模具材料及热处理

郑州大学自考本科毕业论文郑州大学自考本科毕业论文 专 业 数控技术 姓 名 王德本 准考证号 090111100104 论文题目 模具材料及 热处理技术 年 月 日 2 论文评语 论文建议成绩 评审教师签名 年 月 日 论文综合成绩 答辩组长签名 院系盖章 年 月 日 学校自考办意见 3 目 录 摘要 4 第一章 我国模具材料的发展 6 一 冷作模具钢的发展 6 二 热作模具钢的发展 6 三 塑料模具钢的发展 7 四 我国模具材料发展展望 8 第二章 常用的模具材料及其选用 9 一 冷作模具钢 9 1 1 冷作模具钢的特点及应用 9 1 2 常用冷作模具钢的型号 主要特性 用途及生产品种 9 1 3 钢种选择 12 二 热作模具钢 13 2 1 热作模具钢的特点及应用 13 2 2 常用热作模具钢的型号 主要特性 硬度及用途 13 三 塑料模具钢 17 第三章 模具材料的热处理 20 一 模具材料的热处理对模具性能的影响 20 二 模具的真空热处理工艺 20 1 技术要点 20 2 真空热处理工艺 22 3 技术的应用 23 三 模具的表面处理技术 23 1 表面处理技术的分类 23 1 1 表面光整加工技术分类及应用 23 1 2 表面强化技术分类及应用 24 1 3 表面喷丸强化工艺 24 四 模具材料的预硬化技术 25 五 扩散法金属碳化物覆层技术 25 结束语 26 谢辞 28 参考文献 29 4 摘摘 要要 随着 CAD CAM 技术的发展 借助 Internet Intranet 制造业信息化进程 正在促进制造业及先进制造技术的应用和发展 制造业是国民经济的基础 它 涵盖了除采掘业和建筑业等以外的第二产业 制造技术是将原材料有效地转变 成产品的技术的总称 是制造业的技术基础 先进制造技术是制造业不断地吸 收机械 电子 信息 能源及现代管理等方面的成果 并将其综合应用于产品 设计 制造 检测 管理和售后服务的制造全过程 是实现优质 高效 低耗 清洁和灵活生产 并取得理想技术和经济效果的制造技术的总称 从本质上看 信息技术 传统制造技术的发展 现代管理技术 先进制造技术 模具是工业生产的基础工艺装备 是进行少无切削加工的主要工具 模具 技术水平的高低 直接影响到产品质量 产量 成本 新产品的投产及老产品 更新换代的周期以及企业产品结构调整速度与市场竞争力 在电子 汽车 电 机 电器 仪器 仪表 家电和通讯等产品中 60 80 的零部件都要依靠模 具成形 用模具生产制件所表现出来的高精度 高复杂程度 高一致性 高生 产率和低消耗 是其他加工制造方法所不能比拟的 模具又是 效益放大器 用模具生产的最终产品的价值 往往是模具自身价值的几十倍 上百倍 模具 生产技术水平的高低 已成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志 在 很大程度上决定着产品的质量 效益和新产品的开发能力 模具材料的性能水平 质量的优劣 使用合理与否等因素 对于模具的制 造的精度 模具工作时的承载能力 寿命 成品合格率及成本均有密切的关系 因此在设计和制造模具的过程中 在选材方面应综合考虑模具的种类 制件批 量 制件材料和制件复杂程度等因素 而对于模具材料本身 则要考虑它的力 学性能 耐磨性 耐热性 耐蚀性 热变性 淬透性 机械加工性 价格和供 货情况等 目前任何一种材料都难以满足所有的性能要求 故只能根据实际的 使用条件 在满足主要性能的情况下来选择模具材料 模具材料一般选用碳素工具钢 合金工具钢 合金结构钢 硬质合金 铸 铁 非铁金属等 通常把农具刚分为冷作模具钢 热作模具钢和塑料模具钢 关键词 冷作模具钢 热作模具钢 塑料模具钢 Abstract With the development of CAD CAM technology with Internet Intranet manufacturing information process is to promote the use and development of the manufacturing industry and advanced manufacturing technology The manufacturing industry is the foundation of the national economy it covers the secondary industry in addition to the outside of the extractive industry and construction The manufacturing