模具材料與熱處理教學(xué)課件ppt作者吳光明第四章

1、4 主編第一節(jié)常用塑料模具鋼的性能要求與分類一、塑料模具鋼的性能要求 與冷作模具鋼和熱作模具鋼相比，塑料模具鋼的使用要求并不太高。為了滿足塑料模具的工作條件，防止其早期失效，延長其使用壽命，對塑料模具鋼有如下性能要求。(1)足夠的強(qiáng)度和韌性以保證模具工作時(shí)能承受一定的載荷，在使用過程中不致早期開裂。(2)較高的硬度和耐磨性以使模具工作時(shí)型腔的拋光表面粗糙度和尺寸精度能長期保持，不至于很快磨損。通常塑料模的硬度在3855HRC范圍內(nèi)，形狀簡單、拋光性能要求高的，工作硬度值可取高些；反之，工作硬度值可取低些。(3)良好的耐熱性、耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性以使模具能在較高的溫度下長期工作，對于塑料成型時(shí)產(chǎn)生

2、的腐蝕性氣體有抵抗能力，保證模具材料有較低的膨脹系數(shù)和穩(wěn)定組織。(4)良好的導(dǎo)熱性以使塑料制件盡快地在模具中冷卻成形。二、塑料模具鋼的工藝性能要求 隨著塑料制品種類的增加和質(zhì)量要求的提高以及塑料制品成型工藝趨向高速化、大型化、精密化和多型腔化，對塑料模具材料還提出了較高的可加工性要求。1)鍛造性：材料的導(dǎo)熱性好，在加熱過程中容易內(nèi)外熱透；材料塑性好，變形抗力小，鍛打時(shí)不易出現(xiàn)開裂，可鍛性好。2)可加工性：塑料模具型腔的幾何形狀大多比較復(fù)雜，型腔表面質(zhì)量要求高，難加工部位相當(dāng)多。因此，模具材料應(yīng)具有優(yōu)良的可加工性和磨削加工性能。對較高硬度的預(yù)硬化塑料模具鋼，可向鋼中加入一定量的合金元素，改善其可

3、加工性。二、塑料模具鋼的工藝性能要求3)焊接性：塑料模型腔在加工中受到損傷或在使用中被磨損需要修復(fù)時(shí)，常采用焊補(bǔ)的方法(局部堆焊)，因此模具材料要有較好的焊接性。4)熱處理工藝性能：熱處理工藝應(yīng)簡單，材料有足夠的淬透性和淬硬性，變形開裂傾向小，工藝質(zhì)量穩(wěn)定。 5)鏡面拋光性能：塑料制品的表面粗糙度主要取決于模具型腔表面的粗糙度。 6)電加工性能、飾紋加工性能等。三、塑料模具鋼的分類隨著塑料產(chǎn)量的提高和品種的增多，對塑料模具的要求也越來越高，從而促進(jìn)了塑料模具材料的發(fā)展。我國目前用于塑料模具的鋼種，一般按鋼材特性和熱處理狀態(tài)進(jìn)行分類，見表4-1。表4-1常用塑料模具鋼分類三、塑料模具鋼的分類 從

4、模具制造所要求的工藝性能和模具的使用性能考慮，塑料模具鋼與冷作、熱作模具鋼有一定的區(qū)別，近年來，已經(jīng)形成了專用的塑料模具鋼系列，見表4-2。表4-2現(xiàn)行塑料模具用鋼標(biāo)準(zhǔn)及牌號三、塑料模具鋼的分類表4-2現(xiàn)行塑料模具用鋼標(biāo)準(zhǔn)及牌號第二節(jié)常用塑料模具鋼的選材 塑料模具結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜，使用中要保證模具的使用壽命。選擇合適的模具材料，應(yīng)根據(jù)模具生產(chǎn)和使用的條件要求，并考慮模具材料的性能和其他因素，其中塑料的品種、批量、尺寸精度等是決定塑料模具材料的主要因素。 塑料模具鋼的性能要求沒有冷作和熱作模具鋼高，其具體選材要求如下：1.根據(jù)塑料制品的生產(chǎn)批量選用模具鋼 選用模具鋼種類與塑料制品的生產(chǎn)批量大小有關(guān)

