第03章 模具材料及热处理

1、第五章第五章 模具材料及热处理模具材料及热处理模具材料概述模具材料概述冷作模具钢及热处理冷作模具钢及热处理热作模具钢及热处理热作模具钢及热处理塑料模具钢及热处理塑料模具钢及热处理其它模具材料及热处理其它模具材料及热处理第一节第一节 模具材料概述模具材料概述一、模具材料分类一、模具材料分类 二、模具材料的主要性能指标二、模具材料的主要性能指标 模具材料的成分、组织、质量及性能对模具的承载能力、使模具材料的成分、组织、质量及性能对模具的承载能力、使用寿命、加工精度、制造成本等有显著的影响用寿命、加工精度、制造成本等有显著的影响.模具材料的性能相模具材料的性能相对于一般零件为高对于一般零件为高,一般

2、从使用性能和工艺性能二大方面考虑一般从使用性能和工艺性能二大方面考虑:1、模具材料的使用性能要求、模具材料的使用性能要求（1 1）硬度和热硬性）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。它是保证模成形模具应具有足够高的硬度，才能确保使用寿命。它是保证模具形状和尺寸稳定而不迅速发生变化，对模具材料来说这是基本的具形状和尺寸稳定而不迅速发生变化，对模具材料来说这是基本的性能要求。一般冷作模具要求性能要求。一般冷作模具要求52-60HRC52-60HRC；热作模具；热作模具40-52HRC40-52HRC。硬度是强度、塑性、韧性、耐磨性等指标的综合反映，在图纸硬度是强度、塑性、韧性、

3、耐磨性等指标的综合反映，在图纸 上一般只标注硬度要求。上一般只标注硬度要求。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一定的热硬性作模具和部分冷作模具要求一定的热硬性。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 面处理工艺面处理工艺。（2 2）耐磨性）耐磨性是衡量模具使用寿命的重要指标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。组织。例：冲

4、击载荷较小时，耐磨性和硬度成正比关系；例：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。影响。（3 3）强度和韧性）强度和韧性强度强度衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标；衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标；例：例： 冷作模具：变形抗力冷作模具：变形抗力屈服强度，断裂抗力屈服强度，断裂抗力抗拉强度、抗抗拉强度、抗弯强度等；弯强度等； 热作模具：变形抗力热作模具：变形抗力高温屈服强度，断裂抗力高温屈服强度

5、，断裂抗力抗拉强度，抗拉强度，断裂韧性等；断裂韧性等；韧性韧性冲击载荷下抵抗产生裂纹的特性，反映脆断抗力。常用冲冲击载荷下抵抗产生裂纹的特性，反映脆断抗力。常用冲击韧性（击韧性（K K）表示。）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、分布对其有显著的影响。艺，碳化物的性质、数量、形态、分布对其有显著的影响。 4 4）抗热性能）抗热性能 热强性能和热硬性热强性能和热硬性热强性能热强性能是指高温下的强度性能。短时高温强度较多考虑高是指高温下的强度性能。短时高温强度较多考虑高温屈服强度和抗拉强

6、度，长时高温强度则需注意蠕变极限和持温屈服强度和抗拉强度，长时高温强度则需注意蠕变极限和持久强度。久强度。 热硬性：热硬性：一般指材料在升高到较高温度时保持硬度稳定的能一般指材料在升高到较高温度时保持硬度稳定的能力。力。 热热硬性通常与加入的合金元素有关硬性通常与加入的合金元素有关。热稳定性：热稳定性：指高温化学腐蚀抗力。一般可加入合金元素（指高温化学腐蚀抗力。一般可加入合金元素（CrCr、SiSi、v v等等) )生成致密氧化物膜生成致密氧化物膜, ,以提高抗氧化性。以提高抗氧化性。热疲劳抗力：热疲劳抗力：反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳破坏的反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳破坏的性能指

7、标。例性能指标。例 热作模具：急冷急热的热疲劳作用。热作模具：急冷急热的热疲劳作用。抗粘着性抗粘着性（抗合性（抗合性)模具在工作中，有时受到强烈摩擦及高模具在工作中，有时受到强烈摩擦及高温的温的 作用、发生模具材料与加工材料间直接接触，并互相粘作用、发生模具材料与加工材料间直接接触，并互相粘 结合。所以要求模具材料表面具有一定的抗粘着性。结合。所以要求模具材料表面具有一定的抗粘着性。（二）工艺性能要求（二）工艺性能要求 1 1）热加工工艺性能：包括锻、轧、铸造、焊接等性能）热加工工艺性能：包括锻、轧、铸造、焊接等性能. .由模具由模具制造工艺、材料成分、冶金质量、组织等影响制造工艺、材料成分、

8、冶金质量、组织等影响. . 2 2）冷加工工艺性能：包括切削、抛光、磨削、研磨等）冷加工工艺性能：包括切削、抛光、磨削、研磨等. . 对现代的压制产品有时要求很高的表面质量，低的表面粗糙度对现代的压制产品有时要求很高的表面质量，低的表面粗糙度及高的精度，所以对及高的精度，所以对切削性能和抛光性能均有很高要求。切削性能和抛光性能均有很高要求。 特别对于有些塑料模具具有高的表面质量（如镜面）。特别对于有些塑料模具具有高的表面质量（如镜面）。 3 3）热处理性能：它的好坏对模具质量有较大影响。热处理变）热处理性能：它的好坏对模具质量有较大影响。热处理变形小、淬硬性、淬透性等。形小、淬硬性、淬透性等。

