模具的热处理

1、北京工业大学继续教育学院(专科) 毕业设计题 目 模具的热处理 班 级 07机械 学 号 97072120 专 业 机械制造与自动化 姓 名 高文明 指导教师 魏强 2010年11月9日北京工业大学继续教育学院毕业设计（毕业论文）任务书 北京工业大学继续教育 学院 07 年级 机械制造与自动化 专业 层次：专科姓名高文明性 别男学 号97072120题目模具的热处理指导教师魏强联系电话写作时间2010年10月26 2010年11月9日注意事项指导教师由学校安排，学生不得随意更换，有特殊情况由教务科负责协调。接到任务书后应及时与指导教师联系，认真按指导教师要求的时间、进度完成毕业设计（论文）。学

2、生必须在11月20日前将完成的论文交指导教师。论文（设计）必须由本人完成，抄袭或他人代作按作弊处理。毕业论文装订一律按统一的格式与要求进行，一式三份，纸张统一用复印纸，正文用小四号字打印。答辩是毕设（论文）中的重要环节，请认真做好准备。 注：学生在装订本人毕业设计（论文）时请将此页装订在第一页摘要模具是机械行业加工产品的重要工艺装备之一，是实现少无切削加工、节约原材料和提高产品性能的重要保证。模具质量的优劣不仅影响到被加工产品的质量和性能，而且关系其生产效率和生产成本。模具的质量和使用寿命很大程度上取决于模具的材料的自身特性及热处理的效果。因此，掌握现有各种模具材料的特性，利用热处理方法将其性

3、能潜力充分发挥出来，并不断研究开发模具新材料和新工艺是热处理工作者们的永恒课题。关键字：冷作模具 热作模具 塑料模具 热处理目录一、模具钢的热处理1（一）退火工艺11完全退火12不完全退火13等温退火14球化退火2（二）正火工艺2（三）淬火与回火21.淬火温度的确定22淬火时间的确定33淬火介质34回火3二、冷作模具钢热处理4（一）冷作模具制作的常用方法41、毛坯准备42、加工形成43、最终热处理44、钳工组装4（二）常用冷作模具钢热处理41、碳素工具钢的热处理42、低合金模具钢的热处理4三、热作模具钢热处理5（一）锤锻模具的热处理51、锤锻模用钢的预备热处理52、锤锻模用钢的最终热处理5（二

4、）热挤压和压铸模具的热处理51、热挤压和压铸模具的预热处理52、热挤压和压铸模具的最终热处理5四、塑料模具钢热处理6（一）塑料模具钢所要求的基本性能61综合力学性能62切削加工性能63镜面加工性64图案蚀刻性能65耐蚀性能6（二）典型塑料模具的热处理61、渗碳钢塑料模的热处理62、淬硬钢塑料模的热处理7五、模具市场的发展7（一）市场快速响应能力强8（二）模具热处理专业化生产程度高8（三）模具热处理装备更新速度快8制造模具的材料很多，不仅包括多种金属材料，还有许多非金属材料。但机械制造业最常用的模具材料是碳素工具钢，低合金工具钢，中、高合金工具钢，以及钢结硬质合金和普通硬质合金等。模具热处理模具

5、制造中的关键工艺之一，直接关系到模具的制造精度、使用寿命以及制造成本，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。在模具设计制造过程中，若能正确选用钢材，选择合理的热处理技术工艺，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。下面以钢作为原材料做冷作模具、热作模具和塑料模具进行分析。一、模具钢的热处理模具钢的热处理工艺是指模具钢在加热、冷却过程中，根据组织转变规律制定的具体热处理加热、保温和冷却的工艺参数。根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，热处理工艺可分为常规热处理、表面热处理等。根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又可分为预备热处理和

