模具钢工艺性能与用途模板.doc

模具钢 模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具钢种。模具是机械制造、无线电仪表、电机电器等工业部门中制造零件关键加工工具。模具质量直接影响着压力加工工艺质量、产品精度产量和生产成本、而模具质量和使用寿命除了靠合理结构设计和加工精度外，关键受模具材料和热处理影响。介绍模具钢大致可分为（冷作模具钢）、（热作模具钢）和（塑料模具钢）3类，用于铸造、冲压、切型、压铸等。因为多种模具用途不一样，工作条件复杂，所以对模具用钢，按其所制造模具工作条件，应含有高硬度、强度、耐磨性，足够韧性，和高淬透性、淬硬性和其它工艺性能。因为这类用途不一样，工作条件复杂，所以对模具用钢性能要求也不一样。 冷作模具包含冷冲模、拉丝模、拉延模、压印模、搓丝模、滚丝板、冷镦模和冷挤压模等。冷作模含有钢，按其所制造具工作条件，应含有高硬度、强度、耐磨性、足够韧性，和高淬透性、淬硬性和其它工艺性能。用于这类用途合金工具用钢通常属于高碳合金钢，碳质量分数在0.80%以上，铬是这类钢关键合金元素，其质量分数通常小于5%。但对于部分耐磨性要求很高，淬火后变形很小模具用钢，最高铬质量分数可达13%，而且为了形成大量碳化物，钢中碳质量分数也很高，最高可达2.0%2.3%。冷作模具钢碳含量较高，其组织大部分属于过共析钢或莱氏体钢。常见钢类有高碳低合金钢、高碳高铬钢、铬钼钢、中碳铬钨钏钢等。 热作模具分为锤锻、模锻、挤压和压铸多个关键类型，包含热锻模、压力机锻模、冲压模、热挤压模和金属压铸模等。热变形模具在工作中除要承受巨大机械应力外，还要承受反复受热和冷却做用，而引发很大热应力。热作模具钢除应含有高硬度、强度、红硬性、耐磨性和韧性外，还应含有良好高温强度、热疲惫稳定性、导热性和耐蚀性，另外还要求含有较高淬透性，以确保整个截面含有一致力学性能。对于压铸模用钢，还应含有表面层经反复受热和冷却不产生裂纹，和经受液态金属流冲击和侵蚀性能。这类钢通常属于中碳合金钢，碳质量分数在0.30%0.60%，属于亚共析钢，也有一部分钢因为加入较多合金元素（如钨、钼、钒等）而成为共析或过共析钢。常见钢类有铬锰钢、铬镍钢、铬钨钢等。塑料模具包含热塑性塑料模具和热固性塑料模具。塑料模具用钢要求含有一定强度、硬度、耐磨性、热稳定性和耐蚀性等性能。另外，还要求含有良好工艺性，如热处理变小、加工性能好、耐蚀性好、研磨和抛光性能好、补焊性能好、粗糙度高、导热性好和工作条件尺寸和形状稳定等。通常情况下，注射成形或挤压成形模具可选择热作模具钢；热固性成形和要求高耐磨、高强度模具可选择冷作模具钢。 分类美国按模具服役条件将模具钢分为三大类，美国金属学会工具钢委员会列出了：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。其中，冷作模具钢又分出12小类，热作模具钢9小类，塑 料模具钢2小类。每个小类选材又取决于三个关键原因： 尺寸大小和形状复杂性， 被加工材料， 耐久性要求或设计寿命。 1.冷作模具钢 （1）分为五组：W组、O组、A组、D组、S组。 W组即水淬工具钢，有11个钢种，7个碳素工具钢，含碳量从0.7%-1.3%。 O组即油淬冷作模具钢（俗称油钢），有4个钢种，含碳量在0.85%-1.55%， A组即空淬中合金冷作模具钢，有9个钢种，含碳量从0.5%-2.25%。 D组即高碳高铬冷作模具钢，有7个钢种，含碳量0.9%-2.5%。 S组即耐冲击工具钢，有7个钢种，含碳量0.4%-0.6%。 用于冷作模具还有高速钢（HSS组）和超高速钢（SHSS组），钴基硬质合金和钢结硬质合金（HA组），粉末钢和工程陶瓷（PIM组），碳钨工具钢（F组），特殊用途工具钢（L组）。 （2）冷作模具钢选择 冷作模具钢主系列是高硬冷作类，关键用于要求高抗压和耐磨为主模具，硬度高于HRC60-62。对于要求耐冲击、韧性高模具，硬度低于HRC60- 62，关键用S类和部份A类和最一般调质钢、弹簧钢、热作模具或基体钢。对于大型冲压模，如汽车外型冲压件，关键用铸铁类。简易或寿命数量少用锌基合金或高分子复合材料。 高速钢和超高速钢在冷作模具中应用快速增加。关键是有高抗压强度/硬度 比值。且硬度可在HRC60-70之间选择。 粉末模具钢有优良耐磨寿命，硬度不大高HRC60-62，应用相当多。 碳素工具钢在寿命10万件冲头或软材料冲压模仍有一定应用范围。 2.热作模具钢 美国热作模具钢分二大类：热作模具钢，和超级热强合金。 热作模具因为在有温度条件下工作，要求材料含有热强性和热耐磨性，为了确保模具使用寿命模具要冷却，热冷交替模具会出现龟裂，即热疲惫裂纹，所以材料又要求有抗裂纹能力和抗热疲惫性能。 按热强性排列主系列进行选材: 低合金调质模具钢（6G，6F2，6F3）中铬热作模具钢（H11、H12、H13）钨热作模具钢（H21，H22）。 非标准热作模具钢：比如热镦锻模具用时效硬化型6H4。使用H11、H12、H13出现了不能满足热耐磨性时，能够选择6H1，6H2。 当要求模具以热作耐磨性为主时，能够选择D2，D4M2，M4粉末钢。钢结硬质合金、钴基硬质合金高温耐磨性是很高，但其热疲惫性（即冷热抗疲惫裂纹）很差，不能在急 冷急热状态下使用。 3.塑料模具钢 美国是最早在工具钢中列出塑料模具专用钢国家，以P来表示为主，共分为五类。 渗碳型塑料模具钢：P1，P2，P3，P4，P5，P6。这类钢含碳量很低，关键是美国早期及用挤压成型制模法，要求冷塑性好，有高挤压性能，成型后表面渗碳淬火提升表面硬度，使用寿命长。芯部超低碳可使淬火时变形量最小。 调质型塑料模具：P20，P21。现在塑料模具中P20用量很大，已成为主体，大多数在预硬状态时使用。 中碳合金工具钢用于热固性塑料模。钢号有H13，而L2和S7，O1和A2也有应用。这一类特点是： （1）基础属二次硬化金钢，500-600oC时热强性好。 （2）含铬较高，大气腐蚀性好。 （3）淬透性极好，适适用于大模块。 不锈钢用于耐蚀性要求高塑料模，关键钢号有420，414L，440，416。 时效钢是经过时效处理而取得高使用性能。有两种，一个是P21低碳Ni-A1时效钢；另一类是18Ni马氏体时效钢。后者是用于宇航工业无碳高纯度、高强度、高韧性材料。用于力学性能、尺寸精度、光洁度和耐蚀性全部要求高塑料模具中。 塑料模具钢选择 薄壁塑料箱体，生产批量在小于10万件时，用P20，P21预硬态（HB250300），腐蚀性较强时用414L。 高寿命一般塑料模，用P6或P20，经渗碳一淬火后硬度在HRC54-58；塑料件不太大时，可用O1，S7。腐蚀性较强时用420。 非高温热固性模用P6，P20经渗碳淬火后使用。腐蚀性强用420。 高温热固性塑料模用H13和S7或渗碳钢P4。这些含铬较高有好抗回火性和抗高温氧化性。 模具钢工艺性能可加工性热加工性能，指热塑性、加工温度范围等； 冷加工性能，指切削、磨削、抛光、冷拔等加工性能。 冷作模具钢大多属于过共析钢和莱氏体钢，热加工和冷加工性能全部不太好，所以必需严格控制热加工和冷加工工艺参数，以避免产生缺点和废品。其次，经过提升钢纯净度，降低有害杂质含量，改善钢组织状态，以改善钢热加工和冷加工性能，从而降低模具生产成本。 为改善模具钢冷加工性能，自20世纪30年代开始，研究向模具钢中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或造成模具钢中碳石墨化元素，发展了多种易切削模具钢，以深入改善其切削性能和磨削性能，降低磨料消耗、降低成本。