technology is a general term for the raw materials into products technology is the 5 technical basis of the manufacturing industry Advanced manufacturing technology is the manufacturing sector continued to absorb the results of machinery electronics information energy and modern management and integration for product design manufacturing testing management and after sales service manufacturing process is to achieve quality efficiency low consumption clean and flexible production and obtain the general term of the ideal technology for manufacturing technology and economic effects In essence the IT traditional manufacturing technology development modern management advanced manufacturing technology The mold is the basis for industrial production technology and equipment is less cutting tool Mold technology level of a direct impact on the replacement cycle of product quality yield cost and the commissioning of new products and old products and the speed of adjustment of product mix and market competitiveness In the electronics automotive electrical appliances instruments meters home appliances and communication products 60 80 of the parts must rely on the mold shape Performance out of the mold parts high precision high complexity high consistency high productivity and low consumption other manufacturing methods can not match Mold is the efficiency amplifiers the value of the final product produced by molds often mold their own value several times a hundred times The level of mold production technology has become an important symbol of measuring a country s manufacturing level of a large extent determines the product quality efficiency and new product development capabilities Level of performance of the mold material the quality of the pros and cons reasonable or not and other factors carrying capacity for the manufacture of precision molds mold work life and finished a pass rate and the cost to have a close relationship Therefore in the process of design and