常用模具材料及熱處理

第二章常用模具材料及熱處理§1常用模具材料§2模具熱處理§3模具表面強化處理§1常用模具材料模具材料主要是滿足特定要求的鋼材。也有一些其它類型的材料。鋼：炭鋼（普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼）合金鋼（合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、不銹鋼）牌號普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用其屈服強度表示，即“Q×××”。如Q235（相當(dāng)于舊牌號A3）。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用其平均含碳量的萬分率表示，如20鋼、45鋼、40鋼等。碳素工具鋼的牌號用其平均含碳量的千分率表示，如T8、T10(A)。

合金鋼的編號原則

“數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字”。最前面的數(shù)字表示平均含碳量：結(jié)構(gòu)鋼用萬分率，兩位數(shù)字；工具鋼用千分率，一位數(shù)字。含碳量很高時不表示。合金元素符號后的數(shù)字表示平均百分含量，小于1.5％時可不標(biāo)出。合金元素含量1.5％-2.5％標(biāo)為“2”，>2.5％-3.5％標(biāo)“3”，以此類推。一.常用模具材料

可用于制造模具的材料種類繁多，包括各種碳素工具鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、鑄鐵、有色金屬及合金、非金屬材料等。①.碳素合金工具鋼含碳量：0.7％-1.4％主要牌號：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。特點：價格便宜、切削性能好。淬火后有較高硬度和耐磨性，淬透性低，淬火時必須急冷，變形開裂傾向大、回火穩(wěn)定性差，紅硬性低（<250°C）適用范圍：尺寸小、形狀簡單、負荷小、冷作模具。

②合金工具鋼

⑴低合金工具鋼：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMO含合金量：總量為1％-3％特點：淬透性和淬硬性均較好。耐磨性，紅硬性較高?；鼗鸱€(wěn)定性好，熱處理變形小?！rWMn鋼：（各種中小型冷作模具）鎢形成的碳化物硬度很高，鎢能細化晶粒，提高韌性。淬火后殘留奧氏體較多，故變形小。

·9Mn2V鋼：（沖裁模、彎曲模）

釩（V）的加入能顯著細化晶粒和提高韌性。錳的含量一般控制在<2％。·9SiCr鋼：（搓絲板、滾絲模）250°C回火時有回火脆性。較高的淬硬性和較好的回火穩(wěn)定性。淬透性優(yōu)于9Mn2V?！Cr15鋼：常用的軸承鋼，具有較高的淬透性和耐磨性。鉻的加入有利于提高淬透性、細化碳化物并使其分布均勻。5CrMnMO

鋼：（彎曲熱態(tài)模、切邊模）5CrNiMo中碳低合金鋼，典型熱作模具鋼。強度高，韌性好。淬透性好，抗回火性好，導(dǎo)熱性和耐熱疲勞性好，耐磨性好。⑵高合金工具鋼：

·Cr12型鋼：包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金鋼、工具鋼、萊氏體鋼淬透性高、淬火硬度極高、熱變形小。Cr12鋼的含碳量較Cr12MoV高，碳化物多但分布不均勻性嚴(yán)重。Cr12鋼的強度和韌性比Cr12MoV低。D2鋼是近年用來替代Cr12MoV鋼的新鋼種。

