常用模具材料及热处理课件

第二章常用模具材料及热处理1常用模具材料2 模具热处理3 模具表面强化处理1第二章常用模具材料及热处理11常用模具材料模具材料主要是满足特定要求的钢材。也有一些其它类型的材料。钢：炭钢（普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢）合金钢（合金结构钢、合金工具钢、不锈钢）21常用模具材料模具材料主要是满足特定要求的钢材。也有一些其牌号普通碳素结构钢的牌号用其屈服强度表示，即“Q”。如Q235（相当于旧牌号A3）。优质碳素结构钢的牌号用其平均含碳量的万分率表示，如20钢、45钢、40钢等。碳素工具钢的牌号用其平均含碳量的千分率表示，如T8、T10(A)。3牌号普通碳素结构钢的牌号用其屈服强度表示，即“Q”。如合金钢的编号原则“数字+合金元素符号+数字”。最前面的数字表示平均含碳量：结构钢用万分率，两位数字；工具钢用千分率，一位数字。含碳量很高时不表示。合金元素符号后的数字表示平均百分含量，小于1.5时可不标出。合金元素含量1.5-2.5标为“2”，2.5-3.5标“3”，以此类推。4合金钢的编号原则“数字+合金元素符号+数字”。最前面的数字一.常用模具材料可用于制造模具的材料种类繁多，包括各种碳素工具钢、合金钢、硬质合金、铸铁、有色金属及合金、非金属材料等。.碳素合金工具钢含碳量：0.7-1.4主要牌号：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。特点：价格便宜、切削性能好。淬火后有较高硬度和耐磨性，淬透性低，淬火时必须急冷，变形开裂倾向大、回火稳定性差，红硬性低（250C）适用范围：尺寸小、形状简单、负荷小、冷作模具。5一.常用模具材料可用于制造模具的材料种类繁多，包括各种碳素合金工具钢低 合 金 工 具 钢：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMO含合金量：总量为1-3特点：淬透性和淬硬性均较好。耐磨性，红硬性较高。回火稳定性好，热处理变形小。CrWMn钢：（各种中小型冷作模具）钨形成的碳化物硬度很高，钨能细化晶粒，提高韧性。淬火后残留奥氏体较多，故变形小。6合金工具钢低合金工具钢：CrWMn、9Mn2V、5Cr9Mn2V钢：（冲裁模、弯曲模）钒（V）的加入能显著细化晶粒和提高韧性。锰的含量一般控制在2。9SiCr钢：（搓丝板、滚丝模）250C回火时有回火脆性。较高的淬硬性和较好的回火稳定性。淬透性优于9Mn2V。79Mn2V钢：（冲裁模、弯曲模）钒（V）的加入能显著细化GCr15钢：常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。铬的加入有利于提高淬透性、细化碳化物并使其分布均匀。5CrMnMO 钢：（弯曲热态模、切边模）5CrNiMo中碳低合金钢，典型热作模具钢。强度高，韧性好。淬透性好，抗回火性好，导热性和耐热疲劳性好，耐磨性好。8GCr15钢：常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。8高合金工具钢：Cr12型钢：包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金钢、工具钢、莱氏体钢淬透性高、淬火硬度极高、热变形小。Cr12钢的含碳量较Cr12MoV高，碳化物多但分布不均匀性严重。Cr12钢的强度和韧性比Cr12MoV低。9高合金工具钢：Cr12型钢：9D2钢是近年用来替代Cr12MoV钢的新钢种。