常用模具材料及熱處理

1、第二章 常用模具材料及熱處理,§1 常用模具材料 §2 模具熱處理§3 模具表面強(qiáng)化處理,,§1常用模具材料,模具材料主要是滿足特定要求的鋼材。也有一些其它類型的材料。鋼：炭鋼（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼）合金鋼（合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、不銹鋼）,,,牌號,普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用其屈服強(qiáng)度表示，即“Q×××”。如Q235（相當(dāng)于舊牌號A3）

2、。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用其平均含碳量的萬分率表示，如20鋼、45鋼、40鋼等。碳素工具鋼的牌號用其平均含碳量的千分率表示，如T8、T10(A)。,,,合金鋼的編號原則,“數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字”。最前面的數(shù)字表示平均含碳量：結(jié)構(gòu)鋼用萬分率，兩位數(shù)字；工具鋼用千分率，一位數(shù)字。含碳量很高時不表示。合金元素符號后的數(shù)字表示平均百分含量，小于1.5％時可不標(biāo)出。合金元素含量1.5％-2.5％標(biāo)為“2”，>2.5％-3.5％標(biāo)“3

3、”，以此類推。,,,一.常用模具材料,可用于制造模具的材料種類繁多，包括各種碳素工具鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料等。①.碳素合金工具鋼含碳量：0.7％-1.4％主要牌號：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。特點：價格便宜、切削性能好。淬火后有較高硬度和耐磨性，淬透性低，淬火時必須急冷，變形開裂傾向大、回火穩(wěn)定性差，紅硬性低（<250°C）適用范圍：尺寸小、形狀簡單、負(fù)荷

4、小、冷作模具。,,,②合金工具鋼,⑴低合金工具鋼：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMO含合金量：總量為1％-3％特點：淬透性和淬硬性均較好。耐磨性，紅硬性較高?；鼗鸱€(wěn)定性好，熱處理變形小。·CrWMn鋼：（各種中小型冷作模具）鎢形成的碳化物硬度很高，鎢能細(xì)化晶粒，提高韌性。淬火后殘留奧氏體較多，故變形小。,,,·9Mn2V鋼：（沖裁模、彎曲模）,釩（V）的加入能顯著

5、細(xì)化晶粒和提高韌性。錳的含量一般控制在<2％。·9SiCr鋼：（搓絲板、滾絲模）250°C回火時有回火脆性。較高的淬硬性和較好的回火穩(wěn)定性。淬透性優(yōu)于9Mn2V。,,,·GCr15鋼：,常用的軸承鋼，具有較高的淬透性和耐磨性。鉻的加入有利于提高淬透性、細(xì)化碳化物并使其分布均勻。5CrMnMO 鋼：（彎曲熱態(tài)模、切邊模）5CrNiMo中碳低合金鋼，典型熱作

6、模具鋼。強(qiáng)度高，韌性好。淬透性好，抗回火性好，導(dǎo)熱性和耐熱疲勞性好，耐磨性好。,,,,⑵高合金工具鋼：,·Cr12型鋼：包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金鋼、工具鋼、萊氏體鋼淬透性高、淬火硬度極高、熱變形小。Cr12鋼的含碳量較Cr12MoV高，碳化物多但分布不均勻性嚴(yán)重。Cr12鋼的強(qiáng)度和韌性比Cr12MoV低。,,,D2鋼是近年用來替代Cr12MoV鋼的新鋼種。D2鋼的碳化物數(shù)量增多顆粒較細(xì)。,,,

7、3;3Cr2W8V鋼和H13鋼（4Cr5MoV1Si）、H11鋼（4Cr5MoVSi）鎢系低碳高合金鋼。,H13鋼除強(qiáng)度略低于3Cr2W8V鋼外，其它力學(xué)性能均優(yōu)于3Cr2W8V鋼，是其替代鋼種。較好的氮化性能。較小的熱膨脹系數(shù)，較好的耐磨性和紅硬性，良好的導(dǎo)熱性。熱處理變形小、但高溫韌性差。,,,·3Cr3MoW2V鋼：代號HM1適合于急冷急熱條件下工作。,·5Cr4W5Mo2V鋼：代號RM2·4

8、Cr3Mo3W4VNb鋼：代號GR高溫性能良好，熱作模具鋼。,,,·8Cr2MnWMoVS鋼：,適用于精密塑料模。空冷微變形，易切削。調(diào)質(zhì)狀態(tài)硬度HRC40-50。調(diào)質(zhì)后切削即可直接適用，不存在熱處理變形。·7CrSiMnMoV鋼：高強(qiáng)度和韌性好，焊接性能好。適合于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的模具零件。,,,⑶高速鋼,鎢系高速鋼（W18Cr4V） 鉬系高速鋼（W6Mo5Cr4V2鋼）在高溫（600°C）下仍

