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2012 05 16 CHD 模具材料 1 模具材料 模具的分类 模具材料的选用 模具材料的热处理 模具的失效 2 1 金属材料的性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能 1 使用性能是指为了保证零件的正常工作 材料应具备的性能 它包括物理性能 化学性能和力学性能 1 1力学性能 强度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度1 2物理性能 密度 熔点 导电性 导热性 热膨胀性 磁性1 3化学性能 耐腐蚀性 高热抗氧化性2 工艺性能是指金属材料在被加工过程中 适应各种加工工艺方法的性能 如铸造性能 焊接性能 热处理性能和切削加工性能等 2 1铸造性能2 2锻造性能2 3焊接性能2 4热处理性能2 5切削加工性能2 6冲压性能 3 1 1金属材料的力学性能 1 机械零件或其他结构件在使用过程中 会受到各种外力的作用 金属材料在外力作用下所表现出来的性能称为力学性能 它是保证保证零件和构件正常工作应具备的主要性能 衡量金属材料力学性能的指标主要有强度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度等 力学性能不仅是机械零件设计 选材 验收 鉴定的主要依据 也是对产品加工工程实行质量控制的重要参数 2 金属材料在加工和使用过程中所受到的外力成为载荷 1 静载荷 是指在短时间内以高速度作用于零件上的载荷 2 冲击载荷 是指在短时间内以高速度作用于零件上的荷重 3 交变载荷 是指大小 方向随时间发生周期性变化的载荷 3 金属材料在载荷作用下发生的尺寸和形状的变化称为变形 按去除载荷后变形是否能完全恢复的情况 变形可分为弹性变形和塑性变形 去除载荷后零件的变形能立即恢复原状 即随载荷的作用而产生 随载荷的去除而消失的变形称为弹性变形 若去除载荷后零件的变形不能完全消失而是保留一部分残余变形 这种不能恢复的残余变形称为塑性变形 也称为永久变形 根据载荷作用不同 变形又可分为拉伸 压缩 剪切 扭转和弯曲等五种变形方式 4 金属材料在受外力作用时 为保持其不变形 在材料内部作用着与外力相对抗的历 称为内力 单位面积上的内力叫做应力 简述材料受拉伸载荷或压缩载荷时 其横截面积上的应力的计算公式 4 1 1 1强度 定义 金属材料在静载荷作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力成为强度 金属材料的强度越高 抵抗塑性变形和断裂的能力 在工作中所能承受的载荷就越大 金属材料的强度按受力类型分为抗拉强度 抗压强度 抗剪强度 抗弯强度和抗扭强度五种 一般情况下多用抗拉强度作为衡量金属材料强度的依据 金属材料的抗拉强度是通过拉伸试验测定的 1 拉伸试验2 拉伸曲线在拉伸试验过程中 试验机自动以拉伸力F为纵坐标 以拉伸量 L为横坐标 画出一条拉伸力F与伸长量 L的关系曲线 称为力 拉伸曲线或拉伸曲线 5 3 由拉伸曲线可以看出 低碳钢试样的拉伸过程可分为以下几个阶段 弹性变形阶段 op 在拉伸试验时 若施加在试样上的载荷未超过Fp 那么在此阶段试样所发生的变形均为弹性变形 即载荷去除后试样的形状和尺寸可以恢复原状 Fp为试样能恢复到原始形状和尺寸的最大载荷 屈服阶段 pe 若载荷超过Fp时 试样开始出现微量的塑性变形 则卸除载荷后试样的变形不能完全消失 即试样的形状和尺寸不能恢复原状 当载荷达到Fe时 试样开始发生明显的塑性变形 强化阶段 e m 当载荷超过Fe后 材料开始出现明显的塑性变形 同时欲使试样继续伸长 载荷也必须不断增加 即随着塑性变形量的增加 试样变形抗力也逐渐增加 这种现象称为形变强化 Fm为试样拉断前所能承受的最大载荷 