模具__模具材料

1、第五章第五章 模具材料概述模具材料概述1.1.模具材料的分类特色；模具材料的分类特色；2.2.模具材料的性能要求；模具材料的性能要求；3.3.模具材料的选用原则。模具材料的选用原则。模具材模具材料分类料分类模具材料模具材料的性能的性能冷作模具钢冷作模具钢热作模具钢热作模具钢塑料模具钢塑料模具钢其他模具钢其他模具钢硬度、强度、韧性、硬度、强度、韧性、耐磨性、耐磨性、抗热疲劳性、咬合抗力、抗热疲劳性、咬合抗力、耐蚀耐蚀性、热稳定性、抗氧化性性、热稳定性、抗氧化性等等使用性使用性工艺性工艺性可加工性、淬透性和淬硬性、可加工性、淬透性和淬硬性、 淬火温度和热处理变形、淬火温度和热处理变形、 氧化、氧化

2、、脱碳敏感性脱碳敏感性 模具材料选用原则模具材料选用原则使用性、工艺性、经济性使用性、工艺性、经济性冷作模具材料冷作模具材料热作模具材料热作模具材料 塑料模具材料塑料模具材料其他模具材料其他模具材料按用途和服役条件（模具类别）不同可分为：按用途和服役条件（模具类别）不同可分为： 一一模具材料的分类模具材料的分类 我国模具材料我国模具材料70多种，列入标准的有多种，列入标准的有38个钢种个钢种按合金元素划分：按合金元素划分：碳素工具钢、低合金模具钢、碳素工具钢、低合金模具钢、中合金模具钢、高合金模具钢等。中合金模具钢、高合金模具钢等。1.1.1.1. 冷作模具材料冷作模具材料1.碳素工具钢碳素工

3、具钢 2.高碳低合金钢高碳低合金钢(9CrWMn钢钢) 3.高耐磨冷作模具钢高耐磨冷作模具钢(Cr12型高碳高铬钢型高碳高铬钢) 4.冷作模具用高速钢冷作模具用高速钢(W6Mo5Cr4V2钢钢) 5.5.火焰淬火钢火焰淬火钢 （7CrSiMnMoV解决了变形）解决了变形） 6.6.基体钢基体钢 ( (65Nb综合性能优良综合性能优良) ) 7.7.高韧性低合金冷作模具钢高韧性低合金冷作模具钢 （GDGD） 华中理工华中理工 8.8.高碳中铬耐磨模具钢高碳中铬耐磨模具钢 (LD)(LD)按按冷镦模具钢冷镦模具钢 研研1.2.1.2. 热作模具材料热作模具材料 1.1.锻压模具用钢锻压模具用钢 （

4、5CrMnMo）2.2.热挤压模具用钢热挤压模具用钢（Cr5MoSiV）3.3.压铸模具用钢压铸模具用钢 （与热挤压模具用钢相同）与热挤压模具用钢相同）按元素：铬系和钨钼系两大类按元素：铬系和钨钼系两大类1.3.1.3.塑料模具材料塑料模具材料 1.1.碳素塑料模具钢碳素塑料模具钢2.2.冷挤压成型（渗碳型）塑料模具冷挤压成型（渗碳型）塑料模具钢钢3.3.时效硬化钢时效硬化钢 4.4.预硬钢预硬钢 （替代碳素钢）（替代碳素钢）1.4.1.4. 其他模具材料其他模具材料 在三大类模具材料之外，还有在三大类模具材料之外，还有铸造模具钢铸造模具钢、有色合金模具材料有色合金模具材料、玻璃模具材料玻璃模

5、具材料等。等。 二二 模具材料的性能要求模具材料的性能要求 冷冲压模具冷冲压模具用钢要求其材料具有高的强度，用钢要求其材料具有高的强度，良好的塑性和韧性，高的硬度及耐磨性良好的塑性和韧性，高的硬度及耐磨性; ; 冷挤压模具冷挤压模具用钢要求其材料具有高强度、高用钢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、热稳定性和韧性、高淬透性以及良好的耐磨性、热稳定性和切削加工性切削加工性; ; 热作模具热作模具用钢要求在工作温度下保持高的强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、热稳定性和优良的度和韧性、良好的抗腐蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。热疲劳抗力。 使用性能使用性