D2钢的碳化物数量增多颗粒较细。CCrWV3Cr2W8V0.3-0.42.2-2.77.5-90.2-0.5H130.38C1.0Si5.3Cr1.3Mo0.910D2钢是近年用来替代Cr12MoV钢的新钢种。D2钢的碳化3Cr2W8V钢和H13钢（4Cr5MoV1Si）、H11钢（4Cr5MoVSi）钨系低碳高合金钢。H13钢除强度略低于3Cr2W8V钢外，其它力学性能均优于3Cr2W8V钢，是其替代钢种。较好的氮化性能。较小的热膨胀系数，较好的耐磨性和红硬性，良好的导热性。热处理变形小、但高温韧性差。113Cr2W8V钢和H13钢（4Cr5MoV1Si）、H113Cr3MoW2V钢：代号HM1适合于急冷急热条件下工作。5Cr4W5Mo2V钢：代号RM24Cr3Mo3W4VNb钢：代号GR高温性能良好，热作模具钢。123Cr3MoW2V钢：代号HM1适合于急冷急热条件下工作8Cr2MnWMoVS钢：适用于精密塑料模。空冷微变形，易切削。调质状态硬度HRC40-50。调质后切削即可直接适用，不存在热处理变形。7CrSiMnMoV钢：高强度和韧性好，焊接性能好。适合于制造结构形状复杂的模具零件。138Cr2MnWMoVS钢：适用于精密塑料模。空冷微变形，高速钢钨 系 高 速 钢（W18Cr4V）钼 系 高 速 钢（W6Mo5Cr4V2钢）在高温（600C）下仍保持高强度、高硬度、高耐磨性和好的韧性。钢中含碳量为0.7-0.9，合金元素含量超过15，属莱氏体钢。高淬透性，空冷即可淬硬。14高速钢钨系高速钢（W18Cr4V）钼系高速钢（W6Mo高速钢含有大量粗大碳化物，且分布不均匀，不能用热处理方法消除之。必须反复十字镦拔以打碎粗大碳化物，并使其分布均匀。需经多次回火，从而使大量残余奥氏体大部分转为马氏体，并使马氏体析出弥散碳化物。（300C左右为回火脆性区）15高速钢含有大量粗大碳化物，且分布不均匀，不能用热处理方法消除硬质合金和钢结硬质合金 硬质合金以难熔的金属碳化物（WC、TiC等）作硬质相，以铁族金属（Co或Ni）为粘结相，用粉末冶金方法生产的一种多相组合材料。钨钴（YG）：强度、韧性较高，多用于制造模具。钨钴钛（YT）：较高的红硬性和抗氧性。万能硬质合金（YW）：高强度、高硬度。（成分、性能可见P244表4-2）16硬质合金和钢结硬质合金16钢结硬质合金以合金钢为基本，金属碳化物（TiCiWC）作硬质相，用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料。它是在具有一定强度和硬度的合金钢基体上，弥散分布许多细小硬质颗粒。特点：.具有钢的可锻性、可机加工性、可热处理等性能，热处理变形极小。.淬火后具有硬质合金的硬度和刚性。17钢结硬质合金以合金钢为基本，金属碳化物（TiCiWC）作两大类:.碳化钛（TiC）作硬质相；.碳化钨（WC）作硬质相。许多性能因基体（粘结剂）种类不同而不同可作硬质合金基体的有铬钼钢、不锈钢、高速钢等。（性能和一般化学成分见P245表A-3和表A-4）18两大类:.碳化钛（TiC）作硬质相；18二.模具钢材的选用模具钢材的选用及其锻造或热处理是模具制造技术中的关键之一。对提高模具质量和延长模具寿命有很大的影响。选用模具材料时，需要综合考虑模具的工作条件、性能要求、形状和尺寸、结构特点等。对模具材料的性能要求有时会遇到矛盾，则需适当取舍、协调平衡解决。19二.模具钢材的选用模具钢材的选用及其锻造或热处理是模具制造1.模具材料的一般要求包括力学性能、高温性能、表面性能、工艺性能、经济性等。