项目十冷作模具材料 模具材料与热处理课件.ppt

1、项目十 冷作模具材料,任务目录,任务一 冷作模具材料的性能要求与成分、热处理特点 任务二 冷作模具材料与热处理 任务三 冷作模具的选材,任务一 冷作模具材料的性能要求与成分、热处理特点,学习目标 了解冷作模具材料的使用性能要求。 了解冷作模具材料的工艺性能要求。 掌握模具材料的成分特点和热处理特点。 具有根据模具材料的性能要求解决实际问题的能力。 实践项目 了解冷作模具的服役条件，分组讨论冷作模具材料应具有的性能，冷作模具材料成分特点和热处理方法。,相关知识 冷作模具材料的性能要求 根据模具的设计、加工制造过程和使用过程，对模具材料有两方面的性能要求，一是冷作模具材料应具有的使用性能，二是冷作

2、模具材料应具有的工艺性能。 冷作模具材料应具有的使用性能（结合模具的服役过程服役条件讲） 冷作模具材料应具有良好的耐磨性、较高的强度、足够的韧性、良好的抗疲劳性能 、良好的抗咬合能力。,冷作模具材料的工艺性能要求（结合模具零部件的加工过程讲） 具有良好的锻造性能、良好的切削加工性 、良好的磨削加工性能 、好的热处理工艺性 冷作模具材料的成分特点 含碳量：它是影响冷作模具钢性能的决定性因素。一般，随着含碳量的增加，钢的硬度、强度和耐磨性提高，塑性、韧性变差。对于高耐磨的冷作模具钢碳的质量分数一般控制在0.72.3，以获得高碳马氏体，并形成一定量的碳化物；对于需要抗冲击的高强韧性冷作模具，其钢材的

3、碳的质量分数一般控制在0.50.7，以保证模具获得足够的韧性。,合金化的特点：加入强碳化物形成元素，获得足够数量的合金碳化物，并增加钢的淬透性和回火稳定性，以达到耐磨性和强韧性的要求。具体加入的元素主要有Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Co、Ni等，它们大部分能提高钢的淬透性，强化基体，提高硬度和耐磨性以及回火稳定性，其中强碳化物和中强碳化物形成元素的加入会产生二次硬化现象，还可以细化晶粒，显著提高钢的耐磨性和强韧性；硅能显著提高变形抗力及冲击疲劳抗力；也可提高抗氧化性和耐腐蚀性。镍既能提高钢的韧性，含量较高时，可显著提高钢的耐蚀性。 冷作模具材料的热处理特点,和低合金刃具钢类似，毛坯锻压后的

4、预备热处理采用球化退火，最终热处理采用淬火+低温回火。当然，具体的热处理工艺的选用主要根据模具的性能要求和服役条件确定。,任务二 冷作模具材料与热处理,学习目标 了解冷作模具材料的分类。 掌握各种冷作模具钢的特性和应用。 了解国内销售的进口冷作模具钢的情况简介。 了解各种典型冷作模具的选材原则及常选用的材料。 具有辨别各种冷作模具材料的基本性能和用途的能力。,实践项目 通过对冷作模具材料的了解，解释下列图的变化规律。,相关知识 冷作模具钢及热处理 冷作模具钢按化学成分、工艺性能、力学性能及应用场合可以分为如表10-1所示的几类。 碳素工具钢与热处理 1、碳素工具钢特性及用途 碳素工具钢中碳的质

5、量分数在0.7%1.3%范围内，当钢中含碳量在0.6%以上时，随着含碳量的增加，淬火硬度缓慢的增加。 对于不同有效厚度的模具可选有不同的含碳量来满足其性能的要求。,碳素工具钢在退火状态下硬度较低，有较好的切削加工性能，通过热处理可以获得较高的硬度，具有一定的耐磨性，但淬透性差、淬火变形大、耐磨性不高。因此碳素工具钢适宜制造尺寸较小、形状简单、负荷较轻，生产批量不大的冷作模具，其中T10A钢是性能较好，应用最广的代表性钢种，常用来制作小型边模，落料模以及小型拉深模具。 2、碳素工具钢的热处理 碳素工具钢在毛坯锻造后进行等温球化退火，最终热处理为淬火+低温回火。 低合金冷作模具钢与热处理,1、低合