6、能 对各类模具钢提出的性能要求主要包括对各类模具钢提出的性能要求主要包括硬度、强硬度、强度和韧性度和韧性等。等。 1.1.硬度硬度 硬度表示了钢对变形和接触应力的抗力，而且是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。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：可按硬度范围划定模具类别：如如高硬度高硬度（525260HRC60HRC），一般用于），一般用于冷作模具冷作模具； 中硬度中硬度（404052HRC52HRC），一般用于），一般用于热作

7、模具热作模具。 2.强度强度 强度是指钢在服役过程中，抵抗变形和断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、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。弯曲力、扭转力或综合力的能力。 3.韧性韧性 在工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了减在工作过程中，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。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，它决定了韧性是模具钢的一

8、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，热疲劳材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。强度也越高。 对于衡量模具脆断倾向，冲击韧度试验不够全对于衡量模具脆断倾向，冲击韧度试验不够全面，最好用多次冲击试验更有面，最好用多次冲击试验更有意义。意义。 4.4.耐磨性耐磨性 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不磨损，即耐磨模具能够在强烈摩擦下不磨损，即耐磨。耐磨性耐磨性指指模具在强烈摩擦下保持其尺寸精度模具在强烈摩擦下

9、保持其尺寸精度的能力的能力 图5-2 五种模具钢模拟冲裁试验其耐磨性 5.抗热疲劳性能抗热疲劳性能 热作模具钢在服役条件下除了承受载荷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，因此，热作模具如要获得急冷急热的作用，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。能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。 抗热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌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。指标生之前的工作寿命。指标萌生前热循环次

10、数萌生前热循环次数 裂纹扩展速率反映裂纹扩展的快慢。裂纹扩展速率反映裂纹扩展的快慢。 断裂韧性值反映抵抗裂纹扩展的抗力。断裂韧性值反映抵抗裂纹扩展的抗力。6.咬合抗力咬合抗力 咬合抗力实际上就是发生咬合抗力实际上就是发生“冷焊冷焊”时的抵时的抵抗力。该性能对于模具材料较重要。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，度逐渐增大载荷，此时，转矩也

11、相应增大，该载荷称为该载荷称为“咬合临界载荷咬合临界载荷”，咬合临界载，咬合临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。荷愈高，标志着咬合抗力愈强。 7.耐蚀性耐蚀性 金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介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。质侵蚀的能力，称为金属的耐蚀性。 提高模具材料的耐蚀性，通常提高模具材料的耐蚀性，通常采用合金化采用合金化方法方法获得一系列耐蚀合金，主要包括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）提高金属或合金的热力学稳定性 （2）加入易钝化合金元素）加入易钝化合金元素 （铬、钼）（铬、钼）（3）加入能促使合金表面生成致密

12、腐蚀产）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物保护膜的合金元素 （铜、磷）（铜、磷）不同的服役条件对模具材料主要力学性能要求不同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对热作模具钢要考虑其抗热疲劳性能抗热疲劳性能; ;对压铸模具应考虑其耐融熔金属的对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能冲蚀性能; ;对于高温下工作的热作模具应考虑其在工作温度下对于高温下工作的热作模具应考虑其在工作温度下 的的抗氧化性能抗氧化性能; ;对于在腐蚀介质中工作的模具，应注意其对于在腐蚀介质中工作的模具，应注意其耐蚀性耐蚀性; ;对高载荷下工作的模具应该考虑其对高载荷下工作的模具应

13、该考虑其 抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度及抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度及 断裂韧度断裂韧度等。等。 工艺性能工艺性能 在模具生产成本中，材料费用一般占在模具生产成本中，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，而机械加工、热处理、装配和管理费用占80%以上。以上。 所以模具材料的工艺性能是影响模具的生产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。于制造