manufacture of molds in the selection should consider the types of mold the bulk of the workpiece the workpiece material and parts complexity and other factors For the mold material itself will have to consider its mechanical properties wear resistance heat resistance corrosion resistance thermal denaturation hardenability machinability price and supply situation Any kind of materials are difficult to meet all performance requirements can only be based on actual conditions of use meet the main performance down the selection of mold materials The mold material is generally used in the carbon tool steel alloy tool steel alloy structural steel carbide cast iron non ferrous metals and so on Usually divided into the farm implements just the cold work die steel hot work die steel and plastic mold steel Key words cold work die steel hot work die steel plastic mold steel 6 第一章 我国模具材料的发展 一 冷作模具钢的发展 目前我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢 CrWMn 和高碳高铬工具钢 Cr12MoV 及 Cr12 这些老的钢号 CrWMn 钢有适当的淬透性和耐磨性 热处理变 形小 但 CrWMn 钢锻后需较严格地控制冷速 并采用适当的热处理 使碳化物 呈均匀细小的粒状 分布于基体上 否则易形成网状碳化物 导致模具在使用 中的崩刃和开裂 高碳高铬工具钢有高的耐磨性 但其碳化物偏析较严重 导 致变形的方向性和强韧性的降低 通过反复镦拨可在一定程度上改善其偏析程 度 1981 年 我国引入国际通用的高碳高铬工具钢 D2 Cr12Mo1V1 和 Cr12MoV 钢相比 D2 钢的碳化物偏析较之 Cr12MoV 略有改善 强度与韧性稍有 提高 D2 钢制作的模具 其使用寿命亦有不同程度的提高 高速钢 主要是 W6Mo5Cr4V2 和 W18Cr4V 有更高的耐磨性和强度 常用于制作模具 但其韧性 不能满足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需要 为了改善这类钢的强韧性 我国开发了一些新的冷作模具钢 如 1 低合金冷作模具钢 这类钢的主要特点是工艺性好 淬火温度低 热处理变形小 强韧性好 并具有适当的耐磨性 如 GD 6CrMnNiMoVSi 7CrSiMnMoV 简称 CH DS 钢 等 GD 钢用于制作易崩刃 断裂的冷冲模具有高的使用寿命 CH 钢的成分与日 本的 SX105V 钢相同 是一种火焰淬火钢 常用于制做汽车等生产线上用的模具 零件 火焰淬火时加热模具刃口切料面 硬化层下又有一个高韧性的基体做衬 垫 从而使模具获得较高的使用寿命 DS 钢是一种冲击冷作模具钢 其冲击韧 性显著优于常用的高韧性刀片用工具钢 6CrW2Si 2 基体钢 基体钢一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢 美国 日本在七十年代初即研究过牌号为 VascoMA VascoMatrixI 和 MOD2 的基体钢 相当于 M2 和 M36 高速钢的基体 但未得到广泛的使用 我国研制了一些基体钢 如 65Cr4W3Mo2VNb 简称 65Nb 65W8Cr4VTi 简称 LM1 65Cr5Mo3W2VSiTi 简称 LM2 钢等 这些基体钢的主要特点是其含碳量稍高于 基体的含碳量 以增加一次碳化物量和提高耐磨性 还加入少量的强碳化物形 成元素铌或钛 