颈缩阶段 mz 当载荷增加到最大值Fm时 试样开始局部截面积缩小 出现颈缩现象 变形主要集中在颈缩部位 6 1 1 2塑性 定义 塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力 塑性表示了金属材料在断裂前产生塑性变形的能力的大小 金属材料的塑性也是通过拉伸试验测定的 衡量指标有断后伸长率和断面收缩率两种 材料具备一定的塑性才能进行各种成型加工 如冷冲压 锻造 轧制等 钢的塑性较好 能通过锻造成型 铸铁的断后伸长率几乎为零 塑性很差 所以不能进行塑性变形加工 另外 具有一定塑性的零件 偶尔过载也能由于发生一定量的塑性变形而不致立即断裂 在一定程度上保证了零件的工作安全性 因此对于重要的结构零件要求必须具备一定的塑性 塑性并不是越大越好 一般来说 各种零件对塑性的要求有一定的限度 钢材的塑性过大 一般其强度会降低 这不但会降低钢制零件的使用寿命 而且会加大零件的自身重量 浪费材料 定义 硬度是指金属材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力 是衡量金属材料软硬程度的指标 1 布氏硬度 BH 2 洛氏硬度 HR 3 维氏硬度 HV 1 1 3硬度 7 1 1 4冲击韧性 定义 金属材料抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力成为冲击韧性 衡量指标是冲击吸收功Ak 8 1 1 5疲劳强度 1 疲劳现象 实际生产中有许多机器零件 如齿轮 弹簧 衢州等 都是在交变载荷下工作的 承受交变载荷的零件 在工作应力低于其屈服强度时 经过较长时间的工作也会发生突然断裂 这种现象称为疲劳 疲劳断裂是在实现无明显塑性变形的情况下突然发生的 故其具有很大的危险性 2 疲劳强度金属材料在无数次交变载荷的作用下而不发生断裂的最大应力 称为疲劳强度 用 1表示 疲劳强度的数值越大 材料抵抗疲劳破坏的能力越强 3 提高疲劳强度的措施疲劳断裂是在零件应力集中的局部区域发生的 疲劳断裂的宏观断口都有一个疲劳裂纹的策源地和裂纹扩展区 因此疲劳强度除了与材料的属性有关外 零件表面状态和内部缺陷对疲劳强度的影响也很大 如表面擦伤 刀痕 打记号 磨裂等 表面粗糙度 加工纹路 腐蚀 内部裂纹与夹杂等 表面很小的伤痕都会造成尖锐的缺口 产生盈利集中使 1大大下降 零件的疲劳强度除了与材料属性有关之外 还可以采取下列措施来加以提高 改善零件的结构形式 避免尖角 缺口 截面突变等 以避免应力集中一起疲劳裂纹 采用化学热处理 表面淬火 喷丸和滚压等表面强化处理 提高其表面强度 降低零件表面粗糙度 提高表面加工质量 尽可能减少可能成为疲劳源的表面损伤和缺陷等一系列措施均可提高零件的疲劳强度 9 1 2金属材料的工艺性能 金属材料的工艺性能是指在制造机械零件和工具的过程中 金属材料适应各种加工方法的性能 工艺性能标志着金属材料制成成品的难易程度 直接影响到工件加工的质量 生产效率和加工成本 工艺性能主要包括铸造性能 锻造性能 焊接性能 热处理性能以及切削加工性能等 1 2 1铸造性能铸造是指将熔化后的金属液浇入铸模中 待凝固 冷却后获得所需形状和性能的零件的成型方法 铸造是获得零件毛坯的主要方法之一 铸造性能是指金属的铸造成形过程中获得优质铸件的能力 铸造性能通常用金属液的流动性 收缩性等表示 金属的流动性越好 收缩率越小 则表明铸造性能越好 1 2 2锻造性能锻造是指利用冲击力或压力使金属产生变形的加工方法 锻造性能是指金属材料锻造时会改变形状而不产生裂纹的性能 锻造性能好 表面金属易于锻造成形 锻造性能与金属的塑性和变性抗力有关 金属的塑性越好 变性抗力越小 则锻造性能越好 黄铜和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能 钢在加热状态下锻造性能较好 