D2鋼的碳化物數(shù)量增多顆粒較細。CCrWV3Cr2W8V

0.3-0.4％

2.2-2.7％

7.5-9％

0.2-0.5％

H13

0.38％C

1.0％Si

5.3％Cr

1.3％Mo

0.9％

·3Cr2W8V鋼和和H13鋼（（4Cr5MoV1Si））、、H11鋼（（4Cr5MoVSi））鎢系系低低碳碳高高合合金金鋼鋼。。H13鋼除除強強度度略略低低于于3Cr2W8V鋼外外，，其其它它力力學(xué)學(xué)性性能能均均優(yōu)優(yōu)于于3Cr2W8V鋼，，是是其其替替代代鋼鋼種種。。較較好好的的氮氮化化性性能能。。較小小的的熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)，，較較好好的的耐耐磨磨性性和和紅紅硬硬性性，，良良好好的的導(dǎo)導(dǎo)熱熱性性。。熱熱處處理理變變形形小小、、但但高高溫溫韌韌性性差差。?！?Cr3MoW2V鋼：：代代號號HM1適合合于于急急冷冷急急熱熱條條件件下下工工作作。?！?Cr4W5Mo2V鋼：：代代號號RM2·4Cr3Mo3W4VNb鋼：：代代號號GR高溫溫性性能能良良好好，，熱熱作作模模具具鋼鋼。?！?Cr2MnWMoVS鋼：：適用用于于精精密密塑塑料料模模。。空空冷冷微微變變形形，，易易切切削削。。調(diào)調(diào)質(zhì)質(zhì)狀狀態(tài)態(tài)硬硬度度HRC40-50。。調(diào)質(zhì)后切削削即可直接接適用，不不存在熱處處理變形。?！?CrSiMnMoV鋼：高強度和韌韌性好，焊焊接性能好好。適合于于制造結(jié)構(gòu)構(gòu)形狀復(fù)雜雜的模具零零件。⑶高速鋼鎢系高速鋼鋼（W18Cr4V）鉬系高速鋼鋼（W6Mo5Cr4V2鋼）在高溫（600°C）下仍保持高高強度、高高硬度、高高耐磨性和和好的韌性性。鋼中含碳量量為0.7-0.9％，合金金元素含量量超過15％，屬萊萊氏體鋼。。高淬透性，，空冷即可可淬硬。高速鋼含有有大量粗大大碳化物，，且分布不不均勻，不不能用熱處處理方法消消除之。必必須反復(fù)十十字鐓拔以以打碎粗大大碳化物，，并使其分分布均勻。需經(jīng)多次回回火，從而而使大量殘殘余奧氏體體大部分轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)為馬氏體體，并使馬馬氏體析出出彌散碳化化物。（300°C左右為回火火脆性區(qū)））⑷硬質(zhì)合金金和鋼結(jié)硬硬質(zhì)合金①硬質(zhì)合金以難熔的金金屬碳化物物（WC、TiC等）作硬質(zhì)質(zhì)相，以鐵鐵族金屬（（Co或Ni）為粘結(jié)相，，用粉末冶冶金方法生生產(chǎn)的一種種多相組合合材料。鎢鈷（YG）：強度、韌性性較高，多多用于制造造模具。鎢鈷鈦（YT）：較高的紅硬硬性和抗氧氧性。萬能硬質(zhì)合合金（YW）：高強度、高高硬度。（成分、性性能可見P244表4-2））②鋼結(jié)結(jié)硬質(zhì)質(zhì)合金金以合金金鋼為為基本本，金金屬碳碳化物物（TiCiWC））作硬質(zhì)質(zhì)相，，用粉粉末冶冶金方方法生生產(chǎn)的的一種種新型型模具具材料料。它它是在在具有有一定定強度度和硬硬度的的合金金鋼基基體上上，彌彌散分分布許許多細細小硬硬質(zhì)顆顆粒。。特點：：ⅰ.具具有鋼鋼的可可鍛性性、可可機加加工性性、可可熱處處理等等性能能，熱熱處理理變形形極小小。ⅱ.淬淬火后后具有有硬質(zhì)質(zhì)合金金的硬硬度和和剛性性。兩大類類:ⅰ.