以形成比较稳定的碳化物 阻止淬火加热时晶粒的长大并改善 钢的工艺性能 这类基体钢已较广泛地用于制作冷挤压 厚板冷冲 冷镦等模 具 特别适于难变形材料用的大型复杂模具 还可用做黑色金属的温热挤压模 具 3 韧性较高的耐磨冷作模具钢 为了改善 Cr12 型冷作模具钢的碳化物偏析 提高其韧性 并进一步增加钢 的耐磨性 我国做了大量的研究工作 开发出不少新的钢种 如 LD ER5 和 GM 钢等 在这些钢中 适当降低了铬含量以改善碳化物偏析 增加钨 钼和钒的 含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性 与 Cr12 型冷作模具钢比较 这类钢 的碳化物偏析有所改善 有较高的韧性 这类钢比 Cr12 型冷作模具钢有更好的 7 耐磨性 因而制做的模具有更高的寿命 更适于高速冲床和多工位冲床的使用 二 热作模具钢的发展 我国常用的热作模具钢为 5CrMnMo 5CrNiMo 和 3Cr2W8V 钢 5CrNiMo 钢主要用做大中型锻模 但其淬透性不够高 回火稳定性也不高 其性能不能满足大截面锻模对性能的要求 3Cr2W8V 钢广泛用做黑色和有色金 属热挤压模和 Cu Al 合金的压铸模 这种钢的热稳定性高 使用温度达 650 但钨系热作模具钢的导热性低 冷热疲劳性差 我国在八十年代初引进国外通用的铬系热作模具钢 H13 4Cr5MoSiV1 H13 钢有良好的冷热疲劳性 在使用温度不超过 600 时 代替 3Cr2W8V 钢 模具 寿命有大幅度提高 因此 H13 钢迅速得到推广应用 其产量已超过 3Cr2W8V 钢 为适应压力加工新工艺 新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的 要求 我国研制了不少的新热作模具钢 主要有 1 热锻模具钢 国内在八十年代 针对 5CrNiMo 钢的淬透性不能满足大截面锤锻模的需要 和使用温度不超过 500 的问题 对国内外用钢做过大量的分析对比和研究 研究工作表明 国外同类钢 5CrNiMoV 中的 Cr Ni Mo 含量均高于国产 5CrNiMo 钢 并含有少量的 V 因而其淬透性和回火稳定性均高于国产 5CrNiMo 钢 并建议选用 5CrNiMoV 钢 用于制做大型 复杂的重载荷锤锻模 国内还开发了大截面热锻模具钢 5Cr2NiMoVSi 和 45Cr2NiMoVSi 钢 已获得 较广泛的应用 与 5CrNiMo 钢相比 这些钢中的碳含量稍低 提高了 Cr 和 Mo 的含量并加入适当的 V 和 Si 因之有高的淬透性和热稳定性 45Cr2NiMoVSi 钢 中的碳和硅 较之 5Cr2NiMoVSi 钢 稍有降低 更适宜于做锤锻模 这种钢用 于制造 4000t 以上机械压力机锻模和 3t 以上锻锤模 使用寿命较 5CrNiMo 和 5CrNiMoV 提高 0 5 1 5 倍 3Cr2MoWVNi 钢也是我国开发的一种热锻模用钢 有 高的使用寿命 2 热挤压用模具钢 H13 已是国内外广泛使用的热作模具钢 在使用温度不超过 600 C 时 有 良好的冷热疲劳性能 用做热挤压模和铝合金压铸模 有比较高的使用寿命 但 H13 钢有较大的尺寸效应 国外采用炉外精练 高温扩散退火 等向锻造等 工艺 以改善其尺寸效应 减小 Cr 和 Mo 的成分偏析 国内多采用电渣重熔等 工艺 我国研制了许多强韧性好 热稳定性高的热挤压用热作模具钢 一些钢是 在国外钼系 3Cr3Mo3V 钢和铬系 H13 钢的基础上发展起来 并在合金化方面有一 定特色 如 HMI 3Cr3Mo3W2V TM 4Cr3Mo2WMnVNb Y4 4Cr3Mo2MnVB Y10 4Cr5Mo2SiV1 HD2 4Cr3Mo2VNiNbB 012Al 5Cr4Mo3SiMnVAl 等钢 这些 钢在保持较好的强韧性条件下 具有高的其热稳定性 分别用于制做热挤压模 精锻模 有色金属压铸模等 有良好的使用效果 我国有关部门曾组织一些研究单位和使用单位 选择了 27 种国内外应用 和新研制成功的热作模具钢 对其基本力学性能 工艺性能和使用性能进行测 试和对比 并提出了各类热作模具的选材准则 三 塑料模具钢的发展 8 塑料成形用模具产值已在模具工业总产值中占首位 中国过去无专用塑料 模具用钢 近年在引进国外塑料模具用钢的同时 自行研制和开发出一些新的 塑料模具专用钢 1 预硬型塑料模具钢 这类钢在钢厂经过充分锻打后制成模块 预先热处理至要求的硬度 一般 预硬至 30 35RHC 后 供使用单位制模 P20 即 3Cr2Mo 是国外使用最广泛 的预硬塑料模具钢 已列入我国合金工具钢标准 八十年代以来已在我国一些 