6、金冷作模具钢的特性及用途 低合金冷作模具钢又称为油淬冷作模具钢，它是在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素发展而来的。通常加入的合金元素有Cr、Mn、Si、W、V等。其主要作用是提高淬透性，减小淬火变形开裂倾向，形成特殊碳化物，细化晶粒，提高回火稳定性。因此这类钢的强韧性，耐磨性，热硬性都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。因此碳素工具钢不能胜任的模具，可考虑用油淬冷作模具钢来制作。 2、典型的低合金冷作模具钢 9CrWMn钢和CrWMn的特性及应用,9CrWMn钢是低合金冷作模具钢，具有一定的淬透性和耐磨性，淬火变形小，碳化物细小均匀。主要用于碳素工具钢不能满足要求的截面较大，形状较复

7、杂、淬火变形小的模具零件。 CrWMn钢是9CrWMn钢的改进型，提高了C、Cr、W的含量，具有更高的淬透性，淬火变形小，耐磨性、热硬性、强韧性均优于碳素工具钢，是使用较为广泛的冷作模具钢。主要用于制造要求变形小，形状较复杂的轻载冲裁模，轻载拉延、弯曲、翻边模等。 9Mn2V钢的特性及应用 9Mn2V钢是一种比碳素工具钢具有更好综合力学性能和工艺性能的低合金模具钢，是合金工具钢中惟一,不含Ni、Cr元素的经济型钢种。该钢碳化物细小均匀，冷加工工艺性都较好，但淬透性，淬硬性，耐回火性，强度稍低于CrWMn钢，并且有明显的低温回火脆性。9Mn2V钢广泛用来制作碳素工具钢不能满足要求的冷作模具零件和

8、塑料模具零件。 9SiCr钢的特性及应用 9SiCr钢比铬钢(Cr2或9Cr2)有更高的淬透性和淬硬性，并有较高的回火稳定性。适合分级淬火和等温淬火。该钢可制作多种形状复杂、变形要求小的冷作模具零件，如冲模、打印模。 6CrNiMnSiMoV(GD)钢的特性和应用 6CrNiMnSiMoV (GD) 钢属低合金高强韧性冷作模具钢,6CrNiMnSiMoV (GD) 钢的合金化特点是在CrWMn的基础上适当降低含碳量，以减少碳化物偏析，同时增加NiSiMn，以加强基体的强度和韧性；少量的Mo和V可以细化晶粒提高淬透性和耐磨性，增加耐回火性；Cr的作用主要在于提高淬透性。通过最佳的热处理工艺，可以

9、使GD钢获得较多的板条马氏体，碳化物细小而均匀。GD钢的淬火温度较低，温度区间宽，尤其适合中小企业的热处理条件。它可以替代CrWMn9Mn2V钢和部分取代Cr12MoV钢，制造冷作模具，模具的使用寿命大幅度提高.该钢适宜制作冲裁切边复合模、冷冲模、冷镦模、冷挤压模等。,3、低合金冷作模具钢的热处理 低合金冷作模具钢在毛坯锻造后进行等温球化退火，最终热处理为淬火+低温回火。表10-3为一些典型的低合金冷作模具钢的热处理工艺规范 。 中合金冷作模具钢与热处理 中合金冷作模具钢比低合金冷作模具钢含有更多的合金元素，钢的淬透性更好，空冷就能使钢淬硬，并具有较深的淬透深度，该钢又称为空淬冷作模具钢 。

10、1、典型的中合金冷作模具钢的特性和应用 8Cr2MnMoWVS钢的特性和应用 8Cr2MnMoWVS钢简称为8Cr2S钢,属于含硫的易切削模具钢，由于该钢含碳量较高，淬火硬度高、耐磨性好，综合力学性能好，热处理变形小。,可以用来制造精密的冷作模具等。另外8Cr2S钢预硬化处理到4045HRC,仍可以采用高速钢刀具进行车，刨，铣，镗，钻，铰，攻螺纹等常规加工，使模具加工后可直接使用，这对于形状复杂获要求尺寸配合精度高的模具特别适用。对塑料模具而言，由于P20钢机械加工困难，因此8Cr2S钢可代替P20钢作易切削预硬型钢制作精密塑料模，压塑模。 Cr5MolV钢的特性和应用 Cr5MolV钢属空淬

11、模具钢，具有深的空淬硬化性能，该钢由于空淬引起的变形大约只有锰系油淬工具钢的1/4,耐磨性介于锰型和高碳高铬型工具钢之间，其韧性比任何一种都好，特别适合于要求具备好的耐磨性，,又具有特殊好的韧性的冷作模具零件，如成型模、轧辊、冲头、压延模和滚丝模等。 Cr4W2MoV钢的特性和用途 Cr4W2MoV钢是新型的中合金冷作模具钢。性能接近于Cr12MoV、Cr12，但含铬量低。Cr4W2MoV钢的特点主要是碳化物颗粒细小，分布均匀，具有较好的淬透性和淬硬性，并有较好的耐磨性和尺寸稳定性，该钢主要用于制造各种冲模、冷镦模、落料模等模具的零件。用它制造模具的寿命较Cr12MoV、Cr12钢制造模具的寿