淬透性和淬硬性淬透性关键取决于钢化学成份和淬火前原始组织状态；淬硬性则关键取决于钢中含碳量。对于大部分冷作模具钢，淬硬性往往是关键考虑原因之一。对于热作模具钢和塑料模具钢，通常模具尺寸较大，尤其是制造大型模具，其淬透性更为关键。另外，对于形状复杂轻易产生热处理变形多种模具，为了降低淬火变形，往往尽可能采取冷却能力较弱淬火介质，如空冷、油冷或盐浴冷却，为了得到要求硬度和淬硬层深度，就需要采取淬透性很好模具钢。淬火温度和热处理变形为了便于生产，要求模具钢淬火温度范围尽可能放宽部分，尤其是当模具采取火焰加热局部淬火时，因为难于正确地测量和控制温度，就要求模具钢有更宽淬火温度范围。 模具在热处理时，尤其是在淬火过程中，要产生体积改变、形状翘曲、畸变等，为确保模具质量，要求模具钢热处理变形小，尤其是对于形状复杂精密模具，淬火后难以修整，对于热处理变形程度要求更为苛刻，应该选择微变形模具钢制造。氧化、脱碳敏感性模具在加热过程中，假如发生氧化、脱碳现象，就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低；所以，要求模具钢氧化、脱碳敏感性好。对于含钼量较高模具钢，因为氧化、脱碳敏感性强，需采取特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。其它原因在选择模具钢时，除了必需考虑使用性能和工艺性能之外，还必需考虑模具钢通用性和钢材价格。模具钢通常见量不大，为了便于备料，应尽可能地考虑钢通用性，尽可能利用大量生产通用型模具钢，方便于采购、备料和材料管理。另外还必需从经济上进行综合分析，考虑模具制造费用、工件生产批量和分摊到每一个工件上模具费用。从技术、经济方面全方面分析，以最终选定合理模具材料。 性能要求1. 强度性能 （1）硬度 硬度是模具钢关键技术指标，模具在高应力作用下欲保持其形状尺寸不变，必需含有足够高硬度。冷作模具钢在室温条件下通常硬度保持在HRC60左右，热作模具钢依据其工作条件，通常要求保持在HR055范围。对于同一钢种而言，在一定硬度值范围内，硬度和变形抗力成正比；但含有同一硬度值而成份及组织不一样钢种之间，其塑性变形抗力可能有显著差异。 （2）红硬性 在高温状态下工作热作模具，要求保持其组织和性能稳定，从而保持足够高硬度，这种性能称为红硬性。碳素工具钢、低合金工具钢通常能在180250温度范围内保持这种性能，铬钼热作模具钢通常在550600温度范围内保持这种性能。钢红硬性关键取决于钢化学成份和热处理工艺。 （3）抗压屈服强度和抗压弯曲强度 模具在使用过程中常常受到强度较高压力和弯曲作用，所以要求模具材料应含有一定抗压强度和抗弯强度。在很多情况下，进行抗压试验和抗弯试验条件靠近于模具实际工作条件（比如，所测得模具钢抗压屈服强度和冲头工作时所表现出来变形抗力较为吻合）。抗弯试验另一个优点是应变量绝对值大，能较灵敏地反应出不一样钢种之间和在不一样热处理和组织状态下变形抗力差异。 2. 韧性 在工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了降低在使用过程中折断、崩刃等形式损坏，要求模具钢含有一定韧性。 模具钢化学成份，晶粒度，纯净度，碳化物和夹杂物等数量、形貌、尺寸大小及分布情况，和模具钢热处理制度和热处理后得到金相组织等原因全部对钢韧性带来很大影响。尤其是钢纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性影响更为显著。钢韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾。所以，要合理地选择钢化学成份而且采取合理精炼、热加工和热处理工艺，以使模具材料耐磨性、强度和韧性达成最好配合。 