5、，生產(chǎn)批量小，對模具的耐磨性及使用壽命要求不高時(shí)，為了降低模具造價(jià)，不必選用高級優(yōu)質(zhì)模具鋼，只選用普通模具鋼即可滿足使用要求，具體選用見表4-3。1.根據(jù)塑料制品的生產(chǎn)批量選用模具鋼表4-3根據(jù)塑料制品的生產(chǎn)批量選用模具鋼2.根據(jù)塑料制品的種類和質(zhì)量要求選用模具材料1)對型腔表面要求耐磨性好、心部要求韌性好，但形狀并不復(fù)雜的塑料注射模具，可選用低碳結(jié)構(gòu)鋼和低碳合金結(jié)構(gòu)鋼。2)對聚氯乙烯、氟塑料及阻燃ABS塑料制品，所用模具鋼必須有較好的耐蝕性。3)生產(chǎn)以玻璃纖維作增強(qiáng)材料的塑料制品的注射?；驂嚎s模時(shí)，要求有高硬度、高耐磨性、高的抗壓強(qiáng)度和較高的韌性，以防止模具型腔表面被過早磨損壞，或因模具受高

6、壓而發(fā)生局部變形，故常用淬硬模具鋼制造這類模具，經(jīng)淬火、回火后可以得到所需的模具性能,例如選用T8A、T10A、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、9Mn2V、9SiCr、CrWMn、GCr15等淬硬型模具鋼。2.根據(jù)塑料制品的種類和質(zhì)量要求選用模具材料4)制造透明塑料制品的模具，要求模具鋼材有良好的鏡面拋光性能和高耐磨性，所以應(yīng)采用時(shí)效硬化型鋼制造，例如18Ni類、PMS、PCR鋼等；也可用預(yù)硬型鋼，如P20系列及8CrMn、5NiSCa鋼等。表4-4根據(jù)塑料制品的種類選用塑料模具鋼3.根據(jù)塑料制品的尺寸大小及精度要求選用模具鋼對大型、高精度的注射模具，當(dāng)塑料制品的生產(chǎn)批量大時(shí)，采用預(yù)硬化

7、鋼制造。由于模具型腔大，模具壁厚加大，因此對鋼的淬透性要求高，熱處理后要求變形小。預(yù)硬型鋼材在機(jī)械加工前進(jìn)行預(yù)硬處理，機(jī)械加工后不再進(jìn)行熱處理，以防止熱處理變形。4.根據(jù)塑料制品形狀的復(fù)雜程度選用模具鋼對于型腔復(fù)雜的注射模具，為減少模具熱處理后產(chǎn)生變形和裂紋的機(jī)會，應(yīng)選用可加工性好、熱處理變形小的模具鋼，如40Cr、3Cr2Mo、4Cr5MoSiV、SM2等鋼。如果塑料制品的生產(chǎn)批量小，可以選用經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的SM45、SM50、SM55鋼等。5.塑料模具中其他零件的材料選用塑料模具上的其他零件(如導(dǎo)柱、導(dǎo)套、襯套、頂桿、拉料桿、各種模板、頂出板、固定支架、型芯以及型腔件等)，其拋光性、耐蝕性等要

