常用模具材料及热处理.ppt

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）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)。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。一.常用模具材料 可可用用于于制制造造模模具具的的材材料料种种类类繁繁多多，包包括括各各种种碳碳素素工工具具钢钢、合合金金钢钢、硬硬质质合合金金、铸铸铁铁、有有色色金金属属及及合合金金、非金属材料等。非金属材料等。.碳素合金工具钢碳素合金工具钢含碳量：含碳量：0.70.7-1.4-1.4主要牌号：主要牌号：T7(A)T7(A)、T8(A)T8(A)、T10(A)T10(A)、T12(A)T12(A)。特特点点：价价格格便便宜宜、切切削削性性能能好好。淬淬火火后后有有较较高高硬硬度度和和耐耐磨磨性性，淬淬透透性性低低，淬淬火火时时必必须须急急冷冷，变变形形开开裂裂倾向大、回火稳定性差，红硬性低（倾向大、回火稳定性差，红硬性低（250250C C）适用范围：尺寸小、形状简单、负荷小、冷作模具。适用范围：尺寸小、形状简单、负荷小、冷作模具。合金工具钢 低低 合合 金金 工工 具具 钢钢：CrWMnCrWMn、9Mn2V9Mn2V、5CrNiMo5CrNiMo、9SiCr9SiCr、GCr15GCr15、5CrMnMO5CrMnMO含合金量：总量为含合金量：总量为1 1-3-3特特点点：淬淬透透性性和和淬淬硬硬性性均均较较好好。耐耐磨磨性性，红红硬硬性性较高。回火稳定性好，热处理变形小。较高。回火稳定性好，热处理变形小。CrWMnCrWMn钢：（各种中小型冷作模具）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。韧性。淬火后残留奥氏体较多，故变形小。9Mn2V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。GCr15钢：常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。铬铬的的加加入入有有利利于于提提高高淬淬透透性性、细细化化碳碳化化物物并并使使其其分布均匀。分布均匀。5 5CrMnMOCrMnMO 钢：（弯曲热态模、切边模）钢：（弯曲热态模、切边模）5 5CrNiMoCrNiMo中中碳碳低低合合金金钢钢，典典型型热热作作模模具具钢钢。强强度度高高，韧韧性性好。好。淬淬透透性性好好，抗抗回回火火性性好好，导导热热性性和和耐耐热热疲疲劳劳性性好好，耐磨性好。耐磨性好。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。D2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。CCrWV3Cr2W8V0.3-0.42.2-2.77.5-90.2-0.5H130.38C1.0Si5.3Cr1.3Mo0.93Cr2W8V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。3Cr3MoW2V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。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。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。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）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）钢结硬质合金 以以合合金金钢钢为为基基本本，金金属属碳碳化化物物（TiCiWCTiCiWC）作作硬硬质质相相，用用粉粉末末冶冶金金方方法法生生产产的的一一种种新新型型模模具具材材料料。它它是是在在具具有有一一定定强强度度和和硬硬度度的的合合金金钢钢基基体体上上，弥弥散分布许多细小硬质颗粒。散分布许多细小硬质颗粒。特点：特点：.具具有有钢钢的的可可锻锻性性、可可机机加加工工性性、可可热热处处理理等等性性能，热处理变形极小。能，热处理变形极小。.淬火后具有硬质合金的硬度和刚性。淬火后具有硬质合金的硬度和刚性。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）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。1.模具材料的一般要求 包包括括力力学学性性能能、高高温温性性能能、表表面面性性能能、工工艺艺性性能、经济性等。能、经济性等。力学性能：硬度、强度、韧性力学性能：硬度、强度、韧性高高温温性性能能：高高温温强强度度、抗抗氧氧化化性性、耐耐热热疲疲劳劳性性、回火稳定性、热膨胀系数小回火稳定性、热膨胀系数小表面性能：耐磨性、耐蚀性表面性能：耐磨性、耐蚀性 工工艺艺性性能能：切切削削加加工工性性、电电加加工工性性、抛抛光光性性、可锻性、淬透性、热处理性能、可焊性可锻性、淬透性、热处理性能、可焊性经济性：资源条件、市场供应情况、价格经济性：资源条件、市场供应情况、价格 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。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。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。一般原则：满满足足使使用用性性能能要要求求。主主要要从从工工作作条条件件、模模具具结构、产品形状和尺寸、生产批量等综合考虑。结构、产品形状和尺寸、生产批量等综合考虑。