低碳钢的锻造性能比中碳钢 高碳钢 非合金钢比相同含碳量的合金钢好 铸铜 铸铝和铸铁则不能进行锻造 1 2 3焊接性能焊接性能是指在两块分离的金属之间通过加热或加压 使其牢固地结合成一个整体的加工方法 焊接性能是指材料在限定的加工条件下 通过焊接方法获得复合设计要求的焊接接头的性能 焊接性一般根据焊接时产生的裂纹敏感性和焊缝区力学性能的变化来判断 如低碳钢和低碳合金钢焊接性能良好 其焊接质量容易保证 焊接工艺简单 高碳钢和高合金钢焊接性能较差 焊接时需要采用预热或气体保护焊等 焊接工艺复杂 1 2 4热处理性能热处理是通过对固态下的材料进行加热 保温 冷却 从而获得所需要的组织和性能的工艺 钢的热处理性能包括淬透性 晶粒长大倾向 回火稳定性 变形与开裂倾向等 1 2 5切削加工性能切削加工性能是金属材料切削加工的难以程度 切削加工性能的好坏 直接影响零件的表面质量 刀具的寿命 切削加工成本等 切削 10 2 模具材料的选择 模具的应用 随着现代工业技术的迅速发展 诸多产品零件广泛采用各种先进的金属无切削 少切削加工新工艺生产 如精密锻造 精密铸造 精密冲压 恒温超塑性成形等加工新技术 这些先进的加工技术是离不开与产品相适应的模具的 模具加工有材料利用率高 生产效率高 产品质量好 解决能源 生产成本低等优点 因此 模具在现代机械制造业中日益广泛得到应用 模具的质量和性能好坏 寿命的长短 直接关系到产品的质量 寿命和经济效益 模具材料及热处理以及表面强化工艺是影响模具质量 性能及使用寿命诸多因素中的主要因素 为了提高模具的质量和使用寿命 降低成本 增加效益 就要求合理选用模具材料 正确选择热处理及表面强化工艺 大力推广应用新材料 新工艺和新技术 11 2 模具材料的选择 2 1 1模具的分类 1 按模具结构形式分类 冲模中的单工序模 COVERMODULE 复合模 级进模等 COREPLATE 塑料成型模具中的压缩模 注塑模 PLATE等 挤出模 HOSEFEED 2 按模具使用对象分类 如电工模具 汽车模具 电视机模具等 3 按模具材料分类 如钢模 铸铁模 硬质合金模等 4 按工艺性质分类 冲孔模 落料模 拉伸模 弯曲模 塑料成型模 吸塑模 吹塑模5 按模具服役条件分类 冷作模具 热作模具 塑料模具 玻璃模具 陶瓷模具 6 按模具成型加工工艺性质和使用对象为主的综合分类 金属板材成型模具 费金属材料制品成型模具 金属体积成型模具 简易模具 通用模具与经济模具 等 2 1模具及模具材料的分类 12 2 模具材料的选择 2 1 2模具材料的分类 制造模具的材料一般可分为钢铁材料 非铁金属及其合金材料和费金属材料三大类 应用最多的是钢铁材料 其中主要的又是模具钢 根据模具的服役条件 通常将模具钢分为以下四种类型 1 冷作模具钢 目前我国研制和应用过的冷作模具钢多达40多种 按钢的化学成分 工艺性能极其承载能力 冷作模具钢又可分为10类 2 热作模具钢 低耐热高韧性热作模具钢 中耐热韧性热作模具钢高耐热行热作模具钢 特殊用途热作模具钢 3 塑料模具钢 碳素塑料模具钢 渗碳型塑料模具钢 预硬型塑料模具钢 时效硬化型塑料模具钢 耐腐蚀型塑料模具钢 4 其他模具材料 玻璃模具及陶瓷模具所用的材料 2 1模具及模具材料的分类 13 Text 2 1 2 1 冷作模具 14 2 模具材料的选择 2 1 2使用性能要求 冷作模具在使用中受到较高的压缩 拉伸 弯曲 冲击 摩擦等机械力的作用 因此 对冷作模具钢的使用性能要求有以下要求 1 具有高的耐磨性 硬度52 62HRC 模具热处理后的组织为 细小针状回火马氏体 或下贝氏体 和分布均匀 细小的粒状碳化物 2 具有高的强度 被加工材料的变形抗力较大 使模具受到强烈的挤压 弯曲 剪切和摩擦力的综合作用 所以应具有高的强度 3 具有足够的韧性 模具材料的韧性要根据模具的工作条件来决定 如冲厚板冷冲模 在工作时要承受较大的冲击载荷 