模具选材及热处理(工艺).ppt

第八章模具材料及热处理,第一节模具材料概述,一、模具的分类根据模具的工作条件，可将模具分为以下三大类：1.冷作模具：包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉深模、拉丝模、滚丝模、剪切模等。2.热作模具：包括热锻压模（热锻模、高速锤锻模、精密锻造模）、热挤压模、热冲裁模、压铸模等。3.成形模具：包括塑料模、橡胶模、陶瓷模、玻璃模、粉末冶金模具等。,汽车模具系列,保险杠注射模,轮毂压铸模,轮胎橡胶模,密封圈挤出模,大型覆盖件模,反光镜玻璃模,绝缘陶瓷模,举例:,二、模具失效的概念1.模具的服役：模具经安装、调试后，正常生产合格产品的过程称为模具的服役。2.模具的损伤：模具在使用过程中，虽然出现尺寸变化（变形、磨损等）、微裂纹等缺陷，但没有丧失服役能力的状态。称为有病状态，要及时维修。3.模具的失效：模具损坏到不可修复，且不能生产出合格产品的状态；模具的失效按照发生时间的早晚可分为正常失效和早期失效。,三、常见的失效形式塑性断裂1.断裂失效脆性断裂疲劳断裂过量弹性变形2.过量变形失效过量塑性变形（局部塌陷、局部镦粗、型腔胀大）蠕变(金属在高温环境下，即使所受的力小于屈服点，也会随时间的增长发生缓慢的永久变形的现象）超限表面磨损（粘着、磨粒、氧化、疲劳磨损等）3.表面损伤表面腐蚀（冲蚀、浸蚀、熔蚀等）4.疲劳及热疲劳失效疲劳裂纹,四、模具材料,五、模具材料的性能要求模具的工作条件复杂，工作温度高低不一，失效形式多样，对各类模具性能要求不同。模具的服役条件比较恶劣，一般承受高压、冲击、振动、摩擦、弯扭、拉伸等载荷；工作温度有的很高；精度要求很高；磨损、变形、疲劳、断裂时有发生。模具材料的性能相对一般零件为高，一般从使用性能和工艺性能二大方面考虑。（一）使用性能要求1.硬度和热硬性成形模具应具有足够高的硬度，才能确保使用寿命。冷作模具一般要求硬度在60HRC以上；热作模具一般在40,52HRC范围内，塑料模具通常在4560HRC内考虑。硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标，是指材料抵抗局部变形，特别是塑形变形、压痕或划痕的能力。它是强度、塑性、韧性、耐磨性等指标的综合反映，因此在零件图上常常标注硬度值，作为技术要求。热硬性是指模具在受热或高温条件下保持高硬度的能力；如热作模具和部分冷作模具要求具有一定的热硬性。材料的硬度和热硬性主要取决于材料的成分、热处理工艺及表面处理工艺。,(1)布氏硬度HB,适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。,适用范围:,450HBS;,650HBW;,(2)洛氏硬度,定义：每0.002mm相当于洛氏1度。洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种HRB轻金属，未淬火钢HRC较硬，淬硬钢制品HRA硬、薄试件,10HRCHBS,(3)维氏硬度,维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。,适用范围:,测量薄板类;,HVHBS;,图8-1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,2.耐磨性材料抵抗磨损的能力，它是衡量模具使用寿命的重要指标。磨损形式不同，影响耐磨性的因素也不同，主要因素是硬度和组织。如：冲击载荷较小时，耐磨性和硬度成正比关系；钢的组织中，马氏体和下贝氏体耐磨性较好；钢中碳化物的性质、数量、形态、分布对钢的耐磨性有显著的影响。,图8-2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8-3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8-2五种模具钢模拟冲裁试验其耐磨性,图8-3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,3.强度和韧性强度材料在静载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力，是衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标；如：冷作模具:变形抗力屈服强度，断裂抗力抗拉强度、抗弯强度等；热作模具:变形抗力高温屈服强度，断裂抗力抗拉强度、断裂韧性等；韧性在冲击载荷下抵抗产生裂纹的特性，反映了材料的脆断抗力，常用冲击韧性（K）表示。材料的强度和韧性主要取决于材料的成分、冶金质量、热处理工艺，碳化物的性质、数量、形态、分布对其也有显著的影响。,圆形截面的拉伸试样,4.疲劳抗力-反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳破坏的性能指标。热作模具常常是在急冷急热的条件下工作，必定发生不同程度的冷热疲劳现象，出现龟裂，因此希望有高的冷热疲劳抗力，以免早期失效。,Titanic沉没原因,Titanic含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,（二）工艺性能要求1.热加工工艺性能包括锻轧、铸造、焊接等性能。根据模具的不同制造工艺，可提出不同的加工性能要求，这些性能要求受到模具材料的化学成分、冶金质量、组织状态等因素的影响。