模具制造技术 第二章 常用模具材料及热处理.ppt

第二章常用模具材料及热处理v1常用模具材料v2 模具热处理v3 模具表面强化处理2021/9/2511常用模具材料v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。v钢：炭钢（普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢）v合金钢（合金结构钢、合金工具钢、不锈钢）2021/9/252牌号v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）。v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。v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)。2021/9/253合金钢的编号原则v“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。v合金元素含量1.5-2.5标为“2”，2.5-3.5标“3”，以此类推。2021/9/254一.常用模具材料v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。v.碳素合金工具钢v含碳量：0.7-1.4v主要牌号：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。v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）v适用范围：尺寸小、形状简单、负荷小、冷作模具。2021/9/255合金工具钢v低 合 金 工 具 钢：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMOv含合金量：总量为1-3v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。vCrWMn钢：（各种中小型冷作模具）v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。2021/9/2569Mn2V钢：（冲裁模、弯曲模）v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。v9SiCr钢：（搓丝板、滚丝模）v250C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。2021/9/257GCr15钢：v常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。v铬的加入有利于提高淬透性、细化碳化物并使其分布均匀。v5CrMnMOv 钢：（弯曲热态模、切边模）v5CrNiMov中碳低合金钢，典型热作模具钢。强度高，韧性好。v淬透性好，抗回火性好，导热性和耐热疲劳性好，耐磨性好。2021/9/258高合金工具钢：vCr12型钢：v包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金钢、工具钢、莱氏体钢v淬透性高、淬火硬度极高、热变形小。vCr12钢的含碳量较Cr12MoV高，碳化物多但分布不均匀性严重。vCr12钢的强度和韧性比Cr12MoV低。2021/9/259D2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。CCrWV3Cr2W8V 0.3-0.42.2-2.77.5-9 0.2-0.5H130.38C1.0Si5.3Cr 1.3Mo 0.92021/9/25103Cr2W8V钢和H13钢（4Cr5MoV1Si）、H11钢（4Cr5MoVSi）钨系低碳高合金钢。vH13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。v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。2021/9/25113Cr3MoW2V钢：代号HM1适合于急冷急热条件下工作。v5Cr4W5Mo2V钢：代号RM2v4Cr3Mo3W4VNb钢：代号GRv高温性能良好，热作模具钢。2021/9/25128Cr2MnWMoVS钢：v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。v7CrSiMnMoV钢：v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。2021/9/2513高速钢v钨 系 高 速 钢（W18Cr4V）钼 系 高 速 钢（W6Mo5Cr4V2钢）v在高温（600C）下仍保持高强度、高硬度、高耐磨性和好的韧性。v钢中含碳量为0.7-0.9，合金元素含量超过15，属莱氏体钢。v高淬透性，空冷即可淬硬。2021/9/2514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。v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）2021/9/2515硬质合金和钢结硬质合金 硬质合金v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。v钨钴（YG）：强度、韧性较高，多用于制造模具。v钨钴钛（YT）：较高的红硬性和抗氧性。v万能硬质合金（YW）：高强度、高硬度。v（成分、性能可见P244表4-2）2021/9/2516钢结硬质合金v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。v特点：v.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。v.淬火后具有硬质合金的硬度和刚性。2021/9/2517两大类:v.碳化钛（TiC）作硬质相；v.碳化钨（WC）作硬质相。v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。v（性能和一般化学成分见P245表A-3和表A-4）2021/9/2518二.模具钢材的选用v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。v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。2021/9/25191.模具材料的一般要求v包括力学性能、高温性能、表面性能、工艺性能、经济性等。v力学性能：硬度、强度、韧性v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v表面性能：耐磨性、耐蚀性v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v经济性：资源条件、市场供应情况、价格2021/9/2520各种模具工作条件不同，对材料性能要求也就各有差异。如：v冷冲压模：高强度、高硬度。v冷挤压模：高强度（抗压、断裂、疲劳强度）、高韧性、高硬度。v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。2021/9/2521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。v橡胶模：耐蚀性、耐热性、可抛光性、一定强度和硬度。v陶瓷模：高硬度、耐热性、可抛光性、一定强度和韧性。v玻璃模：耐热性、耐蚀性、耐磨性、导热性、一定强度和韧性。