工厂广泛采用 718 是瑞典生产的改型 P20 钢 较 P20 有更高的淬透性 调质 后可在大截面尺寸保持硬度均匀一致 亦在我国得到较广泛地使用 2 易切削预硬钢 为了改善预硬塑料模具钢的被切削性能 可加入易切削元素 美国 日本 德国都发展了一些易切削预硬钢 国外易切削预硬钢主要是 S 系 也有 S Se 系 Ca 系 但 Se 价格较贵 S 系易切削钢的各向异性较大 在截面增大时 硫化物 的偏析比较严重 我国研制了一些含硫易切削预硬塑料模具钢 如 8Cr2MnWMoVS 8Cr2S 和 S Ca 复合易切削塑料模具钢 5CrNiMnMoVSCa 5NiSCa 5NiSCa 钢采用了 S Ca 复合易切削系和喷射冶金技术 改善了硫化物的形态 分布和钢的各向异性 在 大截面中硫化物的分布仍比较均匀 5NiSCa 钢有高的淬透性和镜面抛光性 模 具硬度为 35 45HRC 时 可顺利进行各种加工 3 非调质塑料模具钢 这种钢不经调度处理 锻 轧后可达到预硬硬度 有利于节约能源 降低 成本 缩短生产周期 我国开发的这类钢有 中碳锰硼系空冷贝氏体钢 可用 于制作塑料模和橡胶模 非调质塑料模具钢 2Mn2CrVTiSCaRe FT 钢中加入 S Ca Re 做为易切削元素 比 S Ca 复合系易切削钢有更好的切削性能 低碳 MnMoVB 系非调质贝氏体型大截面塑料模具钢 B30 钢中加入 S Ca 作为易 切削元素 工业试生产表明 400mm 厚板坯热轧后空冷 硬度沿截面分布较均匀 4 时效硬化钢 我国开发了几种低镍时效硬化钢 这些钢经调质后进行机械加工 再经时 效 通过析出金属间化合物提高硬度 热处理后变形很小 时效硬化钢适于制 作高精度塑料模具 透明塑料用模具等 这类钢有 25CrNi3MoAl 10Ni3Mn2AlCu PMS 和 06Ni6CrMoVTiAl 等钢 这些钢经调质后 硬度为 20 30HRC 可进行机械加工 再经时效 硬度可达 38 42HRC 5 耐蚀塑料模具钢 塑料制品在以化学性腐蚀塑料为原料时 模具需具有防腐蚀性能 一般采 用耐蚀钢制造模具 此时还要求有较好的耐磨性 常用的钢种为 4Cr13 420 9Cr18 17 4PH PCR 0Cr16Ni4Cu3Nb 是我国开发的一种耐蚀塑料模具钢 有较 好的综合力学性能良好的抗蚀性 四 我国模具材料发展展望 我国的模具钢在生产技术 产品质量等方面与先进国家相比存在着很大的 差距 仍需不断开拓创新 以扩大模具的品种规格 积极推广应用性能较好的 通用型模具钢如 Cr5Mo1V Cr12Mo1V1 Cr5MoSiV1 等 并推广一些性能较好的 9 新型模具钢如 CH 1 LD HD 等 并结合我国模具工业的发展 形成我国新的模 具钢系列 以满足高性能 长寿命的模具生产的需要 努力提高我国模具技术 水平 第二章 常用的模具材料及其选用 一 冷作模具钢 1 11 1 冷作模具钢的特点及应用冷作模具钢的特点及应用 特点 真空脱气精炼钢 内质纯净 机械加工性良好 切削性较 SKD1 提高 20 淬透性良好 空冷淬硬 不易出现淬裂 耐磨性极为优异 可用作不锈钢及高硬度材的冲裁模 韧性良好 综述 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 图 1 冷作模具钢 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 1 1 2 2 常常用用冷冷作作模模具具钢钢的的型型号号 主主要要特特性性 用用途途及及生生产产品品种种 型号主要特性用途生产品 10 种 Crl2 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 冲击韧性较差 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 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 热轧材 冷拉材 锻材 热轧钢 板 冷 拉钢丝 Cr12Mo1V1 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 Cr12MoV 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 热轧材 锻材 冷拉材 热轧钢 板 冷 拉钢丝 Cr12MoV 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 Cr12 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 