9、 淬硬性保证了模具的硬度和耐磨性，淬透性保证了大尺寸模淬硬性保证了模具的硬度和耐磨性，淬透性保证了大尺寸模具的强韧性和断面性能的均匀性，对要求表面高硬度的冲裁具的强韧性和断面性能的均匀性，对要求表面高硬度的冲裁、拉深模，拉深模，淬硬性显得更重要。而对于要求整个截面的淬硬性显得更重要。而对于要求整个截面的 均匀一致均匀一致性能的热锻模来说，淬透性往往更为重要。性能的热锻模来说，淬透性往往更为重要。 2.2.工艺性能良好工艺性能良好 根据制造工艺方法不同使所选材料具有良好的工艺性能，即根据制造工艺方法不同使所选材料具有良好的工艺性能，即首先是能制造出来。在批量大时，对便于制造显得更为突出。首先是能

10、制造出来。在批量大时，对便于制造显得更为突出。 3.3.供应上能保证供应上能保证 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。料，并且品种规格应尽量少而集中，以便于采购管理。4.4.经济性合理经济性合理 要求所选材料，生产过程简单要求所选材料，生产过程简单、成品率高、成本低。这里，、成品率高、成本低。这里，要综合考虑总成本，而不能片面追求一次性成本的高低。另外要综合考虑总成本，而不能片面追求一次性成本的高低。另外在满足性能、寿命等要求下，尽可能选用价格低的材料，以降在满足性能、寿命等要求

11、下，尽可能选用价格低的材料，以降低成本。低成本。（三）模具选材的一般原则三）模具选材的一般原则 1.1.使用性能足够使用性能足够 根据工作条件根据工作条件, ,失效形式失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出、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材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求, ,使所选材料使所选材料足够满足使用要求。足够满足使用要求。四四、模具选料的具体考虑因素、模具选料的具体考虑因素（一）模具的工作条件因素（一）模具的工作条件因素 1 1、承载受力的大小、速度（冲击状况）、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

12、求好受力大，材料要求强度高；冲击大，则韧性要求好 2 2、工作温度、工作温度 冷作模具、塑料、热作三类模具因为工作温度有很大区别，所冷作模具、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以材料的抗热性能要求有很 大不同。大不同。 3 3、腐蚀情况腐蚀情况 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气体的塑料件时，可采用不锈钢类型的模具材料。气体的塑料件时，可采用不锈钢类型的模具材料。（二）模具的失效因素（二）模具的失效因素 模具的失效形式主要有塑性变形失效、磨损失效及断裂失效。模具的失效形式主要有塑性变形失效

13、、磨损失效及断裂失效。根据失效分析，找出失效原因，提出解决问题的主要性能指表，根据失效分析，找出失效原因，提出解决问题的主要性能指表，有针对性的进行选材。有针对性的进行选材。 3）产品的材质）产品的材质 所加工产品的所加工产品的材质的不同，材质的不同，模具工作温度和工作条件，选择模具工作温度和工作条件，选择合理的材料合理的材料。4 4、模具的结构因素、模具的结构因素1 1）模具尺寸）模具尺寸大、中、小模具应选用不同的材质，大型模具材大、中、小模具应选用不同的材质，大型模具材料应好些，特别是淬透性料应好些，特别是淬透性、热作模具的大型模要求有更高抗热性。、热作模具的大型模要求有更高抗热性。3 3

14、、模具所加工的产品因素、模具所加工的产品因素1 1）产品批量大、小）产品批量大、小 批量大时采用材质高批量大时采用材质高、性能好的材料；、性能好的材料；批量小时采用批量小时采用性性能较差能较差、寿命较短寿命较短、加工简便的材料加工简便的材料. .2 2）制件质量要求高低）制件质量要求高低 精度要求高精度要求高、表面、表面粗糙度值要求低，则所选模具材料要粗糙度值要求低，则所选模具材料要从成分从成分、材质上保证模具制造时有较好切削抛光性能。、材质上保证模具制造时有较好切削抛光性能。6 6、模具的设计因素、模具的设计因素1 1）不同模具采用不同结构材料）不同模具采用不同结构材料 对于大型对于大型、复

15、杂模具可选用复杂模具可选用组合、镶嵌结构；不同目的组件，组合、镶嵌结构；不同目的组件，性能要求不同，选不同材料；例如，在刃部性能要求不同，选不同材料；例如，在刃部、型面部分或某些经型面部分或某些经受强烈磨损受强烈磨损、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，性能要求不太高，可采用较低级材料。模体部分，性能要求不太高，可采用较低级材料。2 2）选材和表面强化处理结合，选普通材料，工作表面或局部表）选材和表面强化处理结合，选普通材料，工作表面或局部表面采用表面强化处理，如堆焊、激光表面处理、沉积技术等。面采用表面强化处理，如堆焊、激光表面处

16、理、沉积技术等。2 2）模具形状）模具形状形状简单，公差要求低，可选高耐磨材料；反之，形状简单，公差要求低，可选高耐磨材料；反之，形状复杂，要求材料淬透性好、变形小，易加工；形状复杂，要求材料淬透性好、变形小，易加工；3 3）模具不同组件、不同部位差异）模具不同组件、不同部位差异模具组成主要可分为工作零件与辅助零件。模具组成主要可分为工作零件与辅助零件。如凸、凹模工作部分硬度、耐磨性、抗热性等要求高；非工作如凸、凹模工作部分硬度、耐磨性、抗热性等要求高；非工作部分，紧固件、导向机构等可按通常的结构零件的要求来选材部分，紧固件、导向机构等可按通常的结构零件的要求来选材, ,在强韧性方面要求高一些