力学性能：硬度、强度、韧性高温性能：高温强度、抗氧化性、耐热疲劳性、回火稳定性、热膨胀系数小表面性能：耐磨性、耐蚀性工艺性能：切削加工性、电加工性、抛光性、可锻性、淬透性、热处理性能、可焊性经济性：资源条件、市场供应情况、价格201.模具材料的一般要求包括力学性能、高温性能、表面性能、工各种模具工作条件不同，对材料性能要求也就各有差异。如：冷冲压模：高强度、高硬度。冷挤压模：高强度（抗压、断裂、疲劳强度）、高韧性、高硬度。热锻模：高温强度、硬度、耐蚀性、高温回火稳定性、抗高温氧化性、耐热疲劳性、热膨胀系数小、导热性高。21各种模具工作条件不同，对材料性能要求也就各有差异。如：冷冲塑料模：较高的强度和硬度、较高的耐蚀性、良好的电加工性、良好的抛光性、较高的导热性、可焊性、切削加工性。橡胶模：耐蚀性、耐热性、可抛光性、一定强度和硬度。陶瓷模：高硬度、耐热性、可抛光性、一定强度和韧性。玻璃模：耐热性、耐蚀性、耐磨性、导热性、一定强度和韧性。22塑料模：较高的强度和硬度、较高的耐蚀性、良好的电加工性、良好表A-6常用模具钢的性能特点及用途钢材性能特点用途10、20易挤压成形，渗碳及淬火后耐磨性稍高、热处理变形大、淬透性低工作载荷不大、形状简单的冷挤模、陶瓷模45耐磨性差、韧性差、热处理过热倾向小、淬透性低、耐高温性能差工作载荷不大，形状简单的型腔模、冲孔模、橡胶模及锌合金压铸模等T10A、T12A耐磨性差、热处理变形大，淬透性低工作载荷不大、形状简单的冷冲模、成形模T7A、T8A耐磨性稍好、热处理变形大、淬透性低工作载荷不大、形状简单的冷冲模、成形模23表A-6常用模具钢的性能特点及用途钢材性能特点用途10、2表A-6常用模具钢的性能特点及用途（续）40Cr耐磨性差、韧性高、热处理变形稍小、淬透性稍高、耐高温性能差用于锌合金压铸模9Mn2V、GCr15耐磨性较好、热处理变形小、淬透性稍高工作载荷稍大、形状简单的冷冲模、胶木模CrWMn耐磨性好、热处理变形小淬透性较高工作载荷较大、形状较复杂的冷场模、成形模9CrSi耐磨性好、热处理变形小淬透性较高用于冲头、滚丝模60Si2A韧性好、热处理变形较小、淬透性高用于标准件上的冷镦模24表A-6常用模具钢的性能特点及用途（续）40Cr耐磨性差、表A-6常用模具钢的性能特点及用途（续）Cr12耐磨性好、韧性差、热处理变形小、淬透性高、碳化物偏析严重工作载荷大、形状复杂的高精度冷冲模Cr12MoV耐磨性好、热处理变形小、淬透性高、碳化物偏析比Cr12小工作载荷大、形状复杂的高精度冷冲模、冷挤模以及冷镦模5CrMnMo、5CrNiMo韧性较高、热处理变形较小、淬透性较好、回火稳定性较高热态下工作的热锻模、热切边模3Cr2W8V红硬性高、热处理变形小、淬透性好热态下工作的热挤模、热冲模、压铸模W18Cr4V、W6MoCr4V红硬性高、热处理变形小、淬透性好工作载荷大的冲头、冷挤模及热态下工作的热冲模25表A-6常用模具钢的性能特点及用途（续）Cr12耐磨性好、2.模具材料的一般选用原则模具材料，主要是成型零件和工艺零件的选材，一般在某些方面的性能，要求较高甚至很高。这方面的选材对模具质量、寿命、加工制造及成本都有很大的影响。262.模具材料的一般选用原则模具材料，主要是成型零件和工艺零一般原则：满足使用性能要求。主要从工作条件、模具结构、产品形状和尺寸、生产批量等综合考虑。形状复杂、精度高变形小、导热性好、膨胀系数小 大负荷高强度摩擦、磨损高硬度 冲击负荷高韧性 表面光洁可抛光性27一般原则：满足使用性能要求。主要从工作条件、模具结构、产良好的制造工艺性能。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、热处理特性。