热轧材 锻材 冷拉材 热轧钢 板 冷 拉钢丝 Cr5Mo1V 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 热轧材 锻材 冷拉材 热轧钢 板 冷 拉钢丝 11 9Mn2V 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 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 具有较高的淬透性 由于加入 1 20 26mdash 1 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 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 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 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 热轧材 锻材 冷拉材 冷拉钢 丝 冷 轧钢板 Cr4W2MoV 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 热轧 材 锻 材 根据需 方要求 可供应 小规格 模块 6Cr4W3Mo2VNb 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 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 热轧材 锻材 根据需 方求可 供应部 12 钢含有 0 20 26mdash 0 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 分扁钢 或其他 条钢 6W6Mo5Cr4V 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 用于制造冷挤 压凹模和上下 冲头等 热轧材 锻材 1 1 3 3 钢钢种种选选择择 通常按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 13 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 二 热作模具钢 2 2 1 1 热热作作模模具具钢钢的的特特点点及及应应用用 热作模具钢主要用于制造锤锻模 压力机锻模 热挤压模和压铸模 它 们的工作条件有很大的差别 热作模具包括锤锻模 热挤压模和压铸模三类 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 图 2 热作模具钢 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 300 400 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 3 5 0 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 14 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 2 2 2 常常用用热热作作模模具具钢钢的的型型号号 主主要要特特性性 硬硬度度及及用用途途 型号主要特性硬度 HRC 用途 5CrNiMo5CrNiMo 钢具有良 好的韧性 强度和高 耐磨性 它在室温 和 500 600 时的力 学性能几 乎相同 在加热到 500 时 仍能保持 住 HB300 左右的硬 度 由于 钢中含有 钼 因而 对回火脆 性并不敏 感 从 600 缓 慢冷却下 来以后 冲击韧性 仅稍有降 低 44 48适合制 造各种 形状复 杂 冲 击载荷 大 工 作温度 不太高 边长 400mm 大中型 锤锻模 及切边 模 用 于制造 形状简 单一般 制造工 艺冶炼 采用真 空精炼 工艺确 保钢材 纯洁 采用大 型专业 的热处 理使钢 材获得 最佳的 预硬化 效果 硬度均 匀分布 5CrMnMo 该钢是热 作模具钢 除淬透性 44 48适合制 造边长 小于或 15 耐热疲劳 性稍差外 5CrMnMo 钢具有与 5CrNiMo 钢类似的 性能 淬 透性稍差 此钢适于 制作要求 具有较高 强度和高 耐磨性的 各种类型 锻模 要 求韧性较 高时 可 采用电渣 重熔钢 等于 400mm 的中型 锤锻模 及热切 边模 5CrMnMoSiV 由于增加 