冷作模具钢课件.ppt

第五章 模具材料,模具材料和热处理是影响寿命的主要因素，其比例约占70%,一、模具材料的分类,1、按模具类别分为： 冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、其他模具材料 2、按材料的类别分为： 钢铁材料、非铁金属材料、非金属材料二、一般性能要求,1、工作条件：比较“恶劣” （1）承受高压、冲击、振动、摩擦、弯扭、拉伸等载荷； （2）工作温度有的很高； （3）精度要求较高； （4）磨损、变形、疲劳、断裂时有发生2、性能要求：,1）使用性能要求 （1）硬度和耐磨性 冷作模具：60HRC左右； 热作模具：4250HRC； 塑料模具：4560HRC2）强度和韧性,足够强度（b、s、-1） 承受高压； 具有一定的韧性，承受冲击3）抗热性能,冷作模具： 在强烈摩擦时，局部的温升可达400以上（冷挤压模） 热作模具：模体的温升高； 锤锻模：500600； 挤压模：800850； 压铸模：3001000 热强性（高温强度）和热硬性,高温强度：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度； 长时： 高温强度则需注意蠕变极限和持久强度 蠕变抗力愈大，金属的高温强度愈高 可用加入能提高钢的再结晶温度的合金元素来提高高温强度。

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力 例如、高速钢热硬性好，在500600，硬度60HRC左右 热硬性通常与加入的合金元素产生的二次硬化效果有关 热稳定性,定义：指高温化学腐蚀抗力（特别是指高温氧化抗力） 影响因素：高温时生成氧化物层的性能，如稳定性、致密性、与基体金属结合力及本身强度等 提高途径：一般加入合金元素（Cr、Si、V等）生成致密氧化物膜，以提高抗氧化性 热疲劳抗力,模具忽热忽冷导致内部会产生很大的热应力循环作用，反复进行会发生疲劳现象，出现龟裂 通常希望模具有高的冷热疲劳抗力，以免早期失效 抗粘着性（抗咬合性）,模具在工作中，有时受到强烈摩擦及高温的作用、发生模具材料与加工材料间直接接触，并相互粘结咬合模具材料表面应具有一定的抗粘着性： （a）合理选用模具材料 选与工件互溶性小的材料，可减小亲合力，降低粘结的可能性b）合理选用润滑剂和添加剂 润滑油膜可以防止金属表面直接接触，成倍地提高抗粘着磨损的能力c）采用表面处理 采用多种表面热处理方法，改变摩擦表面的互溶性质和表层金属的组织结构，避免同类金属相互摩擦能降低粘着磨损2）工艺性能要求,（1）热加工工艺性能 根据模具的不同制造工艺，可提出不同的加工性能要求，包括锻轧、铸造、焊接等性能。

影响因素： 模具材料的化学成分、冶金质量、组织状态等因素的影响2）冷加工工艺性能,包括切削、抛光、研磨等性能 要求：高的表面质量、低的表面粗糙度及高的精度，好的抛光性能 如塑料模具要求具有很好的镜面加工性、很低的表面粗糙度值3）热处理工艺性能, 热处理变形小； 淬火温度范围宽： 过热、脱碳敏感性小； 特别是要有足够的淬硬性和淬透性淬硬性保证了模具的硬度和耐磨性冲裁、拉深模具） 淬透性保证了大尺寸模具的强韧性及断面性能的均匀性热锻模）,三、模具选材的一般原则,1、使用性能足够； 2、工艺性能良好； 3、供应上能保证； 4、经济性合理四、模具选材的具体考虑因素,（一）模具的工作条件因素 1载荷的大小、速度 受力大，强度要求高； 冲击大，则韧性要求好2工作温度 模具工作温度不同，对材料的抗热性能要求不同 3腐蚀情况 腐蚀严重时要考虑不锈钢类的材料二）模具的失效因素,失效形式：塑性变形失效、磨损失效及断裂失效 根据失效原因，提出解决问题的主要性能指标，有针对性的进行选材三）模具所加工的产品因素,1、产品批量的大小 批量大：采用材质高、性能好的材料制模具； 批量小：可用使用性能较差、寿命较短、加工简便的材料制模具。