2.冷加工工艺性能包括切削、抛光、研磨、冷挤压和冷拉等性能。模具制品有时要求很高的表面质量、低的表面粗糙度及高的精度，所以对切削性能和抛光性能均有较高要求。,3.热处理工艺性能实际上它是一种热加工工艺性能，在模具失效事故中，热处理所造成的因素占总失效的52%左右，热处理工艺性能的好坏对模具质量有较大影响。它要求热处理变形小、淬火温度范围宽、过热敏感性小，脱碳敏感性低、淬火开裂倾向低等，特别要求要有足够的淬硬性和淬透性。,六、模具选材的一般原则模具的选材和其他零件选材一样，都要符合选材的一般原则，它要求所选材料应满足：（一）使用性能足够根据工作条件、失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求，提出时要考虑尺寸效应及主要的、关键的性能指标，使所选材料足够满足性能要求。(二）工艺性能良好根据制造工艺方法不同使所选材料具有良好的工艺性能，首,先是能制造出来，在批量大时，对便于制造显得更为突出。（三）供应上能保证所选材料应考虑我国资源和现实供应情况，尽量少用进口材料，并且品种规格应尽量少而集中，以便于采购管理。（四）经济性合理要求所选材料生产过程简单、成品率高、成本低，在满足性能、寿命等要求下，尽可能选用价格低的材料，以降低成本。,七、模具选材的具体考虑因素在模具实际的设计与制造中，具体选材时，应综合分析，考虑以下多方面因素。（一)模具的工作条件因素1.承载受力的大小、速度（冲击状况）受力大，材料要求强度高；冲击大，则韧性要求好。2.工作温度冷作、塑料、热作三类模具因为工作温度有很大区别，所以材料的抗热性能要求有很大不同。,3.腐蚀情况腐蚀严重时要考虑不锈钢类的材料，例如加工易产生腐蚀性体气的塑料件时，可采用不锈钢类型的模具材料.（二）模具的失效因素根据模具的失效分析，找出失效原因，提出解决问题的主要性能指标，有针对性的进行选材。（三）模具所加工的产品因素1.产品批量的大小批量大时采用材质高、性能好的材料制模具；批量小时，可用性能较差、寿命较短、加工简便的材料制模具。,2.产品质量的高低精度要求高、表面粗糙度值要求低、则所选材料要从成分、材质上保证模具制造时有较好切削、抛光等性能，制成模具后有好的尺寸形状的稳定性或高的精度与低的表面粗糙度值。3.产品的材质所加工产品是金属材料还是非金属材料，对不同原材料进行加工，其变形抗力、工作温度都有很大的不同，模具的工作条件差异很大，所选模具材料就很不一样。,（四）模具的结构因素1.模具的大小大、中、小型的不同模具应选用不同的材质，一般大、中型模具（200mm）的材料费为模具总费用的50%，小型模具的材料费不超过总成本的5%10%。2.模具的形状形状简单、公差要求不严的，可选不易变形的高耐磨性材料；形状复杂模具，应选淬透性好的，采用缓冷淬火剂以免变形开裂，同时还应选易加工材料。3.模具的不同组件、不同部位,模具组成主要可分成工作零件和辅助零件。前者直接与加工材料接触，要求材料性能比后者高。如凸、凹模工作部位（型面或刃部）硬度、耐磨性、抗热性等要求高；非工作部位可适当降低，但要保证一定强韧性。对于模具的辅助零件，包括紧固件、导向零件等，可按其性能要求进行选材。（五）模具的制造工艺因素应考虑制造时所采用的冷加工（切削、抛光、研磨）、热加工（锻、铸、焊）的不同加工方法和工艺，选择适当的材料与其相适应。对手工与机械不同方法制造模具，选材应有所区别，手工制模具成本高，应尽量选较好的材料。,（六）模具的设计因素根据具体情况可考虑采用：1.不同模具采用不同结构材料对大型、复杂模具可应用组合或镶嵌结构，在刃部、型面部分或某些经受强烈磨损、冲击或高温的部位采用贵重的高性能材料，其他的模体部分，性能要求不高，可采用普通材料。2.普通材料强化处理选用普通低价材料，用表面强化方法在型面或局部进行离子渗入、堆焊、气相沉积及其他涂覆处理以获得高性能的表层。,第二节冷作模具材料及其热处理冷作模具是在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具，它主要分为冲裁模、拉拔及成形模、冷镦模和冷挤模。一、各类冷作模具的特点（一）冲裁模它是带有刃口、工作时冲切、分离材料（主要是板材）而获得一定形状、尺寸工件的模具。包括落料模、冲孔模、切边模等。它的硬度要求见表8-1。,1.工作条件主要承受冲击力、剪切力。而模具的刃部（工作部位)可看成特殊的剪刀，承受冲击、剪切、弯曲和挤压（冲头），同时，板料与刃口部位产生强烈的摩擦。2.失效形式主要为磨损、崩刃失效。3.性能要求要求高的硬度、高的耐磨性，一定的韧性，较高的抗弯强度和高的断裂抗力。,冲压常用设备：剪床和冲床等。剪床为冲床备料，将板料切成条料；而冲压加工主要在各类冲床上进行。,对于薄板(板厚1.5mm)，冲裁模以高耐磨性、高精度要求为主；对于厚板(板厚1.5mm)，除要求高耐磨性外，还应具有良好的强韧性；另外，模具的功能不同，对性能要求也不同。表8-1冲裁模的硬度要求（HRC）,（二）冷镦模它是在冲击力作用下将棒料镦成一定形状和尺寸的产品的模具。主要用于紧固件、滚动轴承、滚子、链条、汽车零件的成形。1.工作条件工作时，物料受强烈镦击，工作条件差。凸模承受巨大的冲击压应力，可超过2500MPa，冲击频率很高。凹模的型腔表面和凸模的工作表面还受到剧烈的冲击摩擦，温度可达300。2.失效形式主要是模具发生镦粗、局部变形及破裂。3.