17、。在强韧性方面要求高一些。五、模具材料的发展趋势五、模具材料的发展趋势 1 1）压力加工工艺迅速发展，新工艺不断出现，对模具的各种）压力加工工艺迅速发展，新工艺不断出现，对模具的各种要求愈来愈高，所以对模具材料的性能要求也愈来愈高。模具要求愈来愈高，所以对模具材料的性能要求也愈来愈高。模具材料的发展趋势由碳素工具钢、低合金工具、高合金工具钢高材料的发展趋势由碳素工具钢、低合金工具、高合金工具钢高合金材料。还出现一系列新材料，例如基体钢，马氏体时效钢合金材料。还出现一系列新材料，例如基体钢，马氏体时效钢等。等。2 2）模具热处理新技术，特别是表面强化处理工艺发展很快，特）模具热处理新技术，特别是

18、表面强化处理工艺发展很快，特别是出现用碳钢及低合金钢等低级材料进行表面强化处理代替别是出现用碳钢及低合金钢等低级材料进行表面强化处理代替高合金钢的动向。高合金钢的动向。3 3）根据生产发展需要和本国资源情况，模具钢号不断筛选精简、）根据生产发展需要和本国资源情况，模具钢号不断筛选精简、补充更新，因此，目前新钢种在模具材料应用中不断出现，性补充更新，因此，目前新钢种在模具材料应用中不断出现，性能上，经济性有的优于老钢种。能上，经济性有的优于老钢种。4 4）当前模具材料以工具钢为主，也使用高强度结构钢、粉末冶）当前模具材料以工具钢为主，也使用高强度结构钢、粉末冶金材料、有色金属和塑料等。模具材料已

19、从钢材发展到非钢材金材料、有色金属和塑料等。模具材料已从钢材发展到非钢材料，从金属发展到非金属材料领域。料，从金属发展到非金属材料领域。 例如非钢材料已应用的有铸铁、硬质合金、难熔例如非钢材料已应用的有铸铁、硬质合金、难熔合金、低熔合金、低熔点合金。点合金。 思考题思考题第一章：第一章：1、模具和模具材料一般可以分为哪几类、模具和模具材料一般可以分为哪几类?2、模具材料的主要性能指标有哪几种、模具材料的主要性能指标有哪几种?简述模具钢的硬度和简述模具钢的硬度和耐磨性的关系。耐磨性的关系。3、什么是热硬性、什么是热硬性?什么是冷热疲劳什么是冷热疲劳?试举例说明其对模具寿试举例说明其对模具寿命的影

20、响。命的影响。4、模具失效的主要原因有哪几方面、模具失效的主要原因有哪几方面?5、改进和优化模具结构设计的最基本作用是什么、改进和优化模具结构设计的最基本作用是什么?举例说明举例说明其作用对模具寿命的影响其作用对模具寿命的影响6、简述模具材料对模具寿命的影响，并举例说明。、简述模具材料对模具寿命的影响，并举例说明。7、正确使用和维护模具应注意哪些方面、正确使用和维护模具应注意哪些方面?8、总结影响模具寿命的主要原因及提高模具寿命的主要措、总结影响模具寿命的主要原因及提高模具寿命的主要措施施 9.总结模具材料的主要性能指标。总结模具材料的主要性能指标。10、模具失效的主要形式和原因。、模具失效的

21、主要形式和原因。一、一、 冷作模具的工作条件、失效形式及性能要求冷作模具的工作条件、失效形式及性能要求（一）冲裁模（一）冲裁模主要用于各种板料的冲切成形；按功能不同可分为主要用于各种板料的冲切成形；按功能不同可分为落料模、冲孔模、切边模等。落料模、冲孔模、切边模等。1 1工作条件及主要失效形式工作条件及主要失效形式 冲裁模的工作部位是刃口。冲裁时，刃口受到弯曲和剪切的冲裁模的工作部位是刃口。冲裁时，刃口受到弯曲和剪切的作用，还要受到冲击。同时，板料与刃口部位产生强烈的摩擦。作用，还要受到冲击。同时，板料与刃口部位产生强烈的摩擦。 冲裁模的正常失效形式主要是刃口磨损，磨损达到一定程度冲裁模的正常

22、失效形式主要是刃口磨损，磨损达到一定程度后，使冲裁件产生毛刺；生产中常用磨削的方法使刃口重新锋利，后，使冲裁件产生毛刺；生产中常用磨削的方法使刃口重新锋利，经过多次磨刃后，凸模变短，凹模变薄，直至无法工作而失效。经过多次磨刃后，凸模变短，凹模变薄，直至无法工作而失效。 此外，由于模具安装调试不当，冲裁时操作不规范或热处理不当此外，由于模具安装调试不当，冲裁时操作不规范或热处理不当等造成崩刃和凸模折断等非正常失效。等造成崩刃和凸模折断等非正常失效。第二节第二节 冷作模具材料冷作模具材料 冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具

23、。它主要分冲裁模使用的模具。它主要分冲裁模、拉拔及压型模、冷镦模和冷挤、拉拔及压型模、冷镦模和冷挤模模 2 2性能要求性能要求 冲裁模的主要性能要求是高的硬度和耐磨性，足够的抗压、冲裁模的主要性能要求是高的硬度和耐磨性，足够的抗压、抗弯强度和适当的韧性。由于被冲板料厚度不同，对其性能要求抗弯强度和适当的韧性。由于被冲板料厚度不同，对其性能要求有所差异。有所差异。例：例：对于薄板对于薄板 ( (板厚板厚 1.5 mm) 1.5 mm)时，冲裁模以高耐磨性、高精度时，冲裁模以高耐磨性、高精度要求为主；要求为主； 对于厚板对于厚板( (板厚板厚1.5mm)1.5mm)，除要求高耐磨性外，还应具有良好