了合金元 素 使回 火能力及 淬透性增 大 其使 用寿命较 上面两种 材料有较 大提高 但韧性不 如 5CrNiMo 44 49适于制 作中 小型锻 模 不 适于制 作大型 锻模 4Cr5MoSiV1 H13 4Cr5W2SiV 空冷硬化 型热作模 具钢 在 较高温度 600 时具有较 高的强度 和硬度 高的耐磨 性和韧性 并具有良 好的热疲 53 55用来制 造锤锻 模 热 挤压模 压力机 模及合 金的压 铸模具 16 劳性 3Cr2W8V 常用的压 铸模具钢 有较高的 强度和硬 度 耐冷 热疲劳性 良好 且 有较好的 淬透性 但其韧性 和塑性较 差 适用 制作高温 高应力下 不受冲击 负荷的凸 模 凹模 如压铸模 热挤压模 精锻模 有色金属 成型模等 48 51适于制 造高温 高应力 但不受 冲击负 荷的压 铸铜 铝 镁 合金用 附模 型芯 浇口套 分流钉 高应力 压腊 热剪切 刀 热 顶锻模 平锻机 凸凹模 镶块等 4Cr3Mo2MnVNbB Y4 新型热作 模具钢 具有较高 的热强性 热稳定性 良好的韧 性 导热 性及工艺 性能 49 50制造铝 合金压 铸模 并代替 3Cr2W8 V 制造 中 小 型压力 机模具 热挤压 等模具 4Cr5MoSiV H11 空冷硬化 型热作模 具钢 在 中温下具 有较好的 热强性 高的耐磨 性及工艺 性能 53 57用于制 造铝合 金压铸 模 热 挤压模 穿孔用 工具 型芯 压力机 锻模 17 5Cr3 7Cr34CrW2Si 该类钢具 有良好的 韧性 高 的耐磨性 硬度及热 硬性 优 良的制造 工艺性 43 45用于制 造热切 边模 4CrMo2MnVNbB4CrMo2NiVNbB4Cr2Mo2MnVB2Cr Mo2VNb 具有良好 的淬透性 导热性 高温强度 良好的冷 热疲劳性 和热熔性 高热稳定 性及良好 的加工工 艺性 30 38用于制 造铜 铝合金 压铸模 8047 延展性优 良 高温 强度高 热应力疲 劳抗力强 良好的淬 透性和热 处理尺寸 稳定性 32 38适于制 造锌 铝 铅 压铸模 浇口套 三 塑料模具钢 1 塑料模具用钢涵盖广泛 从普通钢材到专用钢才都有 这在塑料模具初期更加明 显 如今已日趋正规和高级 专门用钢已自成体系 模具用钢的化学成分和合金工 具钢的基本相同 但其冶金质量更高 加工精良 对热处理有利 2 塑料模具钢性能要求严格 热处理难度大 3 为避免模具零件在强韧化过程中的变形或其他热处理问题 模具钢以 预硬化形式供应市场已较普遍 4 以石化产品为原料的塑料制品 某些度不同的腐蚀性 所以耐蚀钢应 用也较多 5 配合预硬化钢 非调质刚的应用 易切削性也是塑料模具钢的特点 18 图 3 塑料模具钢 常用塑料模具钢特性及用途 20 钢 该钢属于低碳碳素钢 强度低 韧度 塑性和焊接性均好 主要用 于型腔简单 生产批量较小的塑料模 采用反印法制造模具 然后经渗碳淬火 回火处理 可获得外表高硬度又耐磨 心部韧性好的模具 20Cr 是我国目前产量最大的几个合金结构钢之一 用途非常广泛 比 20 钢有较好的淬透性 中等的强度和韧度 经渗碳处理以后 具有很高的硬度 耐磨性和适当的抗腐蚀性 作为塑料模具用钢的用法同 20 钢 45 钢 该钢具有较高的强度和较好的切削加工性 经适当热处理以后 可 获得一定的韧度 塑性和耐磨性 材料来源方便 一般经调质以后制造塑料模 具 是我国目前塑料模具用钢最广泛的一个钢种 40Cr 此钢的抗拉强度与屈服强度比相应的碳素钢高 20 并具有良好的淬 透性 良好的切削加工性能 此钢制造的塑料模具再经渗碳或碳一氮共渗处理 后 可以提高其耐磨性和抗蚀 性 50CrNiMnMoVSCa 5NiSCa 该钢采用 S Ca 复合易切削系和喷射冶金技术 改善了硫化物的形态 分布和钢的各向异性 并能保证在大截面中硫化物的分 布仍比较均匀 5CrSCa 钢有较高的淬透性 高韧度 易切削 在预硬态 42HRC 下仍具有好的被加工性能 具有良好的镜面抛光性能 抛光后表面粗 糙度可达 Ra0 040 m 补焊性能好 适用于型腔复杂的塑料注射模 压缩模 要求变形极小的大型塑料成型模等 3Cr2Mo 该钢是由美国 AISI 的 P20 转化过来的预硬性塑料模具钢 并已纳 入国标 GB1299 1985 可在 29 5 35HRC 硬度条件下供应 有良好的机加工性 能 极好的抛光性能 是各国应用较广泛的一种塑料模具钢 适用于压缩模 注射模 3Cr2NiMnMo 该钢是在 P20 的基础上进行研制的新钢种 该钢既具有高的 强韧性又具有好的加工性能和抛光性能 可抛光到 Ra0 020 m 可在预硬态 下 30 36HRC 加工 适用于大型塑料模或型腔复杂 