8、求較模具本身的要求低，一般可以選用與模具本身材料相同或性能稍低的常用模具鋼材，經(jīng)過合理的熱處理即可。這樣既能達(dá)到使用要求，又能降低模具成本。第三節(jié)塑料模具鋼的熱處理一、碳素塑料模具鋼1.碳素塑料模具鋼的熱處理 國外通常將碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50.6的碳素鋼稱為碳素塑料模具鋼。表4-5常用碳素塑料模具鋼的化學(xué)成分常用碳素塑料模具鋼的熱處理過程如下：1)鍛壓后退火。2)高溫回火。消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。3)正火。用以改善可加工性。4)淬火及回火。提高模具硬度和耐磨性，消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。1.碳素塑料模具鋼的熱處理表4-6常用碳素塑料模具鋼熱處理工藝規(guī)范2.碳素塑料模具鋼的應(yīng)用 SM4

9、5鋼與普通優(yōu)質(zhì)45碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，其鋼中的S、P含量低，鋼材純度好。由于SM45鋼的淬透性差，制造較大尺寸的塑料模具時(shí)，一般用熱軋、熱鍛或正火狀態(tài)，模具硬度低，耐磨性較差；制造小型塑料模具時(shí)，用調(diào)質(zhì)處理可獲得較高的硬度和較好的強(qiáng)韌性。此類鋼中碳含量中等、制作簡單的模具一般采用水冷淬火，形狀復(fù)雜的小型模具水淬容易出現(xiàn)裂紋，一般用水淬油冷。SM45鋼的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，可加工性好，且具有較高的硬度，調(diào)質(zhì)處理后具有良好的強(qiáng)韌性和一定的耐磨性，被廣泛用于制造中。二、滲碳型塑料模具鋼1.滲碳型塑料模具鋼的熱處理 該類鋼種主要用于制造冷擠壓成型的塑料模具。在退火狀態(tài)時(shí)應(yīng)具有較高的塑性和低熱變形抗力，故該鋼種

10、一般碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，為提高其耐磨性，熱處理一般均進(jìn)行滲碳、淬火和回火處理。常用滲碳型塑料模具鋼的鋼號有20Cr和12CrNi3A等，表4-7為常用滲碳型塑料模具鋼的化學(xué)成分。1.滲碳型塑料模具鋼的熱處理表4-7常用滲碳型塑料模具鋼的化學(xué)成分常用滲碳型塑料模具鋼的熱處理過程如下：(1)鍛壓后退火。(2)正火用以改善可加工性。(3)滲碳提高表面層含碳量。(4)淬火提高模具硬度和耐磨性。(5)回火消除淬火應(yīng)力，穩(wěn)定組織與尺寸。1.滲碳型塑料模具鋼的熱處理表4-8常用滲碳型塑料模具鋼熱處理工藝規(guī)范2.滲碳型塑料模具鋼的應(yīng)用 20Cr鋼比相同含碳量的碳素鋼有較高的強(qiáng)度和淬透性，回火后有良好的綜合力學(xué)性

11、能，低溫沖擊韌性良好，回火脆性不明顯，多用于制造中、小型塑料模具。 12CrNi3鋼是中淬透性合金滲碳鋼，淬火、低溫回火和高溫回火后都具有良好的綜合力學(xué)性能，主要用于冷擠壓成型的形狀復(fù)雜的淺型腔塑料模具，也可用來制造大、中型切削加工成型的塑料模具。三、預(yù)硬型塑料模具鋼1.預(yù)硬型塑料模具鋼的熱處理 預(yù)硬型塑料模具鋼一般是指供應(yīng)時(shí)已進(jìn)行過熱處理，并使之達(dá)到模具使用時(shí)的硬度。由于該類鋼種可直接加工后進(jìn)行使用，故可避免熱處理變形的影響，保證模具的制造精度。常用的預(yù)硬型塑料模具鋼鋼號有3Cr2MnMo、3Cr2MnNiMo、5CrNiMnMoVSCa和Y55CrNiMnMoVS(SM1)等，表4-9為常