性能要求,要求有足够的硬度，凸模（镦头）要求6062HRC,凹模5860HRC，并要求模具型面有适当的硬化深度（1.5mm）和硬度分布，心部有足够的强度和韧性。例如表层选取适当硬度和硬化层深度，既不能太高过深，否则易碎裂崩块，也不能硬度不足、深度过浅，否则容易磨损、变形、拉毛、粘模而使工件精度下降。（三）冷挤压模它是在常温下，在压力机上对金属以一定的速度和压力，使金属发生塑性变形而成形产品的模具。,1.工作条件冷挤压成形时，有强烈的三向压应力作用，金属发生剧烈的流动，变形抗力大。模具承受巨大的挤压力，同时还有很大的摩擦力产生。当挤压有色金属时，挤压力达1000MPa以上；当挤压钢材时，一般正挤压力达2000-2500MPa，而反挤压力达3000-3500MPa。此外，模具还受到坯料塑性流动的剧烈摩擦，使模具表面局部温升可大于400。凸模比凹模的工作条件更苛刻，如毛坯端面不平整，冲头与凹模不同心等，都会使冲头受到很大的弯曲应力的作用。2.失效形式主要产生变形、磨损、冲头折断（因偏心弯曲）等失效。,3.性能要求具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模硬度要求在60-64HRC，凹模在58-62HRC。另外由于冷挤压时产生较大的温升，所以还应具有一定的冷热疲劳抗力和热硬性。（四）拉拔模及成形模它是将板材或棒材进行延伸或压迫，使之成为一定尺寸形状的产品的模具。包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模等。1.工作条件工作时物料受拉应力延伸变形。模具在工作时，凹模主要受径向张力和摩擦力，凸模主要承受轴向压缩力及摩擦力，摩擦力十分强烈。总的来说，模具承受的力不算太大。,2.失效形式模具应严重磨损而失效，因表面产生沟槽而报废，还产生咬合、擦伤、变形等失效。3.性能要求对拉拔模，要求很高耐磨性，高的硬度（比成形模、冲裁模更高），一般凸模硬度要求为58-62HRC，凹模硬度要求为62-64HRC，另外还要求具有良好的抗咬合性；对成形模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度为54-58HRC，凹模硬度为56-60HRC，但要求较高的韧性。,二、常用冷作模具材料及其性能特点按热处理性能分类：(一)低淬透性冷作模具钢碳素工具钢和低合金工具钢1.碳素工具钢（以T7A钢、T10A钢、T12A钢为代表）表示方式：T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明:碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,特点：这类钢的含碳量在0.7%1.3%范围内，价格便宜、原材料来源方便；加工性良好；热处理后可得到较高的硬度和一定的耐磨性，用于制作尺寸不大、形状简单、受载较轻的模具。主要缺点是淬透性差，淬火温度范围窄，对于厚大的模具就不能淬透，如模具截面尺寸15mm，采用快速水冷也只是模具表层得到高硬度，淬火变形大，易产生裂纹，与合金钢相比，模具使用寿命低，因此，不适宜制作大中型和复杂的模具零件。,丝锥,锉刀,应用范围碳素工具钢只适宜制造尺寸较小、形状简单、精度要求不高、受载较轻、生产批量不大的冷作模具。T7A钢适合制作易脆断的小型模具或承受冲击载荷较大的模具；T10A钢适合制作要求耐磨性较高，而承受冲击载荷较小的模具；T8A钢适合制作小型拉拔模、拉深模、挤压模；T12A钢只用于韧性要求不高，而硬度和耐磨性高的切边模和冲孔模等。,2.低合金工具钢表示方式：含碳量+合金元素符号+该元素百分含量当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。常用钢种：GCr15钢（滚动轴承钢）w（C）=0.951.05%，w（Cr）=1.31.65%。特点:热处理后可获得高硬度、高强度、良好的耐磨性和一定的,韧性。与碳素工具钢相比，低合金工具钢的主要优点是淬透性较高，过热倾向小，淬火变形小，回火稳定性高，热处理质量稳定。应用范围：GCrl5钢综合性能优于碳素工具钢,适于制作形状复杂、精度要求较高的小尺寸落料模、冷挤压模、搓丝模和成形模等.,（二）低变形冷作模具钢这类钢一般都有较高的含碳量，它是在碳素工具钢的基础上，加入了适量的Cr、Mn、Si、W、V、Mo等合金元素。主要作用：提高淬透性；减小淬火变形、开裂；形成特殊碳化物，细化晶粒；提高回火稳定性。这类钢的韧性、耐磨性、硬度都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。CrWMn和9Mn2V是常用钢种，广泛用来制作形状较复杂、截面较大、承受负载较大、变形要求严格的中小型冷作模具。,（三）高耐磨微变形冷作模具钢低变形冷作模具钢的性能虽然优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性以及变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的要求，这时需采用性能更好的模具钢。高耐磨微变形冷作模具钢就是其中一类。典型钢种有：Cr12型钢（Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1）和Cr4W2MoV。这类钢的成分特点是高碳（w（C）=1.42.3%），高铬（w（Cr）=1113%）。合金元素作用：,Cr提高淬透性；Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。