故应选择高韧性的冷作模具钢 而冲薄板的冷冲模 通常受到的是小能量多次冲击载荷的作用 模具常见的失效形式是疲劳断裂 因此 韧性不比要求过高 可选择强度和韧性配合较好的冷作模具钢 4 具有较强的抗咬合性 咬合是指金属材料在拉伸受力流动成形的过程中 润滑油膜在高压摩擦下被破坏 此时被拉伸件金属 冷焊 在模具型腔表面出现金属瘤的现象 继续拉伸将增加成形工件的表面粗糙度值或出现划痕 严重时无法继续工作 影响咬合性的主要因素是成形材料的性质 镍基合金 奥氏体不锈钢等有较强的咬合倾向 模具工作表面进行氮化或镀硬铬并抛光 可有效提高拉伸模具的抗咬合性 15 2 模具材料的选择 5 具有较高的疲劳抗力 冷作模具通常是在交变载荷作用下发生疲劳破坏的 因此冷作模具需要有较高的疲劳抗力 导致模具疲劳失效的因素有 模具表面有粗糙 有微笑刀痕 模具表面脱碳 钢中有带状和网状碳化物 晶体粗大等 2 工艺性能要求1 良好的可锻性 锻造不仅能减少模具材料的切削加工余量 节约钢材 而且能改善钢的组织状态机减少钢的内部缺陷 为了获得良好的锻造质量 模具材料应具备热锻变形抗力小 锻造温度范围宽 塑性好 锻裂 冷裂及析出网状碳化物的倾向小的优点 2 良好的可切削加工性 3 良好的可磨削加工 通常为保证模具具有较小的表面粗糙度值和较高的尺寸精度 模具都需经磨削加工 4 良好的热处理工艺性 冷作模具一般都需要经过淬火回火处理 因此模具材料应具有良好的热处理工艺性 主要包括淬透性 淬硬性 回火稳定性 过热敏感性 氧化脱碳敏感性 淬火变形和开裂倾向等 16 冷作模具钢及其热处理 冷作模具钢的主要性能要求 高变形抗力 断裂抗力 耐磨损 抗疲劳 抗黏着性能常用材料包括 碳素工具钢 T10A T12A低合金钢 9Mn2V CrWMn 9SiCr GCr15高合金钢 Cr12 Cr12MoV合金钢主要特点 含C量高 含较多合金元素 合金元素降低钢的马氏体相变点Ms 冷作模具主要用于金属或非金属材料的冲裁 拉伸 弯曲等工序 工作零件承受拉压 弯曲 冲击 疲劳 摩擦等多种机械力作用 主要失效形式 断裂 堆塌 磨损 黏着 咬合 啃伤 软化等冷作模具钢侧重硬度 耐磨性 含碳量高 合金元素以增加淬透性 提高耐磨性为主 冷作模具钢热处理特点 加热方式 预热或阶梯式升温 加热介质 采用控制气氛炉 真空炉 冷却方式 较缓和的冷却方式以减少变形 表面处理 深冷处理 渗氮 工序间防护 及时清理 碳素工具钢的热处理 用于要求不太高的小型简单冷作模具工作零件 T8A T10A T10A应用最普遍 强度和韧性较高 碳素工具钢淬透性差 常规淬火后淬硬层1 5 3 0mm 低合金钢的热处理 俗称油淬钢 这类钢一般淬火温度较低 在油中冷却 变形小 尺寸稳定性好 主要有 鉻钨锰钢 CrWMn 9CrWMn 锰钒钢 9Mn2V 高碳鉻钢 Cr2 鉻硅钢 9SiCr 高合金钢的热处理 主要是高鉻高碳钢 淬透性极高 具有微变形性 也叫微变形钢 是高级冷作钢 代表钢号Cr12 Cr12MoV Cr12W Cr5MoV等火焰淬火冷作模具钢的热处理 为简化大型 特大型冷作模具的生产过程而专门研制的 其热处理特点是 淬火温度范围很宽 880 1150 适合手工操作 淬透性很高 空冷后表面硬度高 芯部性能也好 淬火变形倾向性小 应用较普遍的是 7CrSiMnMoV 17 18 日立金属HITACHI SKD11 56 00元 公斤 是一种耐磨性能较佳的通用冷作模具钢 有着良好的淬火性 并且淬火变形量小 用途 此钢易于车削 并宜制锋利刀口 剪刀 圆锯 冷或热作修整模 滚简边 螺丝纹 线模 铣刀 冲压模 圆形滚边 制电力变压器心冲模 切割钢皮轧刀 钢管成型滚简 首筋匠滚简 特殊成型滚简 精密规 形状繁杂之冷压工具 治金 锡作模 塑胶模 螺钉打头模等 冷作模具钢与热作模具钢的区别 冷作模具钢侧重硬度 耐磨性 含碳量高 合金元素以增加淬透性 提高耐磨性为主 热作模具钢对硬度要求适当 