6、最终热处理。模具钢的常规热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。（一）退火工艺退火一般是指将模具钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后使其缓冷至室温，获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。其组织为铁素体基体上分布着碳化物。目的是消除钢中的应力，降低模具材料的硬度，使材料成分均匀，改善组织，为后续工序(机加工、冷加工成形、最终热处理等)做准备。退火工艺根据加热温度不同可分为： 1完全退火 将模具钢加热到临界温度Ac3以上2030，保温足够的时间，使其组织完全奥氏体化，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。其目的是为了降低硬度、均匀组织、消除内应力和热加工缺陷、改善切削加工性能和冷塑性变

7、形性能，为后续热处理或冷加工做准备。2不完全退火 将钢加热到Ac1Ac3（亚共析钢）或Ac1Accm（过共析钢）之间，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。不完全退火用于过共析钢和合金钢制作的模具。3等温退火 将钢加热到临界温度以上，保温足够的时间，使其组织完全奥氏体化，然后在低于Ac1温度以下的适当温度进行保温，使奥氏体在此温度下进行等温转变，完成组织转变,然后从炉中取出空冷。等温退火的特点是可以缩短退火时间，最适合用于合金工具钢、高合金工具钢模具，有利于获得更为均匀的组织和性能。4球化退火 是使钢中的碳化物球化，获得球状珠光体的一种热处理工艺，它实际上是不完全退火的一种

8、。球化退火主要应用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是为了降低硬度、改善切削加工性能，以及获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火作组织准备。图1为三种常用的球化退火工艺。图1常用球化退火工艺 图2正火工艺1-一次球化退火；2-等温球化退火；3-多次球化退火（二）正火工艺正火工艺是将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或Accm(对于过共析钢)以上适当的温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，得到珠光体类型组织的热处理工艺。正火与完全退火相比，两者的加热温度基本相同，但正火的冷却速度较快，转变温度较低。冷却方式通常是将工件从炉中取出，放在空气中自然冷却，对于大件也可采用鼓

9、风或喷雾等方法冷却。因此，对于亚共析钢来说，相同钢正火后组织中析出的铁素体数量较少，珠光体数量较多，且珠光体的片间距较小，对于过共析钢来说，正火可以抑制先共析网状渗碳体的析出。钢的强度、硬度和韧性也比较高。正火工艺规范如图2所示。（三）淬火与回火淬火和回火是模具钢或模具零件强化的主要手段。将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度进行冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。回火是淬火工艺的后续工序，是将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度(根据回火后的组织和性能要求而定)，充分保温后，以适当的速度进行冷却的热处理工艺。淬火工艺的

10、关键是要控制加热速度、淬火温度、保温时间以及冷却速度。1.淬火温度的确定淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。淬火加热温度主要根据钢的临界点来确定。表3为常用模具钢的相变点及淬火加热温度。另外，淬火温度还应考虑模具的形状尺寸、原始组织等因素。牌号Ac1或Ac3/淬火温度/牌号Ac1或Ac3/淬火温度/45T8ATl2A40cr60Si2Mn GCr5 7807307808207458208507708008308608408708208609SiCrCrl2MoV3Cr2W8VW6Mo5Cr4V2Wl8Cr4v770810810810820860

11、88010001050105011001190123012601290表3常用模具钢的相变点及淬火加热温度2淬火时间的确定淬火加热时间通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，而统称为加热时间。影响加热时间的因素很多，如加热介质、钢的成分、炉温、工件的形状及尺寸、装炉方式及装炉量等。淬火加热时间参见有关热处理手册。 3淬火介质为了使钢获得马氏体组织，淬火时冷却速度必须大于临界冷却速度。但是。冷却速度过大又会使工件内应力增加。产生变形或开裂。工件淬火冷却时要使其得到合理的淬火冷却速度，必须选择适当的淬火介质。淬火介质种类很多，常用的淬火介质有水、NaCl（5%10%）水溶液、NaOH (10%一

12、50%)水溶液以及各种矿物油等。模具淬火可以在水、油或空气中进行。4回火回火是紧接淬火的一道热处理工艺，大多数淬火模具钢都要进行回火。目的是稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，以满足不同模具的性能要求。决定模具回火后的组织和性能最重要的因素是回火温度。回火可分为低温、中温和高温回火。（1）低温回火 钢大部分是淬火高碳钢和淬火高合金钢。经低温回火后得到回火马氏体，具有很高的强度、硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性。冷冲压、冷镦、冷挤压模具，需要相当高的硬度和耐磨性，常采用低温回火。（2）中温回火 中温回火后模具的内应力基本消除，具有