应用：Cr12型钢是应用最广、使用量最大的冷作模具钢。Cr12钢脆性大、易断裂，只适用于制造冲击负荷小、耐磨性要求高的冲切薄钢板的冲裁模；Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢的脆断倾向较小，综合性能也优于Cr12钢，所以广泛用于制造大截面、形状复杂的重载冷作模具，如切边模、落料,模、滚丝模等。Cr12Mo1V1钢较Cr12MoV钢中Mo、V含量高，因此强韧性较Cr12MoV高，耐磨性也有所增加。一般情况下，Cr12Mo1V1钢的模具寿命比Cr12MoV钢的模具寿命提高。如用Cr12Mo1V1钢制造的冲裁模、滚丝模均比Cr12MoV钢模具寿命提高56倍。改进钢种：Cr4W2MoV钢在用Cr12型钢做冷作模具时，一个很突出的问题是钢中的粗大碳化物导致钢的脆性大，使用中易开裂。而Cr4W2MoV钢是针对Cr12型钢的缺点研制的新钢种，Cr含量比Cr12型钢减少23，属于高碳中铬钢。与Cr12型钢相比，碳化物颗粒细小，分布,均匀，具有较高的淬透性和淬硬性，耐磨性相当，淬火变形小，尺寸稳定性好。应用范围:Cr4W2MoV钢主要用来替代Cr12型钢制造各种冷冲模、高压力冷镦模、落料模、冷挤压凹模以及搓丝板等，并能提高模具寿命。,（四）高强度高耐磨冷作模具钢典型钢种：W18Cr4V（高速钢)、W6Mo5Cr4V2（高速钢）。特点：w（C）=0.70.9，合金元素总量大于15。具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，其耐磨性和承载能力居各类冷作模具钢之首，主要用于制造要求重载荷、高寿命的冷作模具。但高速钢的热塑性差，不适宜制造大型模具。,（五）高韧性冷作模具钢传统高碳高铬钢、高速钢等韧性较低，制作的冷挤压模、冷镦模、薄板冲模在使用中常常发生脆断。为提高上述冷作模具的寿命，现已研制出各种高韧性冷作模具钢。主要包括降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等。1.6W6Mo5Cr4V(代号6W6)钢主要性能特点:又称降碳高速钢，相对高速钢W6Mo5Cr4V，降低了C含量和V含量，碳化物总量减少，碳化物不均匀性得到改善，使钢在保持高硬度、耐磨性的同时，明显提高钢的抗弯强度、塑性和,韧性。主要缺陷是易产生脱碳，耐磨性稍差。应用范围：主要取代高速钢或Cr12型钢制作易于脆断或开裂的冷挤压凸模或冷镦模，寿命可提高210倍，而用于尺寸较大的圆钢下料剪刀，模具寿命可提高数十倍。2.基体钢基体钢是指成分与高速钢正常淬火后的基体组织（M）成分大致相同、而性能有所改善的一类钢。与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物数量少，颗粒细小，分布均匀，在保证一定耐磨性和热硬性的条件下，可显著改善钢的,韧性和抗弯强度，不仅适用于冷作模具，也可用于热作模具。下面主要介绍三种已经研制成功并在推广应用的基体钢。（1）65Cr4W3Mo2VNb钢（代号65Nb）成分上w（Nb）0.2%0.3%，可细化晶粒、阻止晶粒长大。w（C）0.6%0.7%，增加了少量的一次碳化物，提高了耐磨性，并有高的强度、一定的韧性。适宜于制造形状复杂、大型或塑性变形抗力大的金属冷挤压模以及受冲击负荷较大的冷镦模。（2）7Cr7Mo3V2Si钢（代号LD）它在成分上已超出基体钢范围，碳化物的含量大于10%。在高速钢基础上保持含碳量不变，去掉W，增加Cr和V的含量，从,而提高了强韧性，并有高耐磨性。和其他模具钢相比，LD钢有更好的综合性能，因而适用于制造高强韧性冷作模具。如用LD钢制造轴承滚子冷镦模、标准件冷镦凸模等，其寿命比用高铬钢和高速钢提高几倍到几十倍。（3）5Cr4Mo3SiMnVAl钢（代号012Al）主要性能特点：是冷热模具兼用的基体钢，w（C）0.47%0.57%，在三种基体钢中最低；提高了合金元素含量，从而提高了钢的热疲劳性。加入Si可提高强度，加入Al可细化晶粒，提高韧性。应用范围：,5Cr4Mo3SiMnVAl钢综合性能好，强韧性高，通用性好，作为冷作模具钢，主要代替Cr12MoV钢制造受强烈冲击的模具，特别是标准件生产所用的冷镦模。3.7CrNiSiMnMoV钢(代号GD)基体钢虽然具有高强韧性和较好的耐磨性，但合金元素含量10，成本较高；淬火温度区间较窄，一般不能用箱式电阻炉加热淬火，限制了该类钢在中小企业的推广使用。GD钢是针对基体钢的上述缺陷而研制的新钢种。主要性能特点：.,属高强韧性低合金冷作模具钢，成分与CrWMn钢相比，C含量降低、增加了Ni、Si，合金元素含量4左右。该钢碳化物偏析小，分布均匀，主要力学性能显著优于CrWMn和Cr12MoV钢，耐磨性略低于Cr12MoV，优于CrWMn。应用范围：可代替CrWMn、GCr15、9Mn2V、6CrW2Si、9SiCr、Cr12等钢制做易崩刃、断裂的冷作模具，如冷挤、冷弯、冷镦模，精密塑料模，温挤压模等，尤其适用于制造各种异形、细长薄板冷冲凸模、形状复杂的大型薄壁凸凹模等，与上述传统模具钢相比，寿命提高几倍到几十倍。,4.7CrSiMnMoV钢（代号CH-1）是一种火焰淬火钢，属低合金空淬微变形钢。主要性能特点：w（C）0.65%-0.75%，淬火温度宽（82010000c），性能与GD钢接近，具有高的强韧性，火焰加热后空冷可获得60HRC以上的硬度，耐磨性优于T10A和CrWMn钢，碳化物偏析小，变形抗力小，可焊性较好，能满足冲模的焊接修补要求。