法 模具热处理的其他缺陷及预防补救措施 模具热处理常见的缺陷除了变形与开裂外 还有氧化与脱碳 欠热 过热和过烧 淬火硬度不足与软点 回火缺陷和表面腐蚀等 氧化与脱碳1 氧化2 脱碳欠热 过热和过烧1 欠热2 过热3 过烧淬火硬度不足与软点1 硬度不足2 软点模具上硬度不足的小区域称为软点 软点往往是工件磨损或疲劳损坏的中心 因此重要工件上不允许存在软点 形成软点的原因大致有 原材料缺陷 如钢中存在大块铁素体或带状组织 欠热 因加热温度太低或保温时间不足 使奥氏体成分不均匀 或亚共析钢中铁素体未全部溶入奥氏体 冷却不均 模具在淬火介质中搅动不充分 淬火加热时堆放在一起 模具表面有氧化皮等污物附着以及淬火介质中混有肥皂 油污等 都会造成模具冷却不均匀 使局部小区域发生高温转变而形成软点 表面脱碳 模具表面局部脱碳或渗碳后表面存在低碳浓度区 也会形成软点 回火缺陷 1 硬度不合格回火后硬度过高大多由回火不充分所致 补救办法是按正常回火工艺重新回火 回火后硬度不足的主要原因是回火温度过高 补救办法是退火或正火后重新淬火并回火 2 韧性过低在第一类回火脆性区回火或对第二类回火脆性敏感的钢在回火后未进行快冷 都会使工件回火后的脆性增加 补救办法是 对在第一类回火脆性区进行回火的模具 退火或正火处理后重新淬火并回火 对因在第二类回火脆性区回火而未快冷的模具 可在略高一些温度进行短时间回火并快冷 模具的强韧化处理 预处理工艺双重热处理法正火处理快速球化退火轴承钢双细化处理高温淬火和低温淬火工艺高温淬火低温淬火等温淬火真空热处理 1 化学热处理 将工件置于一定温度的活性介质中加热和保温 使介质中的活性原子渗入它的表面 改变其表面的化学成分 组织和性能的热处理 使表面具有耐磨 耐腐蚀 耐热等性能 分为渗碳 渗氮 碳氮共渗 氰化 渗硼 渗铬等金属 多元共渗等 模具化学热处理 2 渗碳 向钢的表层渗入碳原子 提高钢的表面含碳量 使表面高硬度高耐磨 心部高韧性 方法可分为气体渗碳 固体渗碳 液体渗碳 渗碳后一般需经淬火 低温回火处理 气体渗碳 将工件置于密封的渗碳炉中 加热到900 9500C 然后滴入煤油 丙酮 甲醇 甲烷等渗碳剂 高温下分解出活性碳原子 渗入高温奥氏体中 依靠碳浓度差从表层向心部扩展成渗碳层 3 渗氮 向钢的表层渗入氮原子 提高钢的表