24、，除要求高耐磨性外，还应具有良好的强韧性；的强韧性；另外，模具的功能不同，对性能要求也不同。另外，模具的功能不同，对性能要求也不同。（二）冷镦模二）冷镦模-使金属棒料在模具型腔内冷变形成形；主要用于紧使金属棒料在模具型腔内冷变形成形；主要用于紧固件、滚动轴承、滚子、链条、汽车零件的成形。固件、滚动轴承、滚子、链条、汽车零件的成形。 1 1工作条件及主要失效形式工作条件及主要失效形式 工作条件差，有强烈冲击。凸模承受的冲击压应力可超过工作条件差，有强烈冲击。凸模承受的冲击压应力可超过2500 2500 MPaMPa，冲击频率很高。凹模的型腔表面和凸，冲击频率很高。凹模的型腔表面和凸模的工作表面还

25、受到剧模的工作表面还受到剧烈的冲击摩擦，温度可达烈的冲击摩擦，温度可达300300。 此外，由于坯料硬度不均、端面不平，冷镦机精度不够等原此外，由于坯料硬度不均、端面不平，冷镦机精度不够等原因，还使凸模受到弯曲应力。因，还使凸模受到弯曲应力。冷镦模的主要失效形式是：冷镦模的主要失效形式是：凸、凹模工作表面磨损严重，易产生沟凸、凹模工作表面磨损严重，易产生沟痕或剥落；凸模折断，凹模开裂；凸模镦粗，凹模模口胀大、棱角痕或剥落；凸模折断，凹模开裂；凸模镦粗，凹模模口胀大、棱角堆塌等堆塌等. .2 2性能要求性能要求 要求有足够的硬度要求有足够的硬度( (凸模凸模60-62HRC,60-62HRC,凹

26、模凹模58-60HRC)58-60HRC)、高的抗压、高的抗压强度和冲击韧度。尤其是凹模，需要有良好的强韧性配合，强度和冲击韧度。尤其是凹模，需要有良好的强韧性配合，一般一般整整个截面不能淬透，硬化层深度一般控制在个截面不能淬透，硬化层深度一般控制在1.5-4mm1.5-4mm。硬化层过深，。硬化层过深，易碎裂、崩块；硬化层过浅，模腔易磨损、拉毛、粘模而使工件精易碎裂、崩块；硬化层过浅，模腔易磨损、拉毛、粘模而使工件精度下降。度下降。（三）冷挤压模三）冷挤压模-是常温下，在压力机上对金属以一定的速度和是常温下，在压力机上对金属以一定的速度和压力，使金属塑性变形成形的模具。压力，使金属塑性变形成

27、形的模具。1 1工作条件及主要失效形式工作条件及主要失效形式 冷挤压成形时，有强烈的三向压应力作用，变形抗力大。挤冷挤压成形时，有强烈的三向压应力作用，变形抗力大。挤压有色金属时，挤压力达压有色金属时，挤压力达1000 MPa1000 MPa以上；挤压钢材时，正挤压力以上；挤压钢材时，正挤压力达达2000-2500MPa2000-2500MPa，而反挤压力达，而反挤压力达3000-3500MPa3000-3500MPa。此外，模具还受。此外，模具还受到坯料塑变流动的剧烈摩擦，使模具表面局部温升可达到坯料塑变流动的剧烈摩擦，使模具表面局部温升可达300-400300-400。凸模比凹模的工作条件

28、更苛刻，如毛坯端面不平整，冲头与凹模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。不同心等，都会使冲头受到很大的弯曲应力的作用。 冷挤压凸模的失效形式：冷挤压凸模的失效形式：主要是断裂、塑性变形及磨损；主要是断裂、塑性变形及磨损；凹模的主要失效形式是胀裂及磨损。凹模的主要失效形式是胀裂及磨损。2 2性能要求性能要求 具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模要求硬度为具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模要求硬度为61-61-63HRC63HRC，凹模要求硬度为，凹模要求硬度为58-62HRC58-62HRC。由于冷挤压时产生较大的温升，。由

29、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。所以还应具有一定的冷热疲劳抗力和热硬性。（四）拉拔模及成形模四）拉拔模及成形模-包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模，包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模，这些模具可使板材或棒材延伸、压制成形。这些模具可使板材或棒材延伸、压制成形。 1 1工作条件及主要失效形式工作条件及主要失效形式 模具工作时受载较轻，但模具表面有强烈的摩擦。凹模主要模具工作时受载较轻，但模具表面有强烈的摩擦。凹模主要受径向张力作用，凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力作用。受径向张力作用，凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力作用。主要失效形式：主要失效形式：成形模具主要是磨

30、损，拉拔模除了严重磨损外，成形模具主要是磨损，拉拔模除了严重磨损外，还会产生还会产生“粘附粘附”( (咬合咬合) )，即在温度和压力作用下，模腔局部表，即在温度和压力作用下，模腔局部表面可与坯料发生焊合，使小块坯料粘附在模腔表面形成坚硬的小面可与坯料发生焊合，使小块坯料粘附在模腔表面形成坚硬的小瘤，这些小瘤将使制品表面产生划痕和擦伤。瘤，这些小瘤将使制品表面产生划痕和擦伤。2 2性能要求性能要求 拉拔模性能主要要求是高的耐磨性，一般凸模硬度要求为拉拔模性能主要要求是高的耐磨性，一般凸模硬度要求为58-58-62HRC62HRC，凹模硬度要求为，凹模硬度要求为62-64HRC62-64HRC；要

31、求具有良好的抗咬合性。对；要求具有良好的抗咬合性。对成形模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度为成形模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度为54-58HRC54-58HRC，凹模硬度，凹模硬度为为56-60HRC56-60HRC，但要求较高的韧性。，但要求较高的韧性。 二、二、 冷作模具钢的分类冷作模具钢的分类 冷作模具材料冷作模具材料按材料类型按材料类型钢材钢材硬质合金硬质合金低熔点合金低熔点合金高分子材料高分子材料钢材钢材按材料类型按材料类型碳素工具钢碳素工具钢高速钢高速钢基体钢基体钢低合金工具钢低合金工具钢高碳高铬或中铬工具钢高碳高铬或中铬工具钢三三. .冷作模具钢的特点冷作模具钢的特点 由于冷作模