尺寸性、形状复杂的较小的淬火变形倾向含有细小结构的电加工性精度高的热处理变形小、易磨削制品生产工艺条件复杂的易磨削、可焊接。28良好的制造工艺性能。容易制造、容易精修、便于修改。一般都经济性（制造成本）：尽量考虑到价格便宜、资源丰富、供应方便。29经济性（制造成本）：尽量考虑到价格便宜、资源丰富、供4.塑料模的材料选用在我国，塑料模具用钢至今还未形成专用钢材系列，通常采用一般工具钢。如T10A、CrWMn、Cr12MoV钢等。这些钢切削加工性较差，难以制造型腔复杂的塑料模具，而且一旦热处理变形超差则难以修复。为了适应塑料模日益发展的需要。常参考国外塑料模具用钢并结合我国的具体条件进行选用。304.塑料模的材料选用在我国，塑料模具用钢至今还未形成专用钢塑料模的钢材选用原则是足够的强度和硬度；良好的切削加工性；良好的抛光性；良好的电加工性；良好的耐腐蚀性；良好的淬透性；良好的照相腐蚀加工性；良好的焊接性能；热处理变形小、热膨胀系数小；表面热处理性能好。31塑料模的钢材选用原则是足够的强度和硬度；31如：形状简单选用45、40Cr、T10A、低熔点合金、锌基合金。形状复杂选用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）锌基合金、铍铜合金等。精度高、寿命长、表面粗糙度很低可选用进口钢材：美P6、P20、PPT；日HPM1、YAG；瑞S136(H)32如：形状简单选用45、40Cr、T10A、低熔点合金、2 模具热处理热处理的目的：有目的地改变钢材的内部组织结构，从而使机械性能、力学性能、加工性能等达到特定的要求。热处理三阶段：加热：以一定加热速度使工件达到特定温度；保温：使工件内外温度均匀；冷却：工件置于适当的冷却剂中，以一定冷却速度降到特定温度。332模具热处理热处理的目的：有目的地改变钢材的内部组织结常用工艺方法：退火、正火、淬火、回火 退火：将工件加热到临界点以上某一温度然后保温一段时间，再随炉极缓慢冷却；作用：可以得到稳定的结构，清除锻造应力和加工硬化，为最终热处理做好组织准备（组织均匀）。退火完全退火（再结晶退火）、球化退火、扩散退火、消应力退火、低温退火34常用工艺方法：退火、正火、淬火、回火退火：正火：加热至Ac3或Accm以上30-50C,然后在空气中冷却。作用：可消除冷作、锻造或急冷时产生的内应力。对含C低于0.45的碳钢，可用正火代替退火。35正火：加热至Ac3或Accm以上30-50C,然后在空退火、正火工序的温度区域：36退火、正火工序的温度区域：36淬火：加热至淬火温度以上某一温度后保温一段时间，然后将工件置入冷却介质（水、油、盐液）中，以极快的速度进行冷却而获得马氏体组织。冷却速度大于临界速度。淬火易出现：产生组织应力和热应力淬裂或变形体积增大且在各方向上不均匀淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力学性能。37淬火：加热至淬火温度以上某一温度后保温一段时间，然回火：加热至A1以下某一温度保温一段时间，然后进行冷却。作用：消淬火应力，改变淬火组织，适当改善强度和韧性。渗碳体（Fe3C）、碳溶解于铁中形成固溶体叫奥氏体（用A表示）、碳溶解于铁中形成铁素体38回火：加热至A1以下某一温度保温一段时间，然后进行冷却。3模具表面强化处理物理表面处理法：高频淬火、火焰淬火、激光热处理、加工硬化化学表面处理法：渗碳、渗氮、低温氮碳共渗、渗硫、渗金属、碳化物盐浴涂覆覆层表面处理法：电镀、化学气相沉积、真空镀膜、离子喷镀、喷镀、热喷涂、表面合金化改变表层的成分、组织、性能，与适宜的心部性能相配合，提高硬度、耐蚀、耐热、抗咬合、低摩擦系数等特殊性能。