2、产品质量的高低 3、产品的材质 不同原材料，其变形抗力、工作温度不同四）模具的结构因素,1、模具的大小 大型模具材料应好一些，特别是淬透性；热作模具要求有更高抗热性 一般大、中型模具（200mm）的材料费为模具总费用的50%； 小型模具的材料费不超过总成本的5%10%2模具的形状,1）形状简单、公差不严的模具： 可选不易变形的高耐磨性材料，因为其冷加工成本低 2）对形状复杂模具： 应选淬透性好的材料，采用缓冷淬火剂以免变形开裂，同时还应选易加工材料3模具的不同组件、不同部位,模具组成：工作零件与辅助零件，前者直接与加工材料接触，要求材料性能比后者高 凹模、凸模的不同部位要求性能又有很大差别： 1）工作部位 硬度、耐磨性、抗热性等要求更高；,2）非工作部位 可适当降低，但要保证一定强韧性，有时可采用表面强化或组合、镶嵌结构，应区别对待3）辅助零件-紧固件、导向零件等 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，在局部位置要求耐磨（例如导柱、定位套的表面）五）模具的制造工艺因素,1）选择的材料应与加工方法和工艺相适应，同时还应考虑工厂现有的设备及技术水平 2）手工与机制模具的选材应有所区别，手工制模具工时成本高，应尽量选较好的材料。

六）模具的设计因素,1、不同模具采用不同结构材料 1）对大型、复杂模具可应用组合或镶嵌结构； 2）刃部、型面部分或某些经受强烈磨损、冲击或高温的部位可采用贵重的高性能材料： 3）其他的模体部分，性能要求不太高，可采用较低级材料或一般材料2低级材料强化处理,应用低价材料，用表面强化方法在型面或局部进行离子渗入、堆焊、气相沉积及其他涂覆处理以获得高性能的表层五、模具材料的发展趋向,1）由低级材料向高级材料发展： 碳素工具钢 低合金工具钢 高合金工具钢 高合金材料 出现一系列新型模具材料，例如 、马氏体时效钢等合金化程度也日趋提高： 例如、美国15种热作模具钢合金元素全部大于5，而合金元素大于10有12种，用量占802）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 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、补充更新例如、美国在1970年从原来69个钢种，筛选为50个钢种 我国50年代，从31个增至56个（冶标），但1977年筛选后，在新合金工具钢标准中为33个钢号4）从钢材发展到非钢材料，从金属发展到非金属材料领域 非钢材料：铸铁、硬质合金、难熔合金、低熔点合金； 非金属材料：塑料、橡胶、陶瓷等材料。

第二节 冷作模具钢,一、冷作模具分类 冲裁模、拉拔模、冷挤模、冷镦模等 二、冷模具的服役条件 很恶劣：承受较大的冲击载荷；模具与坯料之间发生强烈摩擦各类冷作模具的特点,（一）冲裁模 它是带有刃口； 工作时冲切、分离材料（主要是板材）而获得一定形状、尺寸工件的模具； 包括落料模、冲孔模、切边模等1工作条件 主要承受冲击力、剪切力而模具的刃部可看成特殊的剪刀，承受冲击、剪切、弯曲和挤压（冲头），并产生强烈摩擦 2失效形式 主要为磨损、崩刃失效3性能要求 要求高的硬度、高的耐磨性； 一定的韧性； 较高的抗弯强度和高的断裂抗力硬度要求,（二）拉拔模及成形模,它是将板材或棒材进行延伸或压迫使之成为一定尺寸形状产品的模具 包括拉深模、成形模、弯曲模、拉丝模和拔管模等1工作条件 工作时物料受拉应力延伸变形 例如、在拉拔时二向受压，一向受拉，变形大，相对位移大 工作时，凹模受径向张力和摩擦力，凸模受到压力以及摩擦力，摩擦力十分强烈 总的说模具承受的力不算太大2失效形式 模具因严重磨损而失效，因表面产生沟槽而报废，还产生咬合、擦伤、变形等失效3性能要求 拉拔模：要求很高耐磨性，高的硬度（比成形模、冲裁模更高），好的抗咬合性； 成形模：除要求以上性能要求外，还要求一定强韧性。