13、高的弹性极限、较高的强度和硬度、良好的塑性和韧性。中温回火主要用于热锻模具。（3）.高温回火 压铸模和橡胶模要求较高的强度和韧性，常采用高温回火，回火时间一般不少于1h。 二、冷作模具钢热处理（一）冷作模具制作的常用方法1、毛坯准备模具的毛坯准备包括下料，锻、扎加工和预备热处理。锻、扎加工不仅要满足毛坯尺寸和形状的要求，而且要改善其不良的组织状态等。预备热处理兼有消除锻、扎生产的内应力和改善毛坯的可加工性以及为最终热处理做好组织准备等作用。2、加工形成模具的成形加工，主要有电加工和传统的金属切削加工两大类。3、最终热处理模具的最终热处理是通过整体淬火、回火、表面热处理及化学热处理等赋予所需要额

14、使用性能，使之具有预期的使用寿命。4、钳工组装对组成模具的各个成品零部件，进行收集、休整、编号等，并进行最后组装。（二）常用冷作模具钢热处理1、碳素工具钢的热处理要求不太高的小型简单冷作模具可以采用碳素工具钢。应用较多的为T8A和Tl0A。Tl0A钢热处理后硬而耐磨，但淬火变形收缩明显；T8A钢韧性较好，但耐磨性稍差。除了碳元素以外，碳素工具钢不含有其他合金元素，因此其淬透性较差，常规淬火后硬化层仅有1.53mm。 碳素工具钢淬火后得到马氏体组织，使模具具有高硬度和耐磨性。如果淬火温度过高，会使奥氏体组织晶粒粗大，并导致马氏体组织粗大，增加了淬火变形开裂的可能性，力学性能降低；但是，若淬火温度

15、太低，奥氏体组织不能溶入足够的碳，且碳浓度不能充分均匀化，则同样会降低其力学性能。2、低合金模具钢的热处理冷作模具常用的低合金工具钢有9Mn2V、9SiCr等。此类钢是在碳素工具钢的基础上，加人了适量的Cr、W、Mo、V、Mn等合金元素。合金元素总含量低于5%为低合金工具钢。合金元素的加入提高了钢的淬透性以及过冷奥氏体的稳定性。因此，可以降低淬火冷却速度，减少热应力、组织应力以及淬火变形开裂的倾向。 9Mn2V钢 9Mn2V钢是不含有Cr、Ni等较贵重元素的经济性低合金模具钢。由于含有少量的V，细化了钢的晶粒，减小了钢的过热敏感性。该钢冷加工性能和热处理工艺良好，变形开裂倾向小。但其淬透性、淬

16、硬性、回火抗力、强度等性能不如CrWMn钢。适合用于尺寸较小的冷冲模、冷压模、雕刻模、落料模等。 9SiCr钢 9SiCr钢在我国有悠久的使用历史。钢中含有Cr和Si，提高了钢在贝氏体转变区的稳定性，Si还可细化碳化物，有利于提高耐磨性、回火稳定性和塑性变形能力，淬透性较好，适合进行分级淬火或等温淬火，有利于防止模具淬火变形开裂。该钢主要用作中小型轻负荷冷作模具，如冷冲模、冷挤压模及打印模等。三、热作模具钢热处理（一）锤锻模具的热处理1、锤锻模用钢的预备热处理锤锻模用钢的预备热处理，主要是毛坯锻造后的退火软化处理，目的是改善可加工性和为淬火奠定良好的组织基础。2、锤锻模用钢的最终热处理（1）淬