2021/9/2522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2021/9/2523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2021/9/2524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2021/9/25252.模具材料的一般选用原则v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。2021/9/2526一般原则：v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。v形状复杂、精度高变形小、导热性好、膨胀系数小v 大负荷高强度v摩擦、磨损高硬度v 冲击负荷高韧性v 表面光洁可抛光性2021/9/2527良好的制造工艺性能。容易制造、容易精修、便于修改。v一般都要求有良好的切削加工性、热处理特性。v尺寸性、形状复杂的较小的淬火变形倾向v含有细小结构的电加工性v精度高的热处理变形小、易磨削v制品生产工艺条件复杂的易磨削、可焊接。2021/9/2528经济性（制造成本）：尽量考虑到价格便宜、资源丰富、供应方便。2021/9/25294.塑料模的材料选用v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。v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。2021/9/2530塑料模的钢材选用原则是v足够的强度和硬度；v良好的切削加工性；v良好的抛光性；v良好的电加工性；v良好的耐腐蚀性；v良好的淬透性；v良好的照相腐蚀加工性；v良好的焊接性能；v热处理变形小、热膨胀系数小；v 表面热处理性能好。2021/9/2531如：v形状简单选用45、40Cr、T10A、低熔点合金、锌基合金。v形状复杂选用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）锌基合金、铍铜合金等。v精度高、寿命长、表面粗糙度很低v可选用进口钢材：美P6、P20、PPT；日HPM1、YAG；瑞S136(H)2021/9/25322 模具热处理v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。v热处理三阶段：v加热：以一定加热速度使工件达到特定温度；v保温：使工件内外温度均匀；v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。2021/9/2533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；v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）。v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2021/9/2534正火：v加热至Ac3或Accm以上30-50C,然后在空气中冷却。v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。2021/9/2535退火、正火工序的温度区域：2021/9/2536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。v冷却速度大于临界速度。v淬火易出现：v产生组织应力和热应力v淬裂或变形v体积增大且在各方向上不均匀v淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力学性能。2021/9/2537回火：v加热至A1以下某一温度保温一段时间，然后进行冷却。v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2021/9/25383模具表面强化处理v物理表面处理法：高频淬火、火焰淬火、激光热处理、加工硬化v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v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v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。2021/9/2539二.模具表面强化处理工艺特点及应用v（一）模具渗氮v1.渗氮处理的特点v模具渗氮后的性能特点v表面硬度高v具有较高的红硬性v显著提高疲劳强度v提高模具耐蚀性v渗氮处理温度低，模具氮化后变形极小v降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力2021/9/25402.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.v气体渗氮v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。v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。2021/9/2541气体低温氮碳共渗v常用方法：va.尿素气体低温氮碳共渗vb.有机液体滴注式气体低温氮碳共渗vc.氨加热式气体低温氮碳共渗v气体低温氮碳共渗工艺v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。v离子渗氮2021/9/2542（二）模具渗硼、渗铬v1.渗硼v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。v渗硼前后的热处理：v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。v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。2021/9/25432.渗铬v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。v模具渗铬的应用：v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。2021/9/2544 （三）盐浴涂覆v（四）模具表面覆层处理v1.气相沉积碳化钛v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。v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。2021/9/2545（五）复合热处理v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。2021/9/2546一般组合的原则：v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。v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。v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。2021/9/2547三.模具表面强化处理工艺v1.模具表面强化处理工艺的选择v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。2021/9/25482.模具表面强化处理后加工v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。v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。2021/9/2549