9、保持高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和好的韌性。鋼中含碳量為0.7-0.9％，合金元素含量超過15％，屬萊氏體鋼。 高淬透性，空冷即可淬硬。,,,高速鋼含有大量粗大碳化物，且分布不均勻，不能用熱處理方法消除之。必須反復(fù)十字鐓拔以打碎粗大碳化物，并使其分布均勻。,需經(jīng)多次回火，從而使大量殘余奧氏體大部分轉(zhuǎn)為馬氏體，并使馬氏體析出彌散碳化物。（300°C左右為回火脆性區(qū)）,,,⑷硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金,①  硬質(zhì)合金以難熔

10、的金屬碳化物（WC、TiC等）作硬質(zhì)相，以鐵族金屬（Co或Ni）為粘結(jié)相，用粉末冶金方法生產(chǎn)的一種多相組合材料。鎢鈷（YG）：強(qiáng)度、韌性較高，多用于制造模具。鎢鈷鈦（YT）：較高的紅硬性和抗氧性。萬能硬質(zhì)合金（YW）：高強(qiáng)度、高硬度。（成分、性能可見P244表4-2）,,,②鋼結(jié)硬質(zhì)合金,以合金鋼為基本，金屬碳化物（TiCiWC）作硬質(zhì)相，用粉末冶金方法生產(chǎn)的一種新型模具材料。它是在具有一定強(qiáng)度和硬度的合金鋼基體上，彌散分布許多

11、細(xì)小硬質(zhì)顆粒。特點：ⅰ.具有鋼的可鍛性、可機(jī)加工性、可熱處理等性能，熱處理變形極小。ⅱ.淬火后具有硬質(zhì)合金的硬度和剛性。,,,兩大類 :,ⅰ.碳化鈦（TiC）作硬質(zhì)相；ⅱ.碳化鎢（WC）作硬質(zhì)相。許多性能因基體（粘結(jié)劑）種類不同而不同可作硬質(zhì)合金基體的有鉻鉬鋼、不銹鋼、高速鋼等。（性能和一般化學(xué)成分見P245表A-3和表A-4）,,,二.模具鋼材的選用,模具鋼材的選用及其鍛造或熱處理是模具制造技術(shù)中的關(guān)鍵之一。對提高模具質(zhì)

12、量和延長模具壽命有很大的影響。選用模具材料時，需要綜合考慮模具的工作條件、性能要求、形狀和尺寸、結(jié)構(gòu)特點等。對模具材料的性能要求有時會遇到矛盾，則需適當(dāng)取舍、協(xié)調(diào)平衡解決。,,,1.模具材料的一般要求,包括力學(xué)性能、高溫性能、表面性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性等。力學(xué)性能：硬度、強(qiáng)度、韌性高溫性能：高溫強(qiáng)度、抗氧化性、耐熱疲勞性、回火穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)小表面性能：耐磨性、耐蝕性 工藝性能：切削加工性、電加工性、拋光性、可鍛性、淬透性

13、、熱處理性能、可焊性經(jīng)濟(jì)性：資源條件、市場供應(yīng)情況、價格,,,,各種模具工作條件不同，對材料性能要求也就各有差異。如：,冷沖壓模：高強(qiáng)度、高硬度。冷擠壓模：高強(qiáng)度（抗壓、斷裂、疲勞強(qiáng)度）、高韌性、高硬度。熱鍛模：高溫強(qiáng)度、硬度、耐蝕性、高溫回火穩(wěn)定性、抗高溫氧化性、耐熱疲勞性、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱性高。,,,塑料模：較高的強(qiáng)度和硬度、較高的耐蝕性、良好的電加工性、良好的拋光性、較高的導(dǎo)熱性、可焊性、切削加工性。,橡膠模：耐蝕性、耐熱

14、性、可拋光性、一定強(qiáng)度和硬度。陶瓷模：高硬度、耐熱性、可拋光性、一定強(qiáng)度和韌性。玻璃模：耐熱性、耐蝕性、耐磨性、導(dǎo)熱性、一定強(qiáng)度和韌性。,,,表A-6 常用模具鋼的性能特點及用途,,,表A-6 常用模具鋼的性能特點及用途（續(xù)）,,,表A-6 常用模具鋼的性能特點及用途（續(xù)）,,,2.模具材料的一般選用原則,模具材料，主要是成型零件和工藝零件的選材，一般在某些方面的性能，要求較高甚至很高。這方面的選材對模具質(zhì)量、壽命、加工制造及成本都