32、具钢多为常温下工作，材料的塑性变形抗力大，模由于冷作模具钢多为常温下工作，材料的塑性变形抗力大，模具的工作应力，工作条件苛刻，因此，这类模具性能一般要求高具的工作应力，工作条件苛刻，因此，这类模具性能一般要求高的硬度和耐磨性，足够的强度适当的韧性。的硬度和耐磨性，足够的强度适当的韧性。 因此，冷作模具钢通常在成分上以高碳为主，以满足高硬度和因此，冷作模具钢通常在成分上以高碳为主，以满足高硬度和高耐磨性的需要。高耐磨性的需要。 如果为了提高模具抗冲击能力，需增加韧性时，可选用中碳钢。如果为了提高模具抗冲击能力，需增加韧性时，可选用中碳钢。 为了提高冷作模具淬透性和耐磨性，通常在高碳钢中加入碳化为

33、了提高冷作模具淬透性和耐磨性，通常在高碳钢中加入碳化物物CrCr、MoMo、W W、V V等元素。等元素。1. . 高碳工具钢（高碳工具钢（ T7AT7A、T10AT10A、T12AT12A为代表）为代表）1 1）主要性能特点）主要性能特点 C%C%在在0.7% 0.7% 1.3%1.3%范围内范围内, ,随含碳量提高，碳化物量增加，耐随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。磨性提高，但韧性下降。 价格便宜、来源方便；锻造工艺性好；易退火软化，便于加价格便宜、来源方便；锻造工艺性好；易退火软化，便于加工制成模具；热处理后有较高的硬度和一定的耐磨性。工制成模具；热处理后有较高的硬度和

34、一定的耐磨性。主要缺陷是淬透性低，模具截面尺寸主要缺陷是淬透性低，模具截面尺寸15 mm15 mm，水冷也不能淬，水冷也不能淬透，热硬性、耐磨性差，淬火温度范围窄，变形开裂的倾向大，透，热硬性、耐磨性差，淬火温度范围窄，变形开裂的倾向大，模具使用寿命短。因此模具使用寿命短。因此, ,高高碳工具钢只适宜制造尺寸较小，形状碳工具钢只适宜制造尺寸较小，形状简单、受载较轻、简单、受载较轻、不适宜制作大中型和复杂的模具零件。不适宜制作大中型和复杂的模具零件。3 3） T8AT8A、T10AT10A、T12AT12A钢的性能特点钢的性能特点 T8AT8A钢的过热敏感性较大钢的过热敏感性较大, ,晶粒容易粗

35、化，韧性较差，淬火晶粒容易粗化，韧性较差，淬火后没有过剩碳化物，耐磨性差。所以模具制造时后没有过剩碳化物，耐磨性差。所以模具制造时适于制作小型适于制作小型拉拔、拉深、挤压模具；拉拔、拉深、挤压模具； T12AT12A钢过剩钢过剩碳化物较多，颗粒较大，分布不均匀，易形成碳化物较多，颗粒较大，分布不均匀，易形成网状，使性能变坏，因此在用作模具时受到限制，生产中只用网状，使性能变坏，因此在用作模具时受到限制，生产中只用于要求韧性不高，而硬度和耐磨性高的切边模和剪刀。于要求韧性不高，而硬度和耐磨性高的切边模和剪刀。T10AT10A（ T11A）应用最普遍，因为它过热应用最普遍，因为它过热敏感性小，能获

36、得比较细敏感性小，能获得比较细小的晶粒，经适当热处理后，有较高的强度和一定的韧性，而且小的晶粒，经适当热处理后，有较高的强度和一定的韧性，而且淬火后有未溶碳化物，增加了耐磨性。淬火后有未溶碳化物，增加了耐磨性。适合制作要求耐磨性较高，适合制作要求耐磨性较高，而承受冲击载荷较小的模具。而承受冲击载荷较小的模具。2 2）热加工工艺）热加工工艺锻造锻造球化退火（若锻后出现粗大或严重网状碳化物时，应先进球化退火（若锻后出现粗大或严重网状碳化物时，应先进行正火后再进行球化退火）行正火后再进行球化退火）淬火和回火（淬火和回火（典型工艺见典型工艺见P58P58，Tab5-6Tab5-6；）。；）。1.1.等

37、温球化退火等温球化退火 目的获得细小均匀分布碳化物目的获得细小均匀分布碳化物, ,以提高强度、耐磨性和韧性，以提高强度、耐磨性和韧性，为最终热处理做准备（减少淬火变形和开裂）。为最终热处理做准备（减少淬火变形和开裂）。 如果为了进一步减少热处理变形和降低精加工的表面粗糙如果为了进一步减少热处理变形和降低精加工的表面粗糙度值，模具可在粗加工以后精加工之前进行预调制处理，或者是度值，模具可在粗加工以后精加工之前进行预调制处理，或者是进行去应力退火。进行去应力退火。2. 最终淬火一般采用分级加热的方法，以减少变形开裂和高温保温最终淬火一般采用分级加热的方法，以减少变形开裂和高温保温时间，这样也可使氧

38、化脱碳减少。时间，这样也可使氧化脱碳减少。 淬火冷却一般采用分级淬火冷却一般采用分级-等温工艺，可减少变形，获得良好性能，等温工艺，可减少变形，获得良好性能，但淬透性差。采用但淬透性差。采用160160180180碱液分级淬火可获得较高硬度，但淬碱液分级淬火可获得较高硬度，但淬硬层较薄。硬层较薄。 淬火后应力很大，应尽快回火，通常在油炉或硝盐中进行。淬火后应力很大，应尽快回火，通常在油炉或硝盐中进行。注意：注意：淬火温度过高，增加淬火变形、开裂的危险，并导致淬火马氏体淬火温度过高，增加淬火变形、开裂的危险，并导致淬火马氏体粗大，钢的韧性下降。如果淬火温度过低，钢的硬度和耐磨性降低。粗大，钢的韧