三）冷镦模,在冲击力作用下将棒料镦成一定形状和尺寸的产品的模具 1工作条件 受强烈镦击，室温塑变抗力大 高速、工作繁重，工作环境恶劣； 冲头受巨大冲压力和摩擦力，凹模承受冲胀力及摩擦力，产生剧烈的摩擦 2失效形式：镦粗、局部变形及破裂3性能要求,要求足够的硬度： 凸模（镦头）要求6062HRC； 凹模要求5860HRC； 并要求模具型面有适当的硬化深度（15mm）和硬度分布； 心部有足够的强度和韧性相对其他冷作模，它要求适当提高韧性 表层的硬度和硬化层深度适当： 太高过深易碎裂崩块； 硬度不足、深度过浅容易磨损、变形、拉毛、粘模工件精度四）冷挤模,使金属在强大的均匀的近于静挤压力作用下产生塑性流动而成形产品的模具 1工作条件 物料承受强烈的三向压应力作用； 金属发生剧烈流动，变形位移大； 模具承受强大的挤压力，同时还有很大的摩擦力产生当挤压有色金属时，挤压力达到1000MPa； 当挤压钢材时： 正挤压力达20002500MPa； 反挤压力达30003250MPa 在挤压时，由于摩擦功和变形功转化为热能，使模具表面产生的局部温升可大于4002失效形式 主要会产生变形、磨损、冲头折断（因偏心弯曲）等失效。

3性能要求 有高的强度和硬度； 并有一定的韧性，以防冲击折断凸模硬度要求在6064HRC，凹模在5862HRC 当韧性要求较高时，硬度可降为5458HRC 具有一定的耐热疲劳性和热硬性冷作模具材料的分类,三、冷作模具的性能要求,1）高的硬度和耐磨性，其硬度比刃具要求低些，但不低于60HRC为宜 2）高的强度、疲劳强度和一定韧性 3）好的淬透性 4）热处理变形小，保证尺寸精确 5）良好的抗擦伤和咬合性能 6）良好的工艺性能冷作模具钢的特点,四、常用的冷作模具钢,1、碳素工具钢 中、小批量，形状简单模的基本钢种 低淬透性冷作模具钢 1）主要钢号：T7A、T10A、T11A2）特点： 是加工性好，价格便宜，薄壳硬化状态，具有一定韧性和疲劳抗力，但淬透性、回火抗力和耐磨性较 3）应用： 用于制作尺寸不大、形状简单、受轻负荷的模具零件常用的碳素模具钢的热处理工艺与硬度,T8A钢：过热敏感性较大，晶粒容易粗化，韧性较差，淬火后没有过剩碳化物，耐磨性差，所以模具制造时很少选用T12A钢：过剩碳化物较多，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，生产中只用于要求韧性不高，而硬度和耐磨性高的切边模和剪刀。

T10A（或T11A）：应用最普遍； 过热敏感性小，能获得比较细小的晶粒； 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T7A钢的耐磨性不及T10A钢，但T7A钢具有较好的韧性，可应用于韧性要求较高的冷作模具碳素模具钢多采用等温球化退火的方法： 可获得细小均匀分布碳化物； 提高强度、耐磨性和韧性； 减少淬火变形和开裂为了进一步减少热处理的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质处理 可获得回火索氏体，比容比球状珠光体大，可减少最终淬火后比容差，降低组织应力；,同时提高了材料屈服强度，淬火后又获得细针马氏体，增加了塑性变形抗力 回火索氏体又具有好的加工性能 如果不必要进行预调质处理，最好在AC1以下进行消除应力退火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，这样也可使氧化脱碳减少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，但淬透性差 采用160180碱浴分级淬火可获得较高硬度（5662HRC），但淬硬层较薄； 特别适合制造不需磨刃的成形模具，或要求表面硬、中心有一定强度的高韧性模具，如塑料压制模、冷镦模和冷挤压模。

淬火后应力很大，应尽快回火，通常在油炉或硝盐中进行2、低合金工具钢-低变形冷作模具钢1）主要钢号：9SiCr、9Mn2V、CrWMn 2）特点： 是较好的淬透性，淬火操作简便、变形易控制，但韧性及耐磨性仍较低 3）应用：,这类钢一般都有较高的碳的质量。