15、有很大的影響。,,,一般原則：,①滿足使用性能要求。主要從工作條件、模具結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形狀和尺寸、生產(chǎn)批量等綜合考慮。形狀復(fù)雜、精度高――變形小、導(dǎo)熱性好、膨脹系數(shù)小 大負(fù)荷――高強(qiáng)度摩擦、磨損――高硬度 沖擊負(fù)荷――高韌性 表面光潔――可拋光性,,,②良好的制造工藝性能。容易制造、容易精修、便于修改。,一般都要求有良好的切削加工性、熱處理特性。尺寸性、形狀復(fù)雜的――較小的淬火變形傾向含有細(xì)小結(jié)構(gòu)的――電加工性

16、精度高的――熱處理變形小、易磨削制品生產(chǎn)工藝條件復(fù)雜的――易磨削、可焊接。,,,③經(jīng)濟(jì)性（制造成本）：,盡量考慮到價格便宜、資源豐富、供應(yīng)方便。,,,4.塑料模的材料選用,在我國，塑料模具用鋼至今還未形成專用鋼材系列，通常采用一般工具鋼。如T10A、CrWMn、Cr12MoV鋼等。這些鋼切削加工性較差，難以制造型腔復(fù)雜的塑料模具，而且一旦熱處理變形超差則難以修復(fù)。為了適應(yīng)塑料模日益發(fā)展的需要。常參考國外塑料模具用鋼并結(jié)合我國的具體條

17、件進(jìn)行選用。,,,塑料模的鋼材選用原則是,①  足夠的強(qiáng)度和硬度；②  良好的切削加工性；③  良好的拋光性；④  良好的電加工性；⑤  良好的耐腐蝕性；⑥  良好的淬透性；⑦  良好的照相腐蝕加工性；⑧  良好的焊接性能；⑨  熱處理變形小、熱膨脹系數(shù)??；⑩ 表面熱處理性能好。,,,如：,形狀簡單――選用45、40Cr、T10A

18、、低熔點合金、鋅基合金。形狀復(fù)雜――選用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）鋅基合金、鈹銅合金等。精度高、壽命長、表面粗糙度很低――可選用進(jìn)口鋼材：＜美＞P6、P20、PPT；＜日＞HPM1、YAG；＜瑞＞S136(H),,,§2 模具熱處理,熱處理的目的：有目的地改變鋼材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)械性能、力學(xué)性能、加工性能等達(dá)到特定的要求。熱處理三階段：①  加熱：以一定加熱

19、速度使工件達(dá)到特定溫度；②  保溫：使工件內(nèi)外溫度均勻；③冷卻：工件置于適當(dāng)?shù)睦鋮s劑中，以一定冷卻速度降到特定溫度。,,,常用工藝方法：｛退火、正火、淬火、回火｝,①  退火：將工件加熱到臨界點以上某一溫度然后保溫一段時間，再隨爐極緩慢冷卻；作用：可以得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，清除鍛造應(yīng)力和加工硬化，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備（組織均勻）。退火＝｛完全退火（再結(jié)晶退火）、球化退火、擴(kuò)散退火、消應(yīng)力退火、低溫退火｝,,,②

20、正火：,加熱至Ac3或Accm以上30-50°C,然后在空氣中冷卻。作用：可消除冷作、鍛造或急冷時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。對含C低于0.45％的碳鋼，可用正火代替退火。,,,退火、正火工序的溫度區(qū)域：,,,③淬火：,加熱至淬火溫度以上某一溫度后保溫一段時間，然后將工件置入冷卻介質(zhì)（水、油、鹽液）中，以極快的速度進(jìn)行冷卻而獲得馬氏體組織。·冷卻速度大于臨界速度。 淬火易出現(xiàn)：·產(chǎn)生組織應(yīng)力和熱應(yīng)力&

21、#183;淬裂或變形·體積增大且在各方向上不均勻淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力學(xué)性能。,,,④回火：,加熱至A1以下某一溫度保溫一段時間，然后進(jìn)行冷卻。作用：消淬火應(yīng)力，改變淬火組織，適當(dāng)改善強(qiáng)度和韌性。｛滲碳體（Fe3C）、碳溶解于α鐵中形成固溶體叫奧氏體（用A表示）、碳溶解于α鐵中形成鐵素體｝,,,§3模具表面強(qiáng)化處理,物理表面處理法：高頻淬火、火焰淬火、激光熱處理、加工硬化化學(xué)表面處理法：滲碳