碳碳化鈦鈦（TiC）作硬質(zhì)質(zhì)相；；ⅱ.碳碳化鎢鎢（WC））作硬質(zhì)質(zhì)相。。許多性性能因因基體體（粘粘結(jié)劑劑）種種類不不同而而不同同可作作硬質(zhì)質(zhì)合金金基體體的有有鉻鉬鉬鋼、、不銹銹鋼、、高速速鋼等等。（性能能和一一般化化學(xué)成成分見見P245表A-3和表A-4））二.模具具鋼材的的選用模具鋼材材的選用用及其鍛鍛造或熱熱處理是是模具制制造技術(shù)術(shù)中的關(guān)關(guān)鍵之一一。對提提高模具具質(zhì)量和和延長模模具壽命命有很大大的影響響。選用模具具材料時時，需要要綜合考考慮模具具的工作作條件、、性能要要求、形形狀和尺尺寸、結(jié)結(jié)構(gòu)特點點等。對對模具材材料的性性能要求求有時會會遇到矛矛盾，則則需適當(dāng)當(dāng)取舍、、協(xié)調(diào)平平衡解決決。1.模模具材材料的的一般般要求求包括力力學(xué)性性能、、高溫溫性能能、表表面性性能、、工藝藝性能能、經(jīng)經(jīng)濟性性等。。力學(xué)性性能：：硬度度、強強度、、韌性性高溫性性能：：高溫溫強度度、抗抗氧化化性、、耐熱熱疲勞勞性、、回火火穩(wěn)定定性、、熱膨膨脹系系數(shù)小小表面性性能：：耐磨磨性、、耐蝕蝕性工藝性性能：：切削削加工工性、、電加加工性性、拋拋光性性、可可鍛性性、淬淬透性性、熱熱處理理性能能、可可焊性性經(jīng)濟性性：資資源條條件、、市場場供應(yīng)應(yīng)情況況、價價格各種模模具工工作條條件不不同，，對材材料性性能要要求也也就各各有差差異。。如：：冷沖壓壓模：：高強強度、、高硬硬度。。冷擠壓壓模：：高強強度（（抗壓壓、斷斷裂、、疲勞勞強度度）、、高韌韌性、、高硬硬度。。熱鍛模模：高高溫強強度、、硬度度、耐耐蝕性性、高高溫回回火穩(wěn)穩(wěn)定性性、抗抗高溫溫氧化化性、、耐熱熱疲勞勞性、、熱膨膨脹系系數(shù)小小、導(dǎo)導(dǎo)熱性性高。。塑料模：：較高的的強度和和硬度、、較高的的耐蝕性性、良好好的電加加工性、、良好的的拋光性性、較高高的導(dǎo)熱熱性、可可焊性、、切削加加工性。。橡膠模：：耐蝕性性、耐熱熱性、可可拋光性性、一定定強度和和硬度。。陶瓷模：：高硬度度、耐熱熱性、可可拋光性性、一定定強度和和韌性。。玻璃模：：耐熱性性、耐蝕蝕性、耐耐磨性、、導(dǎo)熱性性、一定定強度和和韌性。。表A-6常用模具具鋼的性性能特點點及用途途鋼材性能特點用途10、20易擠壓成形，滲碳及淬火后耐磨性稍高、熱處理變形大、淬透性低工作載荷不大、形狀簡單的冷擠模、陶瓷模45耐磨性差、韌性差、熱處理過熱傾向小、淬透性低、耐高溫性能差工作載荷不大，形狀簡單的型腔模、沖孔模、橡膠模及鋅合金壓鑄模等T10A、T12A耐磨性差、熱處理變形大，淬透性低工作載荷不大、形狀簡單的冷沖模、成形模T7A、T8A耐磨性稍好、熱處理變形大、淬透性低工作載荷不大、形狀簡單的冷沖模、成形模表A-6常用模具具鋼的性性能特點點及用途途（續(xù)））40Cr耐磨性差、韌性高、熱處理變形稍小、淬透性稍高、耐高溫性能差用于鋅合金壓鑄模9Mn2V、GCr15耐磨性較好、熱處理變形小、淬透性稍高工作載荷稍大、形狀簡單的冷沖模、膠木模CrWMn耐磨性好、熱處理變形小淬透性較高工作載荷較大、形狀較復(fù)雜的冷場模、成形模9CrSi耐磨性好、熱處理變形小淬透性較高用于沖頭、滾絲模60Si2A韌性好、熱處理變形較小、淬透性高用于標(biāo)準(zhǔn)件上的冷鐓模表A-6常用模具具鋼的性性能特點點及用途途（續(xù)））Cr12耐磨性好、韌性差、熱處理變形小