12、命有很大的提高。 2、中合金冷作模具钢的热处理 经锻造的空淬冷作模具钢必须进行退火。最终热处理的选择取决于模具的性能要求。,空淬冷作模具钢有很好的淬透性，在给定的淬火温度下，冷却的速度越低，钢中残余奥氏体量越多，硬度也会越低一些，这类钢淬火后硬度可达6265HRC,淬火后通常采用低温回火，以消除应力，提高钢的韧性，但有时根据模具的工作条件，也有采用高温淬火， 高温回火的。在低温淬火时，只有用低温回火才能获的较高的强度和韧性，对于要求以耐磨性为主的模具，最好采用前一种热处理工艺；而对于工作动载荷较高，要求韧性较高的模具，则采用高温淬火和高温回火工艺。 高合金冷作模具钢（高碳高铬钢）与热处理 高碳

13、高铬冷作模具钢由于其含碳量和合金元素的含量都很高，该钢具有高硬度、高强度、高耐磨性、易淬透、稳定性高、抗压强度高及淬火变形小等优点。,1、高碳高铬冷作模具钢的特性和应用 Crl2和Crl2MoV钢的特性和应用 Crl2和Crl2MoV钢，这两种钢通称为Crl2型钢。Crl2MoV钢是由Crl2钢发展而来的。Crl2钢属于莱氏体钢，所以有很高的淬透性、淬硬性，淬火变形小，但碳化物不均匀，导热性差，冲击韧性差，高温塑性也不好。主要用来制造高耐磨性、冲击负荷较小的冷作模具的工作零件。 Crl2MoV钢由于添加了Mo和V，具有更高的淬透性和韧性，所以它适合制造断面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各种

14、模具和工具。,Crl2Mo1V1钢的特性和应用 由表10-5可见：Crl2Mo1V1钢的成分Mo、V的含量有所增加，进一步细化了晶粒，改善了碳化物不均匀性，提高了淬透性。又加入少量Co,改善钢的组织，其强韧性、耐磨性有所提高。它可用来制作各种高精度、长寿命的冷作模具零件。 2、高碳高铬冷作模具钢的热处理 高碳高铬冷作模具钢锻造后一般进行等温球化退火，最终热处理淬火+回火，但淬火和回火工艺由模具的工作条件决定。通常是高碳高铬冷作模具钢采用三种类型： 低淬低回：采用低温淬火(9501000)和低温回火(200)，可以获得高的硬度、强度和断裂韧度，但抗压强度较低。,中淬中回：采用中温淬火(1030)

15、与中温回火(400)，可以获得最好的强韧性配合。 高淬高回：采用高温淬火(10801100)与高温回火(500520)，可以获得良好的热硬性，其耐磨性、硬度也较高，但抗压强度和断裂韧度较低。 高强度高耐磨性冷作模具钢与热处理 1、典型钢种特性：传统的高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2)即是此类钢的典型钢种。自70年代开始用于冷作模具，现已成为重载冲头的基本材料。高速钢具有高强度，高抗压性、高耐磨性和高热稳定性的特点。与Crl2MoV相比，韧性、扭转性能和耐磨性稍差。,2、热处理及应用：高强度高耐磨性冷作模具钢的热处理与高碳高铬钢的热处理相类似，冷作模具对热硬性要求不高，主要要求有较高

16、强度和韧性。所以，对于高承载的高速钢冷作模具，采用低温淬火、低温回火方法可以防止崩刃和折断。此钢种主要用于重载冲头。如冷挤压冲头、冷镦冲头，中厚钢板冲孔冲头。 抗冲击的冷作模具钢与热处理 1、抗冲击的冷作模具钢的特性 抗冲击的冷作模具钢成分接近合金调质钢，主要合金元素是Mn、Si、Cr、W、Mo。由于成分相近，此类钢具有一些共同特点，如碳化物少，组织均匀，淬火组织以板条状马氏体为主；具有高抗弯强度，高冲击疲劳抗力、高韧性和良好的耐磨性。但抗压强度低，热稳定性差，淬火变形难以控制等缺陷。,2、典型钢种及热处理铬钨硅系有三个典型牌号，即4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si。 铬钨硅系钢具