14、，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模具材料的工艺性能主要包括主要包括可加工性可加工性，淬淬透性透性和和淬硬性淬硬性，淬火温度淬火温度和和热处理变形热处理变形，氧化氧化、脱碳敏感性脱碳敏感性及其他因素。及其他因素。 1. 1.可加工性可加工性 （1）可加工性概述）可加工性概述 模具的可加工性包括：模具的可加工性包括：热加工性能热加工性能（热塑性、加工温度范围等）；（热塑性、加工温度范围等）；冷加工性能冷加工性能（切削、磨削、抛光、冷拔等）；（切削、磨削、抛光、冷拔等）； 特种加工特种加工（如电火花加工）。（如电火花加工）。 粉粉末末冶冶金金焊焊接接塑塑性性成成形形铸铸造造毛

15、毛 坯坯预先热处理预先热处理模具零件模具零件切削加工切削加工最终热处理最终热处理 模具零件的加工工艺路线模具零件的加工工艺路线（2）铸造性）铸造性（3）焊接性）焊接性（4）冷变形性）冷变形性冷挤压成型工艺冷挤压成型工艺2. 2.淬透性和淬硬性淬透性和淬硬性 淬透性淬透性主要取决于钢的化学成分和淬主要取决于钢的化学成分和淬火前的原始组织状态火前的原始组织状态; ; 淬硬性淬硬性则主要取决于钢中的碳含量。则主要取决于钢中的碳含量。 对于大部分的冷作模具钢，淬硬性往对于大部分的冷作模具钢，淬硬性往往是主要的考虑因素。往是主要的考虑因素。 对于热作模具钢和塑料模具钢，一般对于热作模具钢和塑料模具钢，一

16、般模具尺寸较大，尤其是制造大型模具，其模具尺寸较大，尤其是制造大型模具，其淬透性更为重要。淬透性更为重要。 3.3.淬火温度和热处理变形淬火温度和热处理变形 为了便于生产，要求模具钢为了便于生产，要求模具钢淬火温度淬火温度范围范围尽可能放宽一些，特别是当模具采用尽可能放宽一些，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量和控制温度，所以要求模具钢有更宽的淬火温度范围。淬火温度范围。 模具在热处理时，尤其在淬火过程中，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，为要产生体积变化、形状翘曲、畸

17、变等，为保证模具质量，要求模具钢的保证模具质量，要求模具钢的热处理变形热处理变形小小。 4. 4.氧化、脱碳敏感性氧化、脱碳敏感性 模具在加热过程中，如果发生氧化、脱碳模具在加热过程中，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、使用寿命降低。因此，要求模具钢的氧化、脱碳敏感性好。脱碳敏感性好。 对于钼含量较高的模具钢，由于氧化、脱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。热处理、可控气氛热处理、盐浴

18、热处理等。 模具材料的选用原模具材料的选用原则 模具材料的选用有三个原则模具材料的选用有三个原则 一是使用性能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，主要是量机器工件和工程构件，主要是力学力学性能性能;对一些对一些特殊条件下工作的工件，则必须根据要求考虑到特殊条件下工作的工件，则必须根据要求考虑到材料的材料的物理化学性能物理化学性能。 二是工艺性能原则二是工艺性能原则 材料的工艺性能应满足材料的工艺性能应满足模具生产工艺模具生产工艺的要求。的要求。 三是经济性原则三是经济性原则 必须考虑材料的经济性。采用便宜的

19、材料，把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。在市场上具有最强的竞争力。 一、一、 满足使用性能要求满足使用性能要求 1.耐磨性耐磨性 2.强韧性强韧性 3.疲劳断裂性能疲劳断裂性能 4.高温性能高温性能 5.抗热疲劳性能抗热疲劳性能 6.耐蚀性耐蚀性 1. 1.满足工艺性能要求满足工艺性能要求 模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、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产成