、淬透性高、碳化物偏析嚴(yán)重工作載荷大、形狀復(fù)雜的高精度冷沖模Cr12MoV耐磨性好、熱處理變形小、淬透性高、碳化物偏析比Cr12小工作載荷大、形狀復(fù)雜的高精度冷沖模、冷擠模以及冷鐓模5CrMnMo、5CrNiMo韌性較高、熱處理變形較小、淬透性較好、回火穩(wěn)定性較高熱態(tài)下工作的熱鍛模、熱切邊模3Cr2W8V紅硬性高、熱處理變形小、淬透性好熱態(tài)下工作的熱擠模、熱沖模、壓鑄模W18Cr4V、W6MoCr4V紅硬性高、熱處理變形小、淬透性好工作載荷大的沖頭、冷擠模及熱態(tài)下工作的熱沖模2.模具具材料的的一般選選用原則則模具材料料，主要要是成型型零件和和工藝零零件的選選材，一一般在某某些方面面的性能能，要求求較高甚甚至很高高。這方方面的選選材對模模具質(zhì)量量、壽命命、加工工制造及及成本都都有很大大的影響響。一般原則則：①滿足使使用性能能要求。。主要從從工作條條件、模模具結(jié)構(gòu)構(gòu)、產(chǎn)品品形狀和和尺寸、、生產(chǎn)批批量等綜綜合考慮慮。形狀復(fù)雜雜、精度度高―――變形小小、導(dǎo)熱熱性好、、膨脹系系數(shù)小大負荷―――高強強度摩擦、磨磨損―――高硬度度沖擊負荷荷――高高韌性表面光潔潔――可可拋光性性②良好的的制造工工藝性能能。容易易制造、、容易精精修、便便于修改改。一般都要求求有良好的的切削加工工性、熱處處理特性。。尺寸性、形形狀復(fù)雜的的――較小小的淬火變變形傾向含有細小結(jié)結(jié)構(gòu)的―――電加工性性精度高的―――熱處理理變形小、、易磨削制品生產(chǎn)工工藝條件復(fù)復(fù)雜的―――易磨削、、可焊接。。③經(jīng)濟性（（制造成本本）：盡量考慮到到價格便宜宜、資源豐豐富、供應(yīng)應(yīng)方便。4.塑料模模的材料選選用在我國，塑塑料模具用用鋼至今還還未形成專專用鋼材系系列，通常常采用一般般工具鋼。。如T10A、、CrWMn、Cr12MoV鋼等。這些些鋼切削加加工性較差差，難以制制造型腔復(fù)復(fù)雜的塑料料模具，而而且一旦熱熱處理變形形超差則難難以修復(fù)。。為了適應(yīng)塑塑料模日益益發(fā)展的需需要。常參參考國外塑塑料模具用用鋼并結(jié)合合我國的具具體條件進進行選用。。塑料模的鋼鋼材選用原原則是①足夠的強度度和硬度；；②良好的切削削加工性；；③良好的拋光光性；④良好的電加加工性；⑤良好的耐腐腐蝕性；⑥良好的淬透透性；⑦良好的照相相腐蝕加工工性；⑧良好的焊接接性能；⑨熱處理變形形小、熱膨膨脹系數(shù)小?。虎獗砻鏌釤崽幚硇阅苣芎?。如：形狀簡單―――選用45、40Cr、T10A、低熔點合金金、鋅基合合金。形狀復(fù)雜―――選用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）鋅基合金、、鈹銅合金金等。精度高、壽壽命長、表表面粗糙度度很低――可選選用進口口鋼材：：＜美＞＞P6、P20、、PPT；＜日＞HPM1、YAG；＜＜瑞＞S136(H)§2模模具熱處處理熱處理的的目的：：有目的的地改變變鋼材的的內(nèi)部組組織結(jié)構(gòu)構(gòu)，從而而使機械械性能、、力學(xué)性性能、加加工性能能等達到到特定的的要求。。熱處理三三階段：：①加熱：以以一定加加熱速度度使工件件達到特特定溫度度；②保溫：使使工件內(nèi)內(nèi)外溫度度均勻；；③冷卻：：工件置置于適當(dāng)當(dāng)?shù)睦鋮s卻劑中，，以一定定冷卻速速度降到到特定溫溫度。