12、用預(yù)硬型塑料模具鋼的化學(xué)成分。常用預(yù)硬型塑料模具鋼的熱處理過程如下：(1)預(yù)先熱處理鍛壓后退火，用以改善可加工性。(2)淬火提高模具硬度和耐磨性。(3)回火以改善力學(xué)性能，消除淬火應(yīng)力。1.預(yù)硬型塑料模具鋼的熱處理表4-9常用預(yù)硬型塑料模具鋼的化學(xué)成分1.預(yù)硬型塑料模具鋼的熱處理表4-10常用預(yù)硬型塑料模具鋼的熱處理工藝規(guī)范2.預(yù)硬型塑料模具鋼的應(yīng)用 3Cr2MnMo(P20)鋼具有較好的綜合力學(xué)性能和高的淬透性，大截面模具可獲得較均勻的硬度，且拋光性能好，表面粗糙度值低，故是一種生產(chǎn)中廣泛使用的塑料模具鋼，常用于制造大、中型和精密的塑料模具。 3Cr2MnNiMo(718)鋼是3Cr2MnM

13、o(P20)鋼的改進(jìn)型，其綜合力學(xué)性能好，淬透性高。該鋼在預(yù)硬化后，加工成模具可直接使用，既可保證模具的使用性能，又可避免熱處理變形，故多用于制造大型、特大型塑料模具。四、時(shí)效硬化型塑料模具鋼1.時(shí)效硬化型塑料模具鋼的熱處理 復(fù)雜、精密的塑料模具必須具有高的綜合力學(xué)性能，因此應(yīng)該采用最終熱處理。但常規(guī)的最終熱處理(淬火、回火)易導(dǎo)致模具的熱處理變形，從而影響模具精度。表4-11常用時(shí)效硬化型塑料模具鋼的化學(xué)成分1.時(shí)效硬化型塑料模具鋼的熱處理表4-12常用時(shí)效硬化型塑料模具鋼表4-12常用時(shí)效硬化型塑料模具鋼2.時(shí)效硬化型塑料模具鋼的應(yīng)用2.時(shí)效硬化型塑料模具鋼的應(yīng)用 25CrNi3MoAl鋼

14、回火后可直接加工成模具，再進(jìn)行時(shí)效處理。該鋼種綜合力學(xué)性能好，熱處理變形小，鏡面研磨性好，焊接修補(bǔ)性高，多用于制造復(fù)雜、高精密的塑料模具。 06Ni6CrMoVTiAl(06Ni)鋼在進(jìn)行固溶處理后變軟，可直接進(jìn)行切削加工，再進(jìn)行時(shí)效處理，故熱處理變形小且可加工性好，表面粗糙度值低，具有良好的綜合力學(xué)性能，熱處理工藝簡單，多用于制造高精度的塑料模具，大量應(yīng)用于各行業(yè)。五、耐蝕性塑料模具鋼1.耐蝕性塑料模具鋼的熱處理 在生產(chǎn)以具有化學(xué)腐蝕性塑料為原料的塑料制品時(shí)，要求模具必須具備較強(qiáng)的耐蝕性，同時(shí)具備一定的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，耐蝕性塑料模具鋼正是能適應(yīng)這種需要的鋼材。耐蝕性塑料模具鋼常用的鋼號有

15、20Cr13、40Cr13、95Cr18和14Cr17Ni2等，表4-13為常用耐蝕性塑料模具鋼的化學(xué)成分。表4-13常用耐蝕性塑料模具鋼的化學(xué)成分1.耐蝕性塑料模具鋼的熱處理表4-14常用耐蝕性塑料模具鋼熱處理工藝規(guī)范2.耐蝕性塑料模具鋼的應(yīng)用2.耐蝕性塑料模具鋼的應(yīng)用 下列幾種耐蝕性塑料模具鋼多用于制作耐蝕性高、耐磨性好的塑料模具。 20Cr13鋼具有較高的韌性和冷變形能力，熱處理后能獲得較高的硬度和耐磨性，并具有良好的耐蝕性，適合制造承受高負(fù)荷并存在腐蝕介質(zhì)的透明和不透明的塑料模具。 40Cr13鋼抗大氣和水蒸氣腐蝕，熱處理后能獲得較高的硬度和耐磨性，適于制造表面粗糙度值要求不是很高，需