22、、滲氮、低溫氮碳共滲、滲硫、滲金屬、碳化物鹽浴涂覆覆層表面處理法：電鍍、化學(xué)氣相沉積、真空鍍膜、離子噴鍍、噴鍍、熱噴涂、表面合金化改變表層的成分、組織、性能，與適宜的心部性能相配合，提高硬度、耐蝕、耐熱、抗咬合、低摩擦系數(shù)等特殊性能。,,,二.模具表面強(qiáng)化處理工藝特點及應(yīng)用,（一）模具滲氮1.滲氮處理的特點模具滲氮后的性能特點①表面硬度高②具有較高的紅硬性③顯著提高疲勞強(qiáng)度④提高模具耐蝕性⑤滲氮處理溫度低，模具氮化后

23、變形極小⑥降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力,,,2.模具的滲氮方法有氣體滲氮、氣體低溫氮碳共滲和離子滲氮.,⑴氣體滲氮①基本原理 氣體滲氮與滲碳相似，由3個基本過程組成：活性原子的產(chǎn)生，零件表面對活性原子的吸收，活性原子自模具表面向內(nèi)部擴(kuò)散。②工藝參數(shù) 滲氮的主要工藝參數(shù)是滲氮溫度、滲氮時間和氨分解率。,,,⑵氣體低溫氮碳共滲,①常用方法：a.尿素氣體低溫氮碳共滲b.有機(jī)液體滴注式氣體低溫氮碳共滲c.氨加熱式氣

24、體低溫氮碳共滲②氣體低溫氮碳共滲工藝在氮碳共滲前應(yīng)對模具進(jìn)行脫脂、除銹、清洗、防滲表面的保護(hù)等預(yù)處理工作。⑶離子滲氮,,,（二）模具滲硼、滲鉻,1.滲硼滲硼方法有固體滲硼、氣體滲硼、鹽浴滲硼。國內(nèi)應(yīng)用較多的是鹽浴滲硼和固體滲硼。滲硼前后的熱處理：模具滲硼前應(yīng)進(jìn)行精加工和消除應(yīng)力處理，以避免滲層不均和滲后變形，并要對模具表面進(jìn)行清洗。對于模具心部要求不高的，滲硼后空冷即可，對要求內(nèi)部有足夠強(qiáng)度的，滲硼后要進(jìn)行淬火，回火處理

25、。,,,2.滲鉻,滲鉻的方法很多，分為固體、液體和氣體滲鉻，常用的有粉末滲鉻和真空密封滲鉻。模具滲鉻的應(yīng)用： 滲鉻對在熱態(tài)工作或承受強(qiáng)烈磨損的模具有顯著效果，適用于錘鍛模、壓鍛模、塑料模、拉深模等冷熱作模具。,,,（三）鹽浴涂覆,（四）模具表面覆層處理1.氣相沉積碳化鈦根據(jù)化學(xué)沉積原理進(jìn)行表面覆層的方法，稱為化學(xué)氣相沉積法，簡稱CVD。該工藝適用于各種拉深模、冷擠模、沖裁模的沖頭和凹模，以及粉末冶金模和陶瓷模等。Cr12

26、鋼制拉深模經(jīng)氣相沉積TiC后，使用壽命可提高8-30倍。,,,（五）復(fù)合熱處理,該法是將傳統(tǒng)的熱處理方法加以合理組合，發(fā)揮各自特點，以獲得優(yōu)于單一熱處理效果的一種極有發(fā)展前途的工藝方法。,,,一般組合的原則：,①先行處理的一般是先給予工件一定性能，或為一定性能打下基礎(chǔ)；后繼處理的則常對先行處理效果給以補(bǔ)充和提高，或者是給予新的性能。②后繼處理的溫度不應(yīng)使先行處理所得到的組織與性能發(fā)生變化，至少不改變心部組織及性能。③后繼處理不應(yīng)引起

27、過量變形和開裂，不應(yīng)使?jié)B層表面質(zhì)量降低。,,,三.模具表面強(qiáng)化處理工藝,1.模具表面強(qiáng)化處理工藝的選擇模具性能要求是選用表面強(qiáng)化處理工藝的主要考慮因素，在滿足性能要求的條件下，一般應(yīng)盡可能選用處理溫度較低的工藝，因為這樣可以減少氧化脫碳、變形和能耗。,,,2.模具表面強(qiáng)化處理后加工,模具表面強(qiáng)化處理后，一般不再需要進(jìn)行加工，但某些零件的某些部位還需進(jìn)行精細(xì)加工（如精磨、研磨等），以便達(dá)到最終尺寸和表面粗糙度要求。為了避免后加工困難