应用范围：可取代T10A、9Mn2V、Cr12MoV等冷作模具钢。如制,造薄板冲孔模、整形模、切边模、弯曲模、拉深模、冷镦模等不易发生开裂、崩刃，模具寿命可提高34倍。该钢可以火焰淬火，特别适合制作多孔位、形状复杂的大型冷作模具，不仅精度高，而且制造工艺简单，制造成本低。,（六）高耐磨、高韧性冷作模具钢高强韧性钢虽克服了Cr12型钢、高速钢的脆断倾向，但含碳量少，耐磨性不足。高耐磨、高韧性冷作模具钢克服上述缺点，典型钢种有9Cr6W3Mo2V2（GM）和Cr8MoWV3Si（ER5）。1.9Cr6W3Mo2V2钢（代号GM）主要性能特点：w（C）0.86%0.96%，含有多种碳化物形成元素，合金元素配比合理，未溶碳化物细小、弥散，加工性能良好，二次硬化能力强，耐磨性、韧性明显高于Cr12型钢，有最佳耐磨性和强韧性的配合。,应用范围：在高速冲床多工位级进模、滚丝模、切边模、拉深模等方面应用效果较好，模具寿命比65Nb钢和Crl2MoV钢提高26倍以上。在标准件、电器仪表和电机行业也有广泛应用前景。2.Cr8MoWV3Si钢（ER5）主要性能特点：与基体钢相比，w（C）（0.95%1.1%）和碳化物元素含量增加，但碳化物数量少，颗粒细小，分布均匀，强度、韧性、耐磨性等性能均优于Cr12MoV钢。,应用范围：ER5钢在锻造、热处理、机加工、电加工等方面无特殊要求，材料成本适中，韧性高、耐磨性好，所以适宜于制作大型、重载冷镦模、精密冲模等。例如：用ER5钢制造的电机硅钢片冲模，模具总寿命达360万次，一次刃磨寿命为21万次，是国内硅钢片冲模最高寿命水平。制造大尺寸轴承滚子冷镦模寿命达1万次以上，超过从日本进口模具的保证寿命5000次。,三、特殊用途冷作模具材料（一）特殊要求冷作模具钢主要有两类：（1）耐蚀冷作模具钢：9Crl8、Cr18Mo、Cr14Mo、Cr14Mo4;（2）无磁模具钢：1Crl8Ni9Ti、7Mnl5Cr2A13V2WMo、5Cr21Mn9Ni4W。1.9Cr18耐蚀冷作模具钢成分特点是高碳、高铬。淬火后，马氏体中含Cr高达12左,右，既具有高的硬度和耐磨性，又具有良好的耐蚀性能，主要用来制造耐蚀塑料模具。2.7Mn15Cr2Al3V2WMo无磁模具钢含锰量高，在使用状态下呈稳定的奥氏体组织，导磁系数非常低，在磁场中不被磁化。固溶淬火时效处理后，有较高的强度、硬度和耐磨性。应用范围：主要用于磁性材料的成形，以及无磁轴承和其他在强磁场中不产生磁感应的结构零件成形。该钢还具有较高的高温强度和硬度，所以也可以用来制造在700-800下工作的热作模具。,（二）硬质合金及钢结硬质合金材料1.硬质合金硬质合金是将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末(如WC、TiC等)和粘结剂(Co、Ni等)混合加压成形，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。常用硬质合金有三种：（1）钨钴类（YG）硬质合金：由WC与Co粉末烧结而制成的，YG后的数字表明钴的含量。例如YG6表示含钴量为6%，而其余为WC的硬质合金。含钴量越高，韧性越好，但硬度及耐磨性稍有降低。,（2）钨钛钴类（YT）硬质合金：由WC、TiC和Co粉末烧结而成的。YT后的数字表示TiC的含量。（3）钨钴钽类（YW）硬质合金:由WC、TiC、与TaC三种粉末与Co粘结剂烧结而制成的。YG硬质合金的韧性较好，而YT硬质合金的热硬性高，且不粘结，YW硬质合金的性能较全面，兼有两者的优点，适用多种用途，又称万能硬质合金。用于制造模具的主要是钨钴类硬质合金。其化学成分及力学性能见表223。,硬质合金的特点是：具有高硬度、高抗压强度和高耐磨性，但脆性大，不能进行锻造及热处理。主要用来制造不受冲击和冲击载荷较小的拉丝模、冷挤压模等。硬质合金用来制造这些特定模具，其寿命可高于工具钢10倍以上。,2.钢结硬质合金钢结硬质合金是以碳化物（WC、TiC）等为硬质相，以钢为粘结剂，用粉末冶金方法制成的材料。它具有硬质合金的高硬度、高耐磨性、高抗压性，又具有钢的高韧性、且可以进行冷热加工和热处理，是一种性能介于高速钢和硬质合金之间的模具材料。钢结硬质合金已在冷冲模、冷挤压模、整形模、冷镦模及一些热作模具上得到较广泛的应用。第一代钢结硬质合金有两个牌号供应市场，分别是GT35（碳化钛系）和TLMW50（碳化钨系）。第二代钢结硬质合金是我国研制成功的，硬质相为WC，简,称为DT合金。主要性能特点：DT合金硬质相颗粒细小均匀，弥散分布，保持了GT35、TLMW50合金的高硬度、高耐磨性，又较大幅度地提高了强度和韧性，可以承受较大负荷的冲击，同时还具有较好的抗热裂力，不易出现崩刃、碎裂等，DT合金在退火软化后，具有较好的切削加工性，是较理想的工模具材料之一。几种材料性能对比见下表。,（2）应用范围：DT合金制造模具时，一般采用组合联接方法。在模具的工作部位镶装或连接DT合金，其余部位采用一般钢材。常用的组合连接方法有镶套、焊接、粘接和机械连接等。DT合金性能优越，多用于制造冷镦模、冷挤压模、冲裁模、拉深模等，使用效果良好。例：制造定转子冲裁模、落料模，DT,合金比W18Cr4V钢、Crl2MoV钢模具使用寿命至少提高630倍；制造五金行业的冷镦模、拉深模，DT合金比Cr12钢模具寿命提高1032倍，使成本大幅降低。但DT合金价格比合金钢贵几倍,在小批量生产时经济效益不明显。