17、火作为最终热处理的锤锻淬火，应在其表面无任何损伤和无氧化脱碳的条件下进行加热，加热时应根据模块大小在盐浴炉中进行一次或两次预热，也可在箱式炉中分级缓慢升温。在淬火温度下的保温时间，箱式炉加热按时间系数23min/mm计算，在盐浴炉中加热按时间系数1min/mm计算。预热时间为加热时间的2倍 。淬火加热出炉后，一般在空气中进行预冷到780800°C，其具体预冷时间，小模块为35min，大模块为58min。然后再于油中冷却，当冷却到150200°C时，应立即取出及时装炉回火。（2）回火锤锻模回火过程应确保时间充分，以使模具内、外温度一致。同时，回火后的冷却应防止产生第二类回火脆

18、性。回火后油冷时，应补充一次回火，时间也缩短20%25%。（二）热挤压和压铸模具的热处理1、热挤压和压铸模具的预热处理（1）球化退火热挤压模和压铸模用钢的毛坯锻后需进行良好球化退火，以改善其碳化物大小和分布等的组织形态、消除应力和降低硬度，为切削加工和最终热处理奠定有力基础。（2）调质和正火有些钢毛坯易出现沿晶界分布的链状碳化物，且在球化退火时难以消除。经1130°C正火和球化退火后可以消除链状碳化物。2、热挤压和压铸模具的最终热处理热挤压和压铸模具的最终热处理的过程包括淬火和回火。但由于热挤压和压铸模具的材料不同，所以热处理的工艺亦不同。四、塑料模具钢热处理塑料制品已在工业及日常生

19、活中得到广泛应用。塑料模具已向精密化、大型化方向发展，对塑料模具钢的性能要求越来越高。塑模钢的性能应根据塑料种类、制品用途、成型方法和生产批量大小而定。（一）塑料模具钢所要求的基本性能1综合力学性能 成型模具在工作过程中要受到不同的温度、压力、侵蚀和磨损用。因此要求模具材料组织均匀，无网状及带状碳化物出现，热处理过程应具有较小的氧化、脱碳及畸变倾向，热处理以后应具有一定的强度。为保证足够的抗磨损性能，许多塑料模具经调质后再进行渗氮或镀铬等表面强化处理。2切削加工性能 对于大型、复杂和精密的注射模具，通常预硬化到2835HRC之间，再进行切削和磨削加工，至所要求的尺寸和精度后再投人使用，从而排除

20、热处理变形、氧化和脱碳的缺陷。因此常用加入易切削元素S、Co和稀土，以改善预硬的切削加工性能。3镜面加工性 能做光盘和塑料透镜等塑料制品的表面粗糙度要求很高，主要由模具型腔的粗糙度来保证。一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一级。模具钢的镜面加工性能与钢的纯洁度、组织、硬度和镜面加工技术有关。高的硬度、细小而均匀的显微组织、非金属夹杂少，均有利于镜面抛光性提高。镜面抛光性要求高的塑料模具钢常采用真空熔炼、真空除气。4图案蚀刻性能 某些塑料制品表面要求呈现清晰而丰满的图案花纹，皮革工业中大型皮纹压花版，都要求模具钢有良好的图案光刻性能。图案光刻性能对材质的要求与镜面抛光性能相似，钢的纯洁度要高，

21、组织要致密，硬度要高。5耐蚀性能 含氯和氟的树脂以及在ABS树脂中添加抗燃剂时，在成型过程中将释放出有腐蚀性的气体。因此，这类塑料模具要选用耐蚀塑料模具钢，或镀铬，或采用镍磷非晶态涂层。（二）典型塑料模具的热处理1、渗碳钢塑料模的热处理（1）对硬度、耐磨性和韧性的要求对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。（2）对渗碳层的要求一般渗碳层的厚度为0.81.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.31.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.81.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性

22、、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。(3)渗碳温度渗碳温度一般在900920，复杂型腔的小型模具可取840860中温碳氮共渗。渗碳保温时间为510h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900920）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820840）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。(4). 淬火工艺渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。2、淬硬钢塑料模的热处理（1）形状形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。（2）表面塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。（3）回火淬火后应及时回火，回