393模具表面强化处理物理表面处理法：高频淬火、火焰淬火、激二.模具表面强化处理工艺特点及应用（一）模具渗氮1.渗氮处理的特点模具渗氮后的性能特点表面硬度高具有较高的红硬性显著提高疲劳强度提高模具耐蚀性渗氮处理温度低，模具氮化后变形极小降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力40二.模具表面强化处理工艺特点及应用（一）模具渗氮402.模具的渗氮方法有气体渗氮、气体低温氮碳共渗和离子渗氮.气体渗氮基本原理 气体渗氮与渗碳相似，由3个基本过程组成：活性原子的产生，零件表面对活性原子的吸收，活性原子自模具表面向内部扩散。工艺参数 渗氮的主要工艺参数是渗氮温度、渗氮时间和氨分解率。412.模具的渗氮方法有气体渗氮、气体低温氮碳共渗和离子渗氮.气体低温氮碳共渗常用方法：a.尿素气体低温氮碳共渗b.有机液体滴注式气体低温氮碳共渗c.氨加热式气体低温氮碳共渗气体低温氮碳共渗工艺在氮碳共渗前应对模具进行脱脂、除锈、清洗、防渗表面的保护等预处理工作。离子渗氮42气体低温氮碳共渗常用方法：42（二）模具渗硼、渗铬1.渗硼渗硼方法有固体渗硼、气体渗硼、盐浴渗硼。国内应用较多的是盐浴渗硼和固体渗硼。渗硼前后的热处理：模具渗硼前应进行精加工和消除应力处理，以避免渗层不均和渗后变形，并要对模具表面进行清洗。对于模具心部要求不高的，渗硼后空冷即可，对要求内部有足够强度的，渗硼后要进行淬火，回火处理。43（二）模具渗硼、渗铬1.渗硼432.渗铬渗铬的方法很多，分为固体、液体和气体渗铬，常用的有粉末渗铬和真空密封渗铬。模具渗铬的应用：渗铬对在热态工作或承受强烈磨损的模具有显著效果，适用于锤锻模、压锻模、塑料模、拉深模等冷热作模具。442.渗铬渗铬的方法很多，分为固体、液体和气体渗铬，常用的有 （三）盐浴涂覆（四）模具表面覆层处理1.气相沉积碳化钛根据化学沉积原理进行表面覆层的方法，称为化学气相沉积法，简称CVD。该工艺适用于各种拉深模、冷挤模、冲裁模的冲头和凹模，以及粉末冶金模和陶瓷模等。Cr12钢制拉深模经气相沉积TiC后，使用寿命可提高8-30倍。45（三）盐浴涂覆（四）模具表面覆层处理45（五）复合热处理该法是将传统的热处理方法加以合理组合，发挥各自特点，以获得优于单一热处理效果的一种极有发展前途的工艺方法。46（五）复合热处理该法是将传统的热处理方法加以合理组合，发挥各一般组合的原则：先行处理的一般是先给予工件一定性能，或为一定性能打下基础；后继处理的则常对先行处理效果给以补充和提高，或者是给予新的性能。后继处理的温度不应使先行处理所得到的组织与性能发生变化，至少不改变心部组织及性能。后继处理不应引起过量变形和开裂，不应使渗层表面质量降低。47一般组合的原则：先行处理的一般是先给予工件一定性能，或为三.模具表面强化处理工艺1.模具表面强化处理工艺的选择模具性能要求是选用表面强化处理工艺的主要考虑因素，在满足性能要求的条件下，一般应尽可能选用处理温度较低的工艺，因为这样可以减少氧化脱碳、变形和能耗。48三.模具表面强化处理工艺1.模具表面强化处理工艺的选择482.模具表面强化处理后加工模具表面强化处理后，一般不再需要进行加工，但某些零件的某些部位还需进行精细加工（如精磨、研磨等），以便达到最终尺寸和表面粗糙度要求。为了避免后加工困难，应合理安排模具制造工艺，可将模具先加工到最终尺寸（即不留磨削余量），表面强化处理时采取防氧化脱碳措施，处理后不再加工。492.模具表面强化处理后加工模具表面强化处理后，一般不再需要