,四、冷作模具的选材及热处理冷作模具合理选材，首先要满足模具的使用性能，同时兼顾材料的加工工艺性和经济性；其次要综合考虑模具结构，工作条件，制品的形状、尺寸，材质性质，加工精度，生产批量等方面对模具的影响。模具材料选定后，必须进行正确的热处理，才能保证模具的使用性能和寿命。(一)冲裁模的选材及热处理1.薄板冲裁模（薄板厚度1.5mm）（1）主要失效形式是磨损。,（2）选材依据：制品批量、尺寸大小和复杂程度。小批量（103件）、尺寸较小、形状简单的冲裁模，选T8A钢或T10A钢。中小批量（103105件）、尺寸较大、形状较复杂的冲裁模，选用9Mn2V、9CrWMn、CrWMn、GCr15等钢种.大批量（106件）、尺寸较大、形状复杂的模具，选用GM、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr4W2MoV、ER5钢等.对负荷大、易磨损小冲头，选用W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V、GD、GM钢等.对于特大生产批量，可选用GM、ER5、YG15、YG20、DT等。,2.厚板冲裁模厚板冲裁模承受的负荷大，刃口易磨损，凸模易崩刃、折断。选材时主要考虑材料的强韧性和高耐磨性。对小批量生产，选T8A、9SiCr、5CrW2Si等钢种；对大批量生产，选用W18Cr4V钢、W6Mo5Cr4V2钢制作凸模，用Cr12MoV或Cr12Mo1V1钢制作凹模。上述传统钢种的耐磨性不够，韧性差，所以模具的寿命不高。为提高厚板冲裁模的使用寿命，可选用新型模具钢，如LD、GD、65Nb、012Al、CH-1等钢种；模具寿命提高效果显著，见下表示例。,3.冲裁模的热处理大多数冲裁模的热处理工艺为淬火回火，硬度为60HRC左右，这样的硬度使模具具有高寿命而不磨损是不够的。为了提高冲裁模的耐磨性和使用寿命，常进行表面强化处理，主要的表面强化处理工艺有：氮碳共渗、渗硼、TD法渗钒、渗铌、化学气相沉积（CVD）、化学镀磷镍、电火花强化等。,（二）冷镦模的选材及热处理根据受载情况，冷镦模可分为轻载冷镦模和重载冷镦模。1.轻载冷镦模主要用于生产形状简单、变形量小、变形速度低的冷镦件。多选用T10A、60Si2Mn、GCrl5、9SiCr和Cr12MoV等钢种。T10A钢：强韧性、耐磨性均不高，只适合制造20mm以下，形状简单、受载轻、寿命要求不高的凸模和凹模。60Si2Mn：韧性较好，但耐磨性不高，只适合制造轻载、寿命要求不高的冷镦凸模。9SiCr：属低合金工具钢，耐磨性、强韧性都高于T10A，,常用来制作截面较厚，形状较复杂的冷镦模具；标准件行业常用该钢制作冷镦凸模。2.重载冷镦模用于生产变形量较大、形状复杂的冷镦件，按生产批量的大小，可作如下选择：中小批（375mm的大型（锤吨位3t）锤锻模。（2）热处理工艺锻造退火（完全退火或等温退火）淬火回火,淬火预热温度：600650，加热温度：830860、油淬（油温为2060）；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500660）；锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效）。,2.5CrMnMo钢（1）主要性能特点及应用（和5CrNiMo钢相比）强度、硬度相当，但冲击韧性稍差；淬透性、耐热疲劳性稍差；热处理过热倾向较大；适用于制造要求具有较高强度和高耐磨性的各种类型（边长400mm）的中、小型（锤吨位3t）锤锻模。（2）热加工工艺锻造等温退火淬火回火,等温退火加热温度：850870，等温温度680。；淬火加热温度为820850，油淬，冷却到150180左右出油立即回火；为减少变形，防止开裂，淬火时最好延时冷却，可空冷到740780入油；回火温度根据模具尺寸和部位确定（500660）；锻模燕尾部分回火温度较其它部位高100左右，保证燕尾部分的韧性、降低燕尾开裂失效。,3.4CrMnSiMoV钢（1）主要性能特点及应用具有较高的强度、耐磨性和冲击韧性；高温性能、热疲劳抗力和淬透性均优于5CrNiMo钢。适用于大、中型锤锻模，用于中、小型锤锻模，模具寿命一般比5CrNiMo钢模具高。（2）热处理工艺锻造等温退火淬火回火等温退火：加热温度为870890，等温温度为720740；,大型锤锻模淬火温度900930、油淬；中、小型锤锻模淬火温度870900、油淬；大型锤锻模回火温度为620660，回火硬度为3842HRC；中型锤锻模回火温度为610630，回火硬度为4144HRC；小型锤锻模回火温度为470610，回火硬度为4449HRC。,4.5Cr2NiMoVSi和45Cr2NiMoVSi钢（1）主要性能特点及应用（与5CrNiMo钢相比）高温强度提高了64，热稳定性提高(温度提高了150170)，500X500mm截面的锻模，其心部硬度较5CrNiMo钢高13HRC，使用寿命提高1倍。；5Cr2NiMoVSi钢主要用于制造各类压力机锻模和3t以上锤锻模；45Cr2NiMoVSi钢适合制造各类锤锻模，特别是10t以下的大截面锤锻模具。,（2）热处理工艺锻造退火淬火回火等温退火：800720等温；完全退火：850870，缓冷至500出炉空冷；5Cr2NiMoVSi钢（大截面锤锻模），淬火温度为960980，回火温度为600680；45Cr2NiMoVSi钢（大截面锤锻模），淬火温度为960980，型腔回火温度为630670；燕尾回火温度：680700。