冲击韧性系表特征材料在一次冲击过程中试样在整个断裂过程中吸收总能量。不过很多工具是在不一样工作条件下疲惫断裂，所以，常规冲击韧性不能全方面地反应模具钢断裂性能。小能量数次冲击断裂功或数次断裂寿命和疲惫寿命等试验技术正在被采取。 3. 耐磨性 决定模具使用寿命最关键原因往往是模具材料耐磨性。模具在工作中承受相当大压应力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具磨损关键是机械磨损、氧化磨损和熔融磨损三种类型。为了改善模具钢耐磨性，就要既保持模具钢含有高硬度，又要确保钢中碳化物或其它硬化相组成、形貌和分布比较合理。对于重载、高速磨损条件下服役模具，要求模具钢表面能形成薄而致密粘附性好氧化膜，保持润滑作用，降低模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损，又能降低模具表面进行氧化造成氧化磨损。所以模具工作条件对钢磨损有较大影响。 耐磨性可用模拟试验方法，测出相正确耐磨指数，作为表征不一样化学成份及组织状态下耐磨性水平参数。以展现要求毛刺高度前寿命，反应多种钢种耐磨水平；试验是以Cr12MoV钢为基准进行对比。 4. 抗热疲惫能力 热作模具钢在服役条件下除了承受载荷周期性改变之外，还受到高温及周期性急冷急热作用，所以，评价热作模具钢断裂抗力应重视材料热机械疲惫断裂性能。热机械疲惫是一个综合性能指标，它包含热疲惫性能、机械疲惫裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。 热疲惫性能反应材料在热疲惫裂纹萌生之前工作寿命，抗热疲惫性能高材料，萌生热疲惫裂纹热循环次数较多；机械疲惫裂纹扩展速率反应材料在热疲惫裂纹萌生以后，在锻压力作用下裂纹向内部扩展时，每一应力循环扩展量；断裂韧性反应材料对已存在裂纹发生失稳扩展抗力。断裂韧性高材料，其中裂纹如要发生失稳扩展，必需在裂纹尖端含有足够高应力强度因子，也就是必需有较大裂纹长度。在应力恒定前提下，在一个模具中已经存在一条疲惫裂纹，假如模具材料断裂韧性值较高，则裂纹必需扩展得更深，才能发生失稳扩展。 也就是说，抗热疲惫性能决定了疲惫裂纹萌生前那部分寿命；而裂纹扩展速率和断裂韧性，能够决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展那部分寿命。所以，热作模具如要取得高寿命，模具材料应含有高抗热疲惫性能、低裂纹扩展速率和高断裂韧性值。 抗热疲惫性能指标能够用萌生热疲惫裂纹热循环数，也能够用经过一定热循环后所出现疲惫裂纹条数及平均深度或长度来衡量。 5. 咬合抗力 咬合抗力实际就是发生“冷焊”时抵御力。该性能对于模具材料较为关键。试验时通常在干摩擦条件下，把被试验工具钢试样和含有咬合倾向材料（如奥氏体钢）进行恒速对偶摩擦运动，以一定速度逐步增大载荷，此时，转矩也对应增大，该载荷称为“咬合临界载荷”，临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。在模具生产成本中，材料费用通常占10%20%，而机械加工、热处理、装配和管理费用占80%以上，所以模具材料工艺性能是影响模具生产成本和制造难易关键原因之一。 1. 可加工性 （1）热加工性能，指热塑性、加工温度范围等； （2）冷加工性能，指切削、磨削、抛光、冷拔等加工性能。 冷作模具钢大多属于过共析钢和莱氏体钢，热加工和冷加工性能全部不太好，所以必需严格控制热加工和冷加工工艺参数，以避免产生缺点和废品。其次，经过提升钢纯净度，降低有害杂质含量，改善钢组织状态，以改善钢热加工和冷加工性能，从而降低模具生产成本。 