17、有较高淬透性，从而保证了较高抗压强度和疲劳强度。4CrW2Si和5CrW2Si钢，因含碳量低，淬硬性低，但渗碳淬火后，表面硬度和热稳定性显著上升，综合力学性能良好。5CrW2Si钢、6CrW2Si钢在300500回火有较轻微的回火脆性。在250和450左右回火，硬度分别可达5456HRC及5052HRC，并可获得较高的冲击韧度。 基体钢和低碳高速钢与热处理 这类钢属于刚强韧性的冷作模具钢，它主要用于制作低合金钢、不锈钢和轴承钢冷挤压模。,1、6W6Mo5Cr4V(6W6)钢的特性及应用与热处理 6W6称降碳高速钢，相对W6Mo5Cr4V2钢，由于碳、钒量的降低，碳化物总量减少，碳化物不均匀性得

18、到改善，不均匀度为12级。淬火硬化状态的抗弯强度和塑性、冲击韧度都有很大提高，但淬火硬度略有下降。为了获得良好的韧性和较高的耐磨性，该钢进行较低温度淬火和较高温度的回火，工艺参数为：11801120淬火，560580回火三次，每次1.5小时。经此处理，硬度为6063HRC，冲击韧度为5060J/cm2。 但6W6钢的缺陷主要是，碳量低，耐磨性稍差，易产生脱碳。6W6钢可以取代高速钢或高碳高铬钢，制作黑色金属冷挤压冲头或冷镦冲头，寿命可提高210倍。,2、基体钢的特性及应用 6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)钢 65Nb钢与W6Mo5Cr4V2钢淬火基体成分相比，碳钨含量稍高，钼含量稍低，并加

19、入少量的铌。这种合金化特点，既保证了该钢具有高速钢的强度、硬度和耐磨性，又具有较高韧性和抗疲劳强度，钢的工艺性能也得到了极大改善。65Nb钢的变形抗力较高铬钢、高速钢低，碳化物均匀性好，因而具有良好的锻造性能。主要用来制作形状复杂的有色金属挤压模、冷冲模、冷剪模等，也可用于轴承、标准件，汽车行业中的锻模、冲模及剪切模，可获得高的使用寿命。,7Cr7Mo2V2Si(LD)钢 LD钢是一种不含钨的基体钢。含碳量和铬、钼、钒的含量都高于高速钢基体，所以钢的淬透性和二次硬化能力有了提高，尤其是矾的二次硬化效应强烈。不仅如此，未溶的VC还能显著细化奥氏体晶粒，增加钢的韧性和耐磨性。钢中含有1%(质量分数

20、)左右的硅，具有强化基体，增强二次硬化效果的作用，同时，还能提高钢的回火稳定性。从而提高钢的综合力学性能。实践表明，LD在保持较高韧性的情况下它的抗压强度和抗弯强度及耐磨性能均比65Nb钢高。LD钢的锻造性能好，碳化物偏析小。因此LD钢广泛应用于制造冷挤压成形、冷镦、冲压和弯曲等冷作模具，其寿命比高铬钢、高速钢提高几倍到几十倍。,高耐磨高强韧性冷作模具钢 高强韧性钢虽然克服了高铬、高速钢的脆断倾向，但由于钢中含碳量的减少，其耐磨性不如高铬钢和高速钢。对一些以磨损为主要失效形式的模具，这些钢种仍满足不了要求。为此研制了高耐磨、高强韧性的冷作模具钢 。典型钢种GM(9Cr6W3Mo2V2)钢和ER

21、5(Cr8MoWV3Si)钢。 1、GM(9Cr6WMo2V2)钢的特性及应用 GM钢的主要性能均优于Crl2MoV钢，并且铬含量减少一半，符合我国的资源特点，是一种应用效果良好的新型冷作模具钢。GM钢的二次硬化能力和回火稳定性显著高于Crl2MoV钢，并具有良好的线切割加工性能。GM钢具有最佳的强韧性和耐磨性配合，同时兼有良好的冷、热加工性和电加工性。因此，在多工位级进模、高强度螺栓滚丝模和电机转子片复式冲模上已经有很多应用。,2、ER5(Cr8MoWV3Si)钢的特性及应用 ER5钢是在美国专利钢种的成分基础上而研制的新型冷作模具钢，与GM钢具有类似的性能特点，而抗磨损性比GM钢要好，ER

22、5钢强韧性优于Crl2MoV钢冷作模具钢，而耐磨性远远超过Crl2MoV钢。 ER5钢淬火加热温度范围宽，二次硬化效果强，热处理变形小。对于耐磨性要求高，又要保证高强韧性的模具，淬火回火后的硬度为6264HRC，ER5钢锻造性能良好，退火后硬度约220240HBS，易于机械加工。ER5钢在冶炼、锻造、热处理、机加工、电加工等方面无特殊要求，生产加工工艺简单可行，材料成本适中，适用于制作大型重载冷镦模，精密冷冲模等。,硬质合金 由于模具生产批量大，此时一般模具材料不能满足要求，只能选用硬质合金。硬质合金的种类很多，但制造模具用的硬质合金通常是金属陶瓷硬质合金和钢结硬质合金。 1、金属陶瓷硬质合金