39、性下降。如果淬火温度过低，钢的硬度和耐磨性降低。碳素工具钢淬火后存在较大内应力，需及时低温回火。通常在油碳素工具钢淬火后存在较大内应力，需及时低温回火。通常在油炉或硝盐中进行，回火温度根据硬度要求而定（典型工艺见炉或硝盐中进行，回火温度根据硬度要求而定（典型工艺见P58P58，Tab5-7Tab5-7），时间一般为），时间一般为1-2h1-2h。2. 2. 高碳低合金工具钢高碳低合金工具钢 1 1）主要性能特点）主要性能特点 C%C%在在0.8%0.8%以上，在碳素工具钢的基础上加入了适量的以上，在碳素工具钢的基础上加入了适量的CrCr、MnMn、SiSi、W W、V V等合金元素，等合金元素

40、，合金元素总的质量分数一般在合金元素总的质量分数一般在5%以下。以下。合金元素合金元素主要作用：主要作用：提高淬透性；减小淬火变形、开裂；形成特殊提高淬透性；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。碳化物，细化晶粒；提高回火稳定性。 比碳素工具钢有更高的淬透性，可淬透直径可达比碳素工具钢有更高的淬透性，可淬透直径可达80100mm。 有良好的耐磨性，淬火变形比较小。因此，被广泛用来制作形有良好的耐磨性，淬火变形比较小。因此，被广泛用来制作形状较复杂、截面较大、承受负载比较大、变形要求严格的中小冷作状较复杂、截面较大、承受负载比较大、变形要求严格的中小冷作模具。模具。常用钢

41、种：常用钢种： 9Mn2V 、MnCrWV 、9SiCr 、CrWMn热加工工艺热加工工艺注意：注意： 对于用低合金工具钢制的形状比较简单，截面较大的模具，采对于用低合金工具钢制的形状比较简单，截面较大的模具，采用连续淬火的方法。用连续淬火的方法。 对于形状比较复杂的或要求热处理变形小的低合金工具钢所制对于形状比较复杂的或要求热处理变形小的低合金工具钢所制的模具，可采用分级等温淬火。目的是获得下贝氏体组织，从而的模具，可采用分级等温淬火。目的是获得下贝氏体组织，从而使钢的强度使钢的强度、硬度和韧性得到良好的配合，并保证模具具有良好、硬度和韧性得到良好的配合，并保证模具具有良好的耐磨性，同时可使

42、热应力和组织应力减至最小，大大减少模具的耐磨性，同时可使热应力和组织应力减至最小，大大减少模具的变形。的变形。高碳低合金工具钢高碳低合金工具钢淬火后存在较大内应力，需及时低温回火。淬火后存在较大内应力，需及时低温回火。以获得高硬度，通常回火温度根据硬度要求而定以获得高硬度，通常回火温度根据硬度要求而定1 1、9Mn2V9Mn2V钢钢 (%C:(%C:：0.85-0.950.85-0.95；%Mn%Mn：1.7-2.01.7-2.0）1 1）主要性能特点）主要性能特点: : 高硬度、高耐磨性；高的淬透性。锰含量高易引起过热，加入少高硬度、高耐磨性；高的淬透性。锰含量高易引起过热，加入少量的量的V

43、 V，可细化晶粒，克服过热倾向。与，可细化晶粒，克服过热倾向。与CrWMnCrWMn钢相比，耐磨性相钢相比，耐磨性相近，碳化物不均匀性和淬火开裂的倾向性比近，碳化物不均匀性和淬火开裂的倾向性比CrWMnCrWMn钢小，但淬透性钢小，但淬透性低，油淬时临界淬透直径为低，油淬时临界淬透直径为40mm40mm，回火稳定性也稍差。，回火稳定性也稍差。 2 2）热加工工艺）热加工工艺 (P59 fig5-2)(P59 fig5-2)：锻造锻造球化退火球化退火淬火和回火淬火和回火1、球化退火的目的：生成低硬度的粒状珠光体，消除钢中的网球化退火的目的：生成低硬度的粒状珠光体，消除钢中的网状碳化物，为最终热处

44、理作准备。状碳化物，为最终热处理作准备。2、淬火：淬火温度范围比较宽，一般温度范围在淬火：淬火温度范围比较宽，一般温度范围在780 780 800 800 ，晶粒都不会显著长大，硬度达到最大值，变形情况也最小。，晶粒都不会显著长大，硬度达到最大值，变形情况也最小。温度高于温度高于800 800 时，由于残余奥氏体量增加而使硬度稍有下降。时，由于残余奥氏体量增加而使硬度稍有下降。要求优良强韧性时，采用要求优良强韧性时，采用800800淬火；希望工件获得最大的淬硬淬火；希望工件获得最大的淬硬层深度时，可选取层深度时，可选取820-840 820-840 淬火，油冷；硬度为淬火，油冷；硬度为62-6

45、3HRC62-63HRC；形；形状复杂模具可用状复杂模具可用100 100 热油冷却或硝盐浴等温分级淬火。热油冷却或硝盐浴等温分级淬火。回火温度为回火温度为160-180160-180，空冷。硬度为，空冷。硬度为60-62HRC60-62HRC）。）。3 3）应用范围：）应用范围： 广泛用于冲件厚度小于广泛用于冲件厚度小于4mm4mm的冲模及尺寸较小的弯曲模、的冲模及尺寸较小的弯曲模、落料模等。用它代替落料模等。用它代替T10AT10A，不仅可以减小热处理变形，还可大大，不仅可以减小热处理变形，还可大大提高模具寿命。对于中小模具，该钢还可以代替提高模具寿命。对于中小模具，该钢还可以代替CrWM