,（二）热挤压模具钢主要有钨系、铬系、铬钼系热作模具钢及基体钢。1.钨系代表钢种3Cr2W8V，耐热疲劳性较差，在压铸模中的应用较多。2.铬系代表钢种：4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5W2VSi（H12）、4Cr5MoSiV1（H13），属于中碳中铬钢。（1）主要性能特点及应用淬透性好（属空冷硬化钢，厚度为150mm的钢件在油中,可淬透）；冲击韧度和断裂韧度较高；良好的耐热疲劳性能和抗氧化性，能适应急冷急热的工作条件。与5CrNiMo钢相比，有更高的硬度、热硬性和耐磨性。与钨系热作模具钢相比，冲击韧度高，但高温强度低，耐热性稍差。这类钢的工作温度一般不超过600。广泛用于铝型材挤压模具；汽车、拖拉机、五金工具等行业机锻模具、辊锻模具；轴承行业挤压模及辗压辊；压铸模等。,（2）热处理工艺锻造等温退火（加热到860890，700720等温），缓冷至500出炉淬火（10001050、油冷）540600回火（回火温度根据硬度要求确定）。,铬系热作模具钢一般热处理过程,3.铬钼系及钨钼系钢包括4Cr3Mo3SiV（H10）、4Cr3Mo2NiVNbB（HD）、Cr3Mo3W4VNb（GR）3Cr3Mo3W2V（HM1）、25Cr3Mo3VNb（HM3）。（1）25Cr3Mo3VNb钢（HM3）1）主要性能特点及应用含碳量较低；加入少量的铌，具有较高的耐热疲劳性、热强性和回火稳定性。适用于制造热锻成形凹模、连杆辊锻模、小型机锻模、铝合金压铸模等。工作寿命比5CrNiMo、4Cr5W2VSi、3Cr2W8V钢等模具提高210倍。,2）热处理工艺锻造（锻后缓冷）等温退火（加热温度860、等温温度710，炉冷至550出炉空冷）淬火（加热温度1080，油冷或水冷）回火（回火温度根据模具硬度要求在560630范围选择，需回火二次）。（2）4Cr3Mo2NiVNbB钢（HD）新钢种1）主要性能特点及应用综合了3Cr2W8V和H13钢的优点。其高温强度、回火稳定性、断裂韧性、耐热疲劳性和耐磨性均优于3Cr2W8V；而耐热性优于H13钢，可在700下工作。,主要替代3Cr2W8V钢制造承受冲击载荷及高温工作的热挤压模，模具寿命可提高1倍。2）热处理工艺锻造退火（加热温度850、保温4h，随炉缓冷到550出炉空冷）淬火（加热温度1130、油淬）回火（回火温度根据硬度要求可在650700范围选择，回火二次）。（3）3Cr3Mo3W2V钢（HM1）：1）主要性能特点及应用冲击韧度及断裂韧度与3Cr2W8V钢相近，但回火抗力比3Cr2W8V钢高，在保持高强度和热稳定性的同时，耐冷热疲劳性,能比3Cr2W8V钢高得多。HM1钢是目前国内研制的高强韧热模钢中应用广泛，寿命长的新钢种。适于制造高温高负荷、急热急冷水冷条件下工作的压力机和轴承环热锻凹模，高强度和高热强钢零件的精锻模，热挤压模，铝和铜合金的压铸模等，使用寿命可比3Cr2W8V、5CrNiMoV钢制模具提高14倍。2）热处理工艺锻造（锻后缓冷）等温退火（加热温度为870，等温温度730，随炉缓冷到550出炉空冷，硬度为207225HBS）淬火（加热温度为10301120、油淬）回火,（回火温度为580620、保温2h，回火二次，硬度为4849HRC）。（4）4Cr3Mo3W4VNb钢（GR）1）主要性能特点及应用属钨钼系热作模具钢，具有高的回火抗力和高的热强性；耐冷热疲劳性、热稳定性、耐磨性及高温强度均明显高于3Cr2W8V钢；淬透性、冷热加工性好。适用于齿轮高速锻造、精密锻造、轴承套圈热挤压、小型机锻模具等方面。与3Cr2W8V钢制模具相比，使用寿命大幅提高。,2）热处理工艺锻造（锻后缓冷）等温退火（加热温度为850，等温温度720，炉冷至550出炉空冷）淬火（加热温度为1160）回火。要求高韧性及塑性，选用较低淬火温度；要求高的高温强度及回火稳定性，则选用较高淬火温度；回火温度：630、600，二次回火，每次保温23h，若形状复杂的大模具，可采用三次回火，回火后硬度为5054HRC。,钨钼系热作模具钢的一般热处理过程,4.基体钢基体钢中有多个钢种是冷、热兼用的模具钢。如012Al钢、5Cr4W5Mo2V钢（RM2）、6Cr4Mo3Ni2WV钢(CG-2)等，多用于热挤压模。（1）012Al钢作热作模具钢使用，耐热疲劳性和热稳定性比3Cr2W8V钢高，热强性高于铬系钢。用于热挤压模、机锻模寿命均高于3Cr2W8V钢。（2）6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2)钢,室温和高温强度、热稳定性高于3Cr2W8V钢，耐热疲劳性较好，但高温冲击韧度低于3Cr2W8V。可用于制造热挤、热镦、热锻、冷挤、冷镦等模具。（3）5Cr4W5Mo2V(RM2)钢有较高的抗回火能力和热稳定性，较高硬度和耐磨性，在700工作时仍可保持54HRC的硬度。可用于要求较高强度和热稳定性的小截面热挤压模、辊锻模，但不适合于水冷及较大尺寸的模具。,（三）压铸模用钢以钨系、铬系、铬钼系热作模具钢为主。要求不高时，可用合金工具钢或合金结构钢，如40Cr、4CrSi、30CrMnSi、4CrW2Si、5CrW2Si、5CrNiMo、5CrMnMo；要求较高时，采用4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi、4Cr5Mo2MnVSi、3Cr3Mo3W2V、3Cr2W8V4Cr3Mo2MnVNbB钢。