为改善模具钢冷加工性能，自20世纪30年代开始，研究向模具钢中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或造成模具钢中碳石墨化元素，发展了多种易切削模具钢，以深入改善其切削性能和磨削性能，降低磨料消耗、降低成本。 2. 淬透性和淬硬性 淬透性关键取决于钢化学成份和淬火前原始组织状态；淬硬性则关键取决于钢中含碳量。对于大部分冷作模具钢，淬硬性往往是关键考虑原因之一。对于热作模具钢和塑料模具钢，通常模具尺寸较大，尤其是制造大型模具，其淬透性更为关键。另外，对于形状复杂轻易产生热处理变形多种模具，为了降低淬火变形，往往尽可能采取冷却能力较弱淬火介质，如空冷、油冷或盐浴冷却，为了得到要求硬度和淬硬层深度，就需要采取淬透性很好模具钢。 3. 淬火温度和热处理变形 为了便于生产，要求模具钢淬火温度范围尽可能放宽部分，尤其是当模具采取火焰加热局部淬火时，因为难于正确地测量和控制温度，就要求模具钢有更宽淬火温度范围。 模具在热处理时，尤其是在淬火过程中，要产生体积改变、形状翘曲、畸变等，为确保模具质量，要求模具钢热处理变形小，尤其是对于形状复杂精密模具，淬火后难以修整，对于热处理变形程度要求更为苛刻，应该选择微变形模具钢制造。 4. 氧化、脱碳敏感性 模具在加热过程中，假如发生氧化、脱碳现象，就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低；所以，要求模具钢氧化、脱碳敏感性好。对于含钼量较高模具钢，因为氧化、脱碳敏感性强，需采取特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。 5.其它原因 在选择模具钢时，除了必需考虑使用性能和工艺性能之外，还必需考虑模具钢通用性和钢材价格。模具钢通常见量不大，为了便于备料，应尽可能地考虑钢通用性，尽可能利用大量生产通用型模具钢，方便于采购、备料和材料管理。另外还必需从经济上进行综合分析，考虑模具制造费用、工件生产批量和分摊到每一个工件上模具费用。从技术、经济方面全方面分析，以最终选定合理模具材料。 模具钢用途加工模具时用，因为模具用途很广，多种模具工作条件差异很大，所以，制造模具用材料范围很广，在模具材料中应用最广当属模具钢。从般碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、高速工具钢、不锈耐热钢直到适应特殊模具需要马氏体时效钢和粉末高速钢、粉末高合金模具钢等。模具钢按用途通常可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢三大类。冷作模具钢冷作模具钢关键用于制造对冷状态下工件进行压制成型模具。如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢范围很广，从多种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。热作模具钢热作模具钢关键用于制造对高温状态下工件进行压力加工模具。如：热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模具等。常见热作模具钢有：中高含碳量添加Cr、W、Mo、V等合金元素合金模具钢；对特殊要求热作模具钢，有时采取高合金奥氏体耐热模具钢制造。塑料模具钢因为塑料品种很多，对塑料制品要求差异也很大，对制造塑料模具材料也提出了多种不一样性 能要求。所以，不少工业发达国家已经形成了范围很广塑料模具用钢系列。包含碳素结构钢、渗碳型 塑料模具钢、预硬型塑料模具钢、时效硬化型塑料模具钢、耐蚀塑料模具钢、易切塑料模具钢、整体淬硬型塑料模具钢、马氏体时效钢和镜面抛光用塑料模具钢等。