46、nCrWMn。2. CrWMn2. CrWMn 钢钢1 1）主要性能特点）主要性能特点 ：因其基体中同时含有因其基体中同时含有Cr Cr 和和 W W，具有高的淬透性，具有高的淬透性，模具尺寸模具尺寸4040- -50mm50mm时，油中即可淬透；时，油中即可淬透；因含有因含有W W，在淬火和低温回火后比，在淬火和低温回火后比9Mn2V9Mn2V钢钢 含有较多的碳化物，含有较多的碳化物，具有较高的硬度具有较高的硬度( (油淬硬度可达油淬硬度可达64HRC64HRC以上以上) )和耐磨性。和耐磨性。 主要缺陷是碳化物偏析较严重，热加工时易形成网状碳化物，主要缺陷是碳化物偏析较严重，热加工时易形成

47、网状碳化物，韧性较差。降低模具寿命韧性较差。降低模具寿命. .所以，应严格控制其所以，应严格控制其热加工工艺。热加工工艺。2 2）热加工工艺：）热加工工艺： 锻造锻造球化球化退火（退火（P60 Fig5-3P60 Fig5-3）硬度为）硬度为207-255HBS.207-255HBS.若出现若出现严重网状碳化物，进行一次正火，严重网状碳化物，进行一次正火，950-980950-980、空冷、空冷淬火和回淬火和回火（火（ 820-840820-840、油冷，硬度、油冷，硬度63-65HRC63-65HRC；回火温度：；回火温度：160-200 160-200 ）锻造的目的：是将材料中网状的碳化物

48、通过反复锻造的目的：是将材料中网状的碳化物通过反复多次锻打来击碎，多次锻打来击碎，破坏网状结构，使破坏网状结构，使碳化物均匀分布碳化物均匀分布球化球化退火的目的：消除钢中的网状碳化物，为最终热处理作准备。退火的目的：消除钢中的网状碳化物，为最终热处理作准备。淬火温度范围一般在淬火温度范围一般在820 820 850 850 ，硬度，硬度63-65HRC63-65HRC。回火温度。回火温度160-200160-200（由于这类钢在回火过程中易出现第一类回火脆性，应（由于这类钢在回火过程中易出现第一类回火脆性，应避免在避免在300 300 附近回火。附近回火。注：注：模具要求高韧性，而硬度要求不低

49、于模具要求高韧性，而硬度要求不低于55HRC55HRC时，可采用下贝氏时，可采用下贝氏体等温淬火。体等温淬火。3 3）应用范围：）应用范围： CrWMnCrWMn 钢淬透性、淬硬性、强韧性耐磨性及热处理变形倾向钢淬透性、淬硬性、强韧性耐磨性及热处理变形倾向均优于碳素工具钢，主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载均优于碳素工具钢，主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载冲裁模冲裁模( (板厚板厚2mm)2mm)，轻载拉深、弯曲、翻边模等，轻载拉深、弯曲、翻边模等. . 4.9SiCr 4.9SiCr 由于含有一定量的由于含有一定量的SiSi，因而与一般铬钢相比具有更高的淬硬，因而与一般铬钢相比具有

50、更高的淬硬性和淬透性，并且还具有较高的回火稳定性，适合于分级淬火性和淬透性，并且还具有较高的回火稳定性，适合于分级淬火或等温淬火，热处理变形小。或等温淬火，热处理变形小。 缺点：但缺点：但SiSi的存在，使钢在退火和淬火加热过程中脱碳倾向的存在，使钢在退火和淬火加热过程中脱碳倾向比较严重。比较严重。 5. GCr155. GCr15钢钢(%C: 0.95-1.05(%C: 0.95-1.05， %Cr%Cr：1.3-1.65)1.3-1.65)1) 1) 主要性能特点主要性能特点: : 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。

51、与碳素工具钢相比，主要优点是淬透性较高，过热倾向小，性。与碳素工具钢相比，主要优点是淬透性较高，过热倾向小，淬火变形小，回火稳定性较高，热处理质量稳定。淬火变形小，回火稳定性较高，热处理质量稳定。2 2）热加工工艺：）热加工工艺： 锻造锻造球化退火，（球化退火，（注：注：GCrl5GCrl5钢锻后如果出现严重的网状碳钢锻后如果出现严重的网状碳化物或晶粒粗大，球化退火前进行化物或晶粒粗大，球化退火前进行900-950900-950、空冷正火处理）、空冷正火处理）淬火和回火（淬火和回火（830-860,830-860,油冷，硬度油冷，硬度63-64HRC63-64HRC；回火温度；回火温度可在可在

52、150-180 150-180 范围内选择）。范围内选择）。三）三） 高耐磨微变形冷作模具钢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、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、变形要求等仍不能满足强韧性、变形要求等仍不能满足形状复杂形状复杂的的重载重载冷作模具的要冷作模具的要求，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：就是其中一类，典型钢种有：Crl2Crl2、Crl2MoVCrl2MoV、Crl2MolV1Crl2MolV1和和Cr4W2MoVCr

53、4W2MoV。 成分特点：成分特点： (%C:：1.3 2.3 ；Cr%：1113)1. Crl21. Crl2型钢：型钢：包括包括Cr12Cr12、Crl2MoVCrl2MoV、Crl2Mo1V1Crl2Mo1V1，属于高碳高铬莱，属于高碳高铬莱氏体钢氏体钢1 1）主要性能特点：）主要性能特点： 热处理后，具有很高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能热处理后，具有很高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力仅次于高速钢。力仅次于高速钢。 由于含有大量的由于含有大量的Cr，形成多种碳化物，这些形成多种碳化物，这些碳化物在淬火加热碳化物在淬火加热时，大部分会溶入奥氏体中，从而保证得到高硬度的马氏体。时，大