形形状状复复杂杂、精精度度高高变变形形小小、导导热热性性好好、膨膨胀系数小胀系数小 大负荷大负荷高强度高强度摩擦、磨损摩擦、磨损高硬度高硬度 冲击负荷冲击负荷高韧性高韧性 表面光洁表面光洁可抛光性可抛光性 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。经济性（制造成本）：尽量考虑到价格便宜、资源丰富、供应方便。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。塑料模的钢材选用原则是 足够的强度和硬度；足够的强度和硬度；良好的切削加工性；良好的切削加工性；良好的抛光性；良好的抛光性；良好的电加工性；良好的电加工性；良好的耐腐蚀性；良好的耐腐蚀性；良好的淬透性；良好的淬透性；良好的照相腐蚀加工性；良好的照相腐蚀加工性；良好的焊接性能；良好的焊接性能；热处理变形小、热膨胀系数小；热处理变形小、热膨胀系数小；表面热处理性能好。表面热处理性能好。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)2 模具热处理 热热处处理理的的目目的的：有有目目的的地地改改变变钢钢材材的的内内部部组组织织结结构构，从从而而使使机机械械性性能能、力力学学性性能能、加加工工性性能能等达到特定的要求。等达到特定的要求。热处理三阶段：热处理三阶段：加加热热：以以一一定定加加热热速速度度使使工工件件达达到到特特定定温温度；度；保温：使工件内外温度均匀；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。却速度降到特定温度。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 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。退火、正火工序的温度区域：淬火：加加热热至至淬淬火火温温度度以以上上某某一一温温度度后后保保温温一一段段时时间间，然然后后将将工工件件置置入入冷冷却却介介质质（水水、油油、盐盐液液）中中，以极快的速度进行冷却而获得马氏体组织。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。冷却速度大于临界速度。淬火易出现：淬火易出现：产生组织应力和热应力产生组织应力和热应力 淬裂或变形淬裂或变形 体积增大且在各方向上不均匀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。淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力学性能。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 3模具表面强化处理 物物理理表表面面处处理理法法：高高频频淬淬火火、火火焰焰淬淬火火、激激光光热热处处理、加工硬化理、加工硬化化化学学表表面面处处理理法法：渗渗碳碳、渗渗氮氮、低低温温氮氮碳碳共共渗渗、渗渗硫、渗金属、碳化物盐浴涂覆硫、渗金属、碳化物盐浴涂覆覆覆层层表表面面处处理理法法：电电镀镀、化化学学气气相相沉沉积积、真真空空镀镀膜膜、离子离子喷镀喷镀、喷镀喷镀、热喷热喷涂、表面合金化涂、表面合金化改改变变表表层层的的成成分分、组组织织、性性能能，与与适适宜宜的的心心部部性性能能相相配配合合，提提高高硬硬度度、耐耐蚀蚀、耐耐热热、抗抗咬咬合合、低低摩摩擦擦系数等特殊性能。系数等特殊性能。二.模具表面强化处理工艺特点及应用（一）模具渗氮（一）模具渗氮1.1.渗氮处理的特点渗氮处理的特点模具渗氮后的性能特点模具渗氮后的性能特点表面硬度高表面硬度高具有较高的红硬性具有较高的红硬性显著提高疲劳强度显著提高疲劳强度提高模具耐蚀性提高模具耐蚀性渗氮处理温度低，模具氮化后变形极小渗氮处理温度低，模具氮化后变形极小降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力降低了模具表面粗糙度，提高了抗咬合能力 2.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。气体低温氮碳共渗 常用方法：常用方法：a.a.尿素气体低温氮碳共渗尿素气体低温氮碳共渗b.b.有机液体滴注式气体低温氮碳共渗有机液体滴注式气体低温氮碳共渗c.c.氨加热式气体低温氮碳共渗氨加热式气体低温氮碳共渗气体低温氮碳共渗工艺气体低温氮碳共渗工艺在在氮氮碳碳共共渗渗前前应应对对模模具具进进行行脱脱脂脂、除除锈锈、清清洗洗、防渗表面的保护等预处理工作。防渗表面的保护等预处理工作。离子渗氮离子渗氮 （二）模具渗硼、渗铬 1.1.渗硼渗硼渗渗硼硼方方法法有有固固体体渗渗硼硼、气气体体渗渗硼硼、盐盐浴浴渗渗硼硼。国内应用较多的是盐浴渗硼和固体渗硼。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：渗硼前后的热处理：模模具具渗渗硼硼前前应应进进行行精精加加工工和和消消除除应应力力处处理理，以以避避免免渗渗层层不不均均和和渗渗后后变变形形，并并要要对对模模具具表表面面进进行清洗。行清洗。对于模具心部要求不高的，渗硼后空冷即可，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，对要求内部有足够强度的，渗硼后要进行淬火，回火处理。回火处理。2.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。（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。（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。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。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。2.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。