要求镜面抛光的模具 8Cr2MnWMoVS 8Cr2S 该钢具有易切削 调质态 40 42HRC 其切削性能 相当于 T10A 退火态 200HB 的加工性能 综合力学性能好 耐磨性好 镜面 抛光性能好 可研磨抛光到 Ra0 025 m 光刻浸蚀性能好 适用于制造压缩模 注射模 压注模 经整体淬火 回火后还可制造冷冲模 级进模等 2Cr13 是马氏体型不锈钢 具有良好的韧度和冷变形性 硬度比 1Cr13 稍 高 而耐蚀性则略低于 1 Cr13 冷态时的深拉 冷冲工艺良好 焊后硬化倾向 19 较大 易产生裂纹 用于要求抗一定腐蚀性的塑料模具 4Cr13 属于马氏体不锈钢 比 2Cr13 有更高的强度 硬度 淬透性好 耐 腐蚀性不如 2Cr13 钢 焊接性能差 适用于制造要求一定强度和抗腐蚀介质条 件下 较大截面的塑料模具 1Cr18Ni9Ti 属奥氏体不锈钢 具有良好的耐酸性介质的腐蚀能力和良好 的抗氧化能力 用于制造含有腐蚀性添加剂的塑料制品的模具 但该钢的强度 较低 不适于制造承受很大压力的模具 25CrNi3MoAl 是我国研制的一种低镍时效钢 经 880 淬火和 680 700 高温回火 硬度在 20 25HRC 可进行机加工 再经 520 540 时效 硬度可达 38 42HRC 时效是靠析出与基体共格的有序金属间化合物 NiAl 而得到强化的 适用于要求制造尺寸精度比较高的塑料模具 10CrNi3MnCuAl PMS 钢 是一种高级镜面 Ni Cu Al 析出硬化型塑料模具 钢 采用电弧炉加电渣重熔法制钢 材质纯净 有高的抛光性能 抛光后表面 粗糙度可达 Ra0 05 0 12 m 并具有很好的花纹图案蚀刻性能 良好的冷热加 工性能和综合力学性能 时效后硬度可达 38 45HRC 变形率在 0 05 以下 是 热塑性塑料透明件和各种光亮度要求的塑料制品成型模具的专用钢 Y55CrNiMnMoV SM1 Y20CrNi3AlMnMo SM2 是在 P20 基础上改进研制的 新型塑料模具钢 均属 S 系易切削模具钢 可在预硬状态下交货 在 35 40HRC k 50 80J cm2 b 1200MPa 条件下 仍有较好的切削加工性能 抛光性能好 表面粗糙度可达到 Ra0 1 m 以上 用于多功能收音机 单放机 电话机等塑料制品比 45 钢寿命提高 4 倍以上 20 第三章 模具材料的热处理 一 模具材料的热处理对模具性能的影响 1 1 对模具制造精度的影响对模具制造精度的影响 组织转变不均匀 不彻底及热处理形成的残余应力过大等 会造成模具在 热处理后的加工 装配和模具使用过程中的变形 从而降低模具的精度 甚至 报废 2 2 对模具强度的影响对模具强度的影响 热处理工艺制订不当 热处理操作不规范或热处理设备状态不完好等 都 会造成被处理模具强度 硬度 达不到设计要求 3 3 对模具工作寿命的影响对模具工作寿命的影响 热处理造成的组织结构不合理 晶粒度超标等 会导致主要性能如模具的 韧性 冷热疲劳性能 抗磨损性能等下降 影响模具的工作寿命 4 4 对模具制造成本的影响对模具制造成本的影响 作为模具制造过程中的中间环节或最终工序 热处理造成的开裂 变形超 差及性能超差等情况 大多数情况下会使磨具报废 即使通过修补可继续使用 也会增加工时 延长交货期 从而提高模具的制造成本 二 模具的真空热处理技术 二 模具的真空热处理技术二 模具的真空热处理技术 1 1 技技术术要要点点 真空高压气冷淬火技术 当前真空高压气冷淬火技术发展较快 相继出现了负压 1 105Pa 高流率气冷 加压 1 105 4 105Pa 气冷 高压 5 105 10 105Pa 气冷 超高压一 10 105 20 105Pa 气冷等新技术 不但大幅度提高了真空气冷淬火能力 且淬火后工件表面光亮度好 变形小 还有高效 节能 无污染等优点 真空高压气冷淬火的用途是材料的淬火和 回火 不锈钢和特殊合金的 固溶 时效 离子渗碳和碳氮共渗 以及真空烧结 钎焊后的冷却和淬火 用 6 105Pa 高压氮气冷却淬火时 被冷却的负载只能是松散型的 高 速钢 W6Mo5Cr4V2 可淬透至 70 100mm 高合金热作模具钢 如 4Cr5MoSiV 可达 25 100mm 用 10 105Pa 高压氮气冷却淬火时 被冷却负载可以是密集型的 比 6 105Pa 冷却时负载密度提高约 30 4O 用 20 105Pa 超高压氮气或氦气和氮气的混合气冷却淬火时 被冷却负 载是密集的并可捆绑在一起 其密度较6 105Pa 氮气冷却时提高 80 150 可冷却所有的高速钢 高合金钢 热作工模具钢及Cr13 的铬钢和较多的合金油淬钢 如较大尺寸的9M