54、部分会溶入奥氏体中，从而保证得到高硬度的马氏体。 回火时，从马氏体中析出大量弥散分布碳化物，硬度很高，因回火时，从马氏体中析出大量弥散分布碳化物，硬度很高，因此提高了钢的耐磨性。此提高了钢的耐磨性。 Cr还可以使过冷奥氏体稳定性提高，从而增加了钢的淬透性还可以使过冷奥氏体稳定性提高，从而增加了钢的淬透性。这样，对于中小尺寸模具，可采用较缓慢的淬火冷却方法来减少这样，对于中小尺寸模具，可采用较缓慢的淬火冷却方法来减少模具的变形。模具的变形。 Cr还可使还可使Ms（马氏体（马氏体）点降低，淬火后存在大量残余奥氏体，点降低，淬火后存在大量残余奥氏体，使体积变形减少，因此可通过控制残余奥氏体来保证模具

55、淬火微使体积变形减少，因此可通过控制残余奥氏体来保证模具淬火微变形。变形。 Crl2 Crl2钢的钢的%C%C高达高达2.32.3，碳化物不均匀性严重，脆性大，用于，碳化物不均匀性严重，脆性大，用于制造模具易产生崩刃和脆断。制造模具易产生崩刃和脆断。 Crl2MoVCrl2MoV钢的含碳量比钢的含碳量比Crl2Crl2钢少，加入钢少，加入MoMo、V V，使钢中碳化物，使钢中碳化物分布不均匀性明显改善，韧性提高；分布不均匀性明显改善，韧性提高； Crl2Mo1V1Crl2Mo1V1是研制的新钢种，由于是研制的新钢种，由于MoMo、V V含量增加，其组织进含量增加，其组织进一步细化，钢的耐磨性、

56、强韧性较一步细化，钢的耐磨性、强韧性较Crl2MoVCrl2MoV要高，但锻造性能稍差，要高，但锻造性能稍差，易锻裂，退火软化也比较困难。易锻裂，退火软化也比较困难。 2 2）热加工工艺）热加工工艺P61 Fig5-4P61 Fig5-4，Fig5-5Fig5-5(1)(1)锻造：锻造：（属莱氏体钢，轧材中有明显的网状碳化物，易淬火变（属莱氏体钢，轧材中有明显的网状碳化物，易淬火变形、开裂，大截面的坯料要锻造，以改善碳化物的不均匀性，使形、开裂，大截面的坯料要锻造，以改善碳化物的不均匀性，使其热加工流线在模具中分布合理），其热加工流线在模具中分布合理），锻后应注意及时退火。锻后应注意及时退火。

57、2 2）等温球化退火：）等温球化退火：加热温度为加热温度为850-870850-870、2-4h2-4h，等温温度，等温温度740-740-760760、4-6h4-6h；硬度为；硬度为207-255HBS207-255HBS。 预调质处理：为了在淬火之前获得比较均匀的预调质处理：为了在淬火之前获得比较均匀的碳化物分布，使碳化物分布，使淬火以后有规律。预调质温度可比最终热处理温度低淬火以后有规律。预调质温度可比最终热处理温度低101030 30 3 3）淬火和回火：）淬火和回火：根据模具的具体性能要求而定根据模具的具体性能要求而定, ,常用有二种。常用有二种。（1 1）低温淬火）低温淬火+ +

58、低温回火：低温回火： Cr12Cr12钢，钢， 950-980 950-980 、油冷；、油冷；Cr12MoVCr12MoV钢，钢，1000-10201000-1020； 回火温度，回火温度，200-200-保证高硬度、高耐磨性和韧性，但抗压保证高硬度、高耐磨性和韧性，但抗压强度低。强度低。（2 2）高温淬火）高温淬火+ +高温回火：高温回火： Cr12Cr12钢，钢， 1000-1100 1000-1100 、油冷；、油冷；Cr12MoVCr12MoV钢，钢，1040-11401040-1140； 回火温度，回火温度，500-520-500-520-保证高耐磨性、热硬性和较高抗压保证高耐磨性

59、、热硬性和较高抗压强度，但韧性差。强度，但韧性差。在实际生产中，淬火和回火温度的选择取决于它的使用要求，当在实际生产中，淬火和回火温度的选择取决于它的使用要求，当模具要求比较小的变形和一定韧性时，可用较低淬火温度和模具要求比较小的变形和一定韧性时，可用较低淬火温度和低温低温回火。这样可以使合金元素溶解量降低，残余奥氏体比较少。回火。这样可以使合金元素溶解量降低，残余奥氏体比较少。 而而高温淬火和高温回火，这时硬度稍有降低，但改善了热硬性高温淬火和高温回火，这时硬度稍有降低，但改善了热硬性和淬透性，提高了模具的使用性能，高温回火主要利用了二次硬和淬透性，提高了模具的使用性能，高温回火主要利用了二

60、次硬化效应。化效应。v 产生二次硬化产生二次硬化v含高含高W、Mo、Cr、V钢淬火钢淬火后在后在500600回火时，其硬回火时，其硬度不仅不下降，反而升高的度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。现象称二次硬化。v产生的原因产生的原因:含上述合金元素含上述合金元素较多的合金钢较多的合金钢,在该温度范围在该温度范围内回火时内回火时,将析出细小、弥散将析出细小、弥散的特殊碳化物的特殊碳化物,如如 Mo2C 、W2C 、VC等等,这类碳化物硬这类碳化物硬度很高度很高,在高温下非常稳定在高温下非常稳定,难难以聚集长大以聚集长大,能有效阻碍位错能有效阻碍位错运动运动,具有高温强度。具有高温强度。高速钢高