23、 金属陶瓷硬质合金通常有钨钴类硬质合金和钨钴钛类硬质合金，冷冲模常用的是钨钴类。金属陶瓷硬质合金的共性是：高的硬度，高的抗压强度和高的耐磨性，脆性大，不能进行锻造和热处理。主要用来制作多工位级进模，大直径拉深凹模的镶块。,2、钢结硬质合金 钢结硬质合金是以难熔金属碳化物为硬质相，以合金钢为粘结剂，用粉末冶金方法生产的一种新型的模具材料。它具有金属陶瓷硬质合金的高硬度、高耐磨性，高抗压性，并具有钢的可加工性和热处理性。硬质相主要是碳化钨和碳化钛，我国研发的硬质合金是从以TiC 为硬质相的GT35到以WC为硬质相的TLMW50，再到现在以WC为硬质相DT合金，性能不断获得优化，DT合金不仅保持高硬

24、度，高耐磨性，而且能较大幅度地提高强度和韧性，因而能承受较大负荷的冲击，同时还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、碎裂等，是较理想的工模具材料之一。用DT合金制作模具时，一般都采用组合连接方法。可用来制造冷镦模具、冷挤压模具，冲裁模具、拉深模具等。,课外实践项目 阅读“进口冷作模具钢简介” 和“拓展与提高”，了解进口冷作模具钢的使用情况和改进冷作模具钢性能的“微细化处理”方法。,任务三 冷作模具的选材,学习目标 了解冷作模具的选材的原则。 了解常用冷作模具选材的方法和各种冷作模具常选用的材料。 具有根据冷作模具的使用条件，正确选用冷作模具材料的能力。 实践项目 根据冷作模具选材的原则，分析表1

25、0-20 中冷作模具的选材、热处理与使用寿命的关系。,（先分析表中冷作模具的类型，再根据各种模具选材的原则进行分析讲课，学生先分析，老师进行总结） 相关知识 冷作模具的选材原则 合理的选用模具材料并进行精确的成形加工和适当的热处理，能够有效地提高模具的使用寿命。冷作模具选材时不仅要遵循冷作模具材料必须满足的使用性能和工艺性能和经济性外，而且应从模具结构、工作条件、制品形状及尺寸，加工精度、生产批量等方面加以综合考虑。,一般，对于形状复杂、尺寸精度要求高的模具，应选用低变形材料；承受负荷大的模具，应选用高强度材料；承受强烈摩擦和磨损的磨具，应选用高硬度、耐磨性好的材料；承受冲击负荷大的模具，应选

26、用韧性高的材料。 常用的冷作模具的选材 冲裁模具的选材 1、概念 冷冲裁模具主要用于各种板料的冲切成形。 2、失效形式 主要是磨损。 3、冷冲裁模具的材料选用 主要根据产品的形状和尺寸、被冲材料特性、工作载荷大小、失效形式、生产批量、模具成本等因素来决定。,1、薄板冲裁模选材 薄板（厚度1.5mm）冲模的主要失效形式是磨损，其选材的依据是制品的生产批量、尺寸大小和复杂程度。对于小批量（106件），尺寸较大、形状复杂的模具，选用高合金冷作模具钢，即高耐磨性（Cr12型）或高强度高耐磨性(高速钢)的冷作模具钢。对于特大批量的薄板冲模，可选用硬质合金或钢结硬质合金材料或高强度强韧性的冷作模具钢。 2、厚板冲裁模选材,厚板冲裁模的承受的载荷大，刃口易磨损、崩刃和折断，因此主要考虑材料的强韧性和高耐磨性。小批量生产，选用碳素工具钢、低合金冷作模具钢和抗冲击冷作模具钢。大批量生产，选用高碳高铬钢和高速钢或新型模具钢（基体钢等）。 表10-15为冷冲裁模常用材料参考表 。 冷镦锻模的选材 1、概念 冷镦时，金属毛坯在室温下受到冲击压力而发生塑性变形，并在模具中使坯料体积重新分布与转移，从而得到所需要的形状。 2、冷镦模的主要失效形式 擦伤、崩落、脆性开裂等 。,3、冷镦模的材料选用 根据冷镦模的工作条件及硬化层不能过浅也不能整个截面淬硬的特点，对这类模具材料的选择，应按