侧重于红硬性 导热性 耐磨性 因此含碳量低 合金元素以增加淬透性 提高耐磨性 红硬性为主 19 Text 2 1 2 1 热作模具 20 热作模具钢及其热处理 热作模具主要有鍛模 热挤压模 压铸模等主要失效形式 断裂 开裂或机械疲劳裂纹 塑性变形或型腔堆塌 热疲劳 热磨损和热熔损 热作模具钢的主要特点 除良好的工艺性能外 还要求在不同温度下具有高的强度 韧性 硬度 热稳定性 一般含C量较低 多元合金化 含Cr W Mo Ni V Si Co等 较高韧性热作模具钢 用于制造受冲击载荷较大的热作模具工作零件 典型钢号 5CrNiMo和5CrMnMo 21 热作模具钢及其热处理 高热强性热作模具钢 主要制作压铸模 机锻模的工作零件 要求有较高的热强性 热疲劳性 热熔损 回火抗力 热稳定性 一般含较多Cr W Si Mo V等合金元素 代表钢号有 4Cr5MoSiV 4Cr5MoSiV1 国外牌号H13 4Cr3Mo3SiV高耐磨性热作模具钢 具有红硬性和良好的热磨损性 有较高的高温强度 高温韧性和热稳定性 代表钢号 3Cr2W8V 含W量高 淬火温度高 1100 1150 为减少变形 要缓慢升温 对复杂 大型件应预热 22 2 模具材料的选择 2 1 2使用性能要求 1 具有足够的硬度和高的热硬性 高温耐磨性及良好的韧性 硬度42 50HRC 热硬性是指模具材料在一定温度下保持硬度 组织稳定性及抗软化性的能力 对于热作模具来说 热硬性是其重要的性能指标 同时 高的高温硬度也是高温耐磨性的重要保证 如果模具钢不具备高的强度和良好的冲击韧性 模具在使用中就容易开裂而失效 2 具有高的热疲劳强度 模具工作时反复受到急热急冷的作用 其型腔表面就会产生网状裂纹 龟裂 这种现象称为热疲劳 这是热作模具失效的主要原因之一 3 具有良好的导热性 为了降低模具的表面温度 减小其内外部的温差 要求模具钢具有良好的导热性 以避免力学性能下降 模具的型腔尺寸密度降低 23 2 模具材料的选择 2 工艺性能要求1 具有良好的可加工行 为了降低模具的制造成本 提高模具的加工质量 模具应具有良好的冷加工和热加工性 如可锻性 可切削性 可磨削性 热处理工艺性等 2 具有高的淬透性和回火稳定性 热作模具的几何尺寸一般都较大 尤其是急用热锻模 为保证模具整个截断面获得均匀一致的力学性能 尤其是韧性 则要求模具钢具有高的淬透性 另外 为保证模具的高温强度和高温硬度不降低 要求热作模具钢具有高的回火稳定性 3 具有较高的抗氧化性和抗腐蚀能力 尤其是受热较高的压铸模 不仅要具有良好的抗氧化性能 还要具有抵抗液态金属对模具型腔冲刷和腐蚀的能力 以确保模具的尺寸精度和使用寿命 24 Text 2 1 2 1 塑料模具 25 塑料模具钢及其热处理 塑料模具钢的主要特点 范围广 从普通钢到专用钢 专用钢已自成体系 钢号前加SM性能要求严格 热处理难度大 要求可抛光性和镜面质量避免变形耐腐蚀易切削性 26 塑料模具钢及其热处理 各种钢型的热处理预硬化型塑料模具钢的热处理易切削预硬化型塑料模具钢的热处理非合金中碳塑料模具钢的热处理渗C型塑料模具钢的热处理耐腐蚀型塑料模具钢的热处理时效硬化塑料模具钢的热处理 27 塑料模具钢及其热处理 预硬化钢泛指钢厂已进行最终热处理 淬火回火 的钢材 典型预硬化塑料模具钢为 SM3Cr2Mo 其热处理工艺为 840 880 淬火 油冷 600 650 回火 空冷 供应硬度32HRC 对应的美国钢材为P20 德国钢40CrMnMo7 日本HPM2 P20钢渗 后热处理工艺为 820 870 淬火 150 260 回火 空冷 渗 层硬度达58 64HRC 德国钢40CrMnMo7淬透性比SM3Cr2Mo好 加工性 抛光性更好 28 塑料模具钢及其热处理 易切削预硬化钢在保证原有性能前提下 添加一种或几种易切削合金元素 典型材料有 8CrMnWMoVS 8CrS 含S易切削钢 热处理硬度达40