注：红色是常用的压铸模具钢。,1.3Cr2W8V钢（半高速钢）用于制造热成形模具已有70多年的历史，至今仍在广泛使用，尤其在压铸模中应用最多。（1）主要性能特点及应用具有高的抗回火软化能力和二次硬化效应（600时，硬度仍可保持40HRC）、屈服强度高达950MPa、具有高的高温强度和耐磨性；缺点：含钨量多，碳化物不均匀性和偏析倾向大，韧性较差，抗氧化和热疲劳能力差，易产生热疲劳裂纹而断裂失效。,适合制造要求高承载力、高热强性和高耐回火性的压铸模和热挤压模。（2）热处理工艺反复锻造（锻后快冷至700缓冷）退火淬火回火采用不完全退火：加热温度为830850，保温24h，炉冷至400以下出炉空冷；也可采用等温退火：等温温度为720740，保温34h，然后炉冷至500以下出炉空冷，退火硬度241HBS；淬火:淬火温度为10501150、2040油冷；回火：550650，回火2次，回火硬度为4050HRC。,2.4Cr5Mo2MnVSi（Y10）和4Cr3Mo2MnVNbB（Y4）钢Y10钢成分接近H13钢；Y4钢成分接近HD钢都属高强韧性热作模具钢。和3Cr2W8V钢相比，抗热疲劳性、冲击韧性和抗热熔蚀性高，但热硬性稍差。主要用于铝合金和铜合金压铸模，使用寿命较3Cr2W8V钢提高110倍；也可用于热挤压模和热锻模，效果也较好。,三、其它热作模具材料1.热冲裁模具用钢（1）热作模具中，热冲裁模具工作温度低，对材料性能要求宽；（2）几乎所有热作模具材料都可用于热冲裁模具；选材时，可重点考虑材料经济性和生产管理上的方便；（3）推荐：5CrNiMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、8Cr3、4CrW2VSi钢等，其中8Cr3钢是使用较多的钢种。,2.非铁金属材料（1）硬质合金硬质合金具有很高的热硬性和耐磨性，还有良好的热稳定性、抗氧化性和耐蚀性，可用于制造某些热作模具。钨钴类硬质合金（常制成镶块）可用于热切边凹模、压铸模以及工作温度较高的热挤压凸模或凹模等。实例：气阀挺杆热镦模，原采用3Cr2W8V钢制作，热处理后的硬度为4952HRC，使用寿命5000次；在模具工作部分采用YG20硬质合金镶块，模具寿命提高到15万次。,奥氏体不锈钢钢结硬质合金和高碳高铬合金钢钢结硬质合金也可用于制造热作模具。例：ST60钢结硬质合金制造Cu热挤压模和热冲孔模、热平锻模等。3.铜合金（1）制造黑色金属压铸模具：铜合金导热性好，散热快，可使模具的温升和温度梯度大为降低，降低了模具的应变和应力，使其强度足以承受压铸时的压力，同时也减轻了热疲劳的作用。此外，铜合金弹性模量小，热膨胀系数较小，不会发生,组织变化，故所制造的模具在工作过程中性能及尺寸稳定。（2）用于压铸模的铜合金有铍青铜合金、铬锆钒铜合金和铬锆镁铜合金。热处理工艺：固溶处理时效。用这些铜合金制造的钢铁件压铸模，使用寿命远高于其它的热作模具钢。,四、热作模具的选材影响热作模具使用寿命有很多因素，如模具在工作中的受力、受热和冷却情况，模具的形状与尺寸、压制件的材质、变形方式、变形量、变形速度以及润滑条件等，因此，选用热作模具钢材时，应充分考虑这些因素的影响，合理选用，确保其使用寿命，具体见下表。,热作模具类型及其常规选材,第四节塑料模具材料塑料在国民经济的各个领域的应用日益广泛，其产量按体积计算在世界上已超过钢铁的产量。目前塑料模具正朝着高效率、高精度、长寿命方向发展，对模具材料的性能要求也不断提高。目前塑料模具设计和生产中普遍存在的问题：是选材不恰当，处理工艺不合理。许多设计人员在选择模具材料时，完全依据经验或手册选择材料，没有根据模具的特殊性能要求来选材，使模具过早失效，或模具寿命大于预期计划，造成浪费。,塑料模按成型固化不同可分为热固性和热塑性成型塑料模。热固性塑料模工作时塑料呈固态粉末料或预制坯料，加入型腔并在一定温度下经热压成型，受力大，并有一定冲击，摩擦较大，热机械负荷及磨损严重。热塑性塑料模是塑料呈粘流状态下通过注射、挤压等方法进入型腔加工成型的模具，塑变抗力小，受热受压受磨损不严重，当加入固体填充料（例如玻璃纤维、石英粉等）时，磨损大大增加。塑料模具按成型方法分为：注射模具、压缩模具、挤出模具等，其中注射模具应用最为广泛。,注塑成型过程：塑料（热塑性塑料或热固性塑料）在注射机料筒中加热到流动（可塑化）状态，以高压、高速将料筒内的粘稠塑料通过喷嘴等浇注系统注入模具，经保压、冷却，固化后得到塑件。,注塑模具结构和组成（1）定模机构：安装在注射机固定模板上的部分型腔。由定位环1、主流道体2、定模底板3、定模板4和凹模14组成一体，在注射机上固定不动。主流道口与注射机的喷嘴相联。,（2）动模机构：安装在注射机动模板上的部分型腔。由凸模13、动模板5、导柱12、动模垫板6和模脚7等组成一体，在注射机锁模装置的驱动下往复运动。（3）浇注系统：是将熔融塑料引向闭合模腔的通道。通常由主流道、冷料穴、分流道和浇口组成。（4）导向装置：保证动模和定模闭合时位置准确。由导柱和导套组成，对于多腔注射模，其顶出机构也设置了导向装置，以免制件顶弯曲和折断。（5）顶出机构：是实现制品脱模的装置。常见有顶杆式、顶管式和推板式。,（6）抽芯机构：当制品上带有侧孔或侧凹结构时，在顶出机构工作前，先要将可作侧向运动的型芯从制品中抽出，该侧向运动是由抽芯机构实现的。（该机构只是部分注射成型模才需要设置）。（7）冷却和加热装置：加热是为满足注射成型工艺对模具温度的要求；冷却是为使熔料能在模具内冷