16、要高淬透性，韌性和延展性較好的塑料模具。 95Cr18鋼熱處理后具有高的硬度、耐磨性和耐蝕性，多適用于制造承受高耐磨、高負(fù)荷及在腐蝕介質(zhì)作用下的塑料模具。 14Cr17Ni2鋼對于氧化酸類以及鹽酸類的水溶液有良好的耐蝕性，但有脆性傾向，易產(chǎn)生裂紋，焊接性差，易產(chǎn)生裂紋，熱加工工藝復(fù)雜，多用于制造耐蝕性要求高的塑料模具。第四節(jié)塑料模具鋼的熱處理工藝與實(shí)例1.塑料模具的制造工藝路線(1)低碳鋼及低碳合金鋼制模具例如，20、20Cr、20CrMnTi等鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯退火機(jī)械粗加工冷擠壓成型再結(jié)晶退火機(jī)械精加工滲碳淬火、回火研磨拋光裝配。(2)高合金滲碳鋼制模具例如，12CrNi3A，1

17、2CrNi4A鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯正火并高溫回火機(jī)械粗加工高溫回火精加工滲碳淬火、回火研磨拋光裝配。(3)調(diào)質(zhì)鋼制模具例如，45、40Cr等鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯退火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)機(jī)械精加工修整、拋光裝配。(4)碳素工具鋼及合金工具鋼制模具例如，T7A、T10A、CrWMn、9SiCr等鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯球化退火機(jī)械粗加工去應(yīng)力退火機(jī)械半精加工淬火、回火機(jī)械精加工研磨拋光裝配。(5)預(yù)硬鋼制模具3.塑料模具的表面處理 塑料模具鍍鉻是一種應(yīng)用最多的表面處理方法。鍍鉻層在大氣中具有強(qiáng)烈的鈍化能力，能長久保持金屬光澤，在多種酸性介質(zhì)中均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鍍層硬度高，因而具有優(yōu)良

18、的耐磨性。鍍鉻層還具有較高的耐熱性，在空氣中加熱到500時(shí)其外觀和硬度仍無明顯變化。 滲氮具有處理溫度低(一般為550570)，模具變形甚微和滲層硬度高等優(yōu)點(diǎn)，因而也非常適合塑料模具的表面處理。含有鉻、鉬、鋁、釩和鈦等合金元素的鋼種比碳鋼有更好的滲氮性能，用來制作塑料模具時(shí)進(jìn)行滲氮處理可大大提高其耐磨性。 適于塑料模具的表面處理方法還有氮碳共滲，化學(xué)鍍鎳，離子鍍氮化鈦、碳化鈦或碳氮化鈦，PVD、CVD法沉積硬質(zhì)膜或超硬膜等。二、塑料模具熱處理實(shí)例1. 12CrNi3A鋼制對開膠木模的熱處理 該模具的形狀和最終熱處理工藝如圖4-1所示。模具采用910恒溫滲碳，保溫后隨爐(氣體滲碳)或隨箱(固體滲碳)降溫到800850，取出懸掛或架空擺放，用風(fēng)扇冷卻至室溫。對于模具型腔拋光性要求高的模具，也可懸掛于通有壓縮氨氣的冷卻井中冷卻。風(fēng)冷淬火后在200250回火24h，處理后硬度為5356HRC，變形輕微，合面間隙小于0.05mm。圖4-112CrNi3A鋼制膠木模及最終熱處理工藝2. CrWMn鋼模套熱浴淬火圖4-2CrWMn鋼模套及熱處理工藝曲線 該模套形狀及熱處理工藝曲線如圖4-2所示。模套經(jīng)鹽浴加熱后以高于Ms點(diǎn)的溫度(830)在硝鹽浴中分級淬火(230)，出浴后油