常用工藝藝方法：：｛退火、正火、淬火、回火｝①退火：將將工件加加熱到臨臨界點以以上某一一溫度然然后保溫溫一段時時間，再再隨爐極極緩慢冷冷卻；作用：可可以得到到穩(wěn)定的的結(jié)構(gòu)，，清除鍛鍛造應(yīng)力力和加工工硬化，，為最終終熱處理理做好組組織準(zhǔn)備備（組織織均勻））。退火＝｛｛完全退退火（再再結(jié)晶退退火）、、球化退退火、擴擴散退火火、消應(yīng)應(yīng)力退火火、低溫溫退火｝｝②正火：：加熱至Ac3或Accm以上30-50°C,然后在空空氣中冷冷卻。作用：可可消除冷冷作、鍛鍛造或急急冷時產(chǎn)產(chǎn)生的內(nèi)內(nèi)應(yīng)力。。對含C低于0.45％％的碳鋼鋼，可用用正火代代替退火火。退火、正正火工序序的溫度度區(qū)域：：③淬火：：加熱至淬淬火溫度度以上某某一溫度度后保溫溫一段時時間，然然后將工工件置入入冷卻介介質(zhì)（水水、油、、鹽液））中，以以極快的的速度進進行冷卻卻而獲得得馬氏體體組織。。·冷卻速速度大于于臨界速速度。淬火易出出現(xiàn)：·產(chǎn)生組組織應(yīng)力力和熱應(yīng)應(yīng)力·淬裂或或變形·體積增增大且在在各方向向上不均均勻淬火作用用：提高高硬度、、耐磨性性、其它它力學(xué)性性能。④回火：：加熱至A1以下某一一溫度保保溫一段段時間，，然后進進行冷卻卻。作用：消消淬火應(yīng)應(yīng)力，改改變淬火火組織，，適當(dāng)改改善強度度和韌性性。｛滲碳體體（Fe3C）、碳溶解于于α鐵中中形形成成固固溶溶體體叫叫奧奧氏氏體體（（用用A表示示））、、碳碳溶溶解解于于α鐵中中形形成成鐵鐵素素體體｝｝§3模模具具表表面面強強化化處處理理物理理表表面面處處理理法法：：高頻頻淬淬火火、、火火焰焰淬淬火火、、激激光光熱熱處處理理、、加加工工硬硬化化化學(xué)學(xué)表表面面處處理理法法：：滲滲碳碳、、滲滲氮氮、、低低溫溫氮氮碳碳共共滲滲、、滲滲硫硫、、滲滲金金屬屬、、碳碳化化物物鹽鹽浴浴涂涂覆覆覆層層表表面面處處理理法法：：電鍍鍍、、化化學(xué)學(xué)氣氣相相沉沉積積、、真真空空鍍鍍膜膜、、離離子子噴噴鍍鍍、、噴噴鍍鍍、、熱熱噴噴涂涂、、表表面面合合金金化化改變變表表層層的的成成分分、、組組織織、、性性能能，，與與適適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、、耐耐蝕蝕、、耐耐熱熱、、抗抗咬咬合合、、低低摩摩擦擦系系數(shù)數(shù)等等特特殊殊性性能能。。二.模模具具表表面面強強化化處處理理工工藝藝特特點點及及應(yīng)應(yīng)用用（一一））模模具具滲滲氮氮1.滲滲氮氮處處理理的的特特點點模具具滲滲氮氮后后的的性性能能特特點點①表表面面硬硬度度高高②具具有有較較高高的的紅紅硬硬性性③顯顯著著提提高高疲疲勞勞強強度度④提提高高模模具具耐耐蝕蝕性性⑤滲滲氮氮處處理理溫溫度度低低，，模模具具氮氮化化后后變變形形極極小?、藿到档偷土肆四Ｄ＞呔弑肀砻婷娲执植诓诙榷龋?，提提高高了了抗抗咬咬合合能能力力2.模模具具的的滲滲氮氮方方法法有有氣氣體體滲滲氮氮、、氣氣體體低低溫溫氮氮碳碳共共滲滲和和離離子子滲滲氮氮.⑴氣氣體體滲滲氮氮①基基本本原原理理氣氣體體滲滲氮氮與與滲滲碳碳相相似似，，由由3個個基基本本過過程程組組成成：：活活性性原原子子的的產(chǎn)產(chǎn)生生，，零零件件表表面面對對活活性性原原子子的的吸吸收收，，活活性性原原子子自自模模具具表表面面向向內(nèi)內(nèi)部部擴擴散散。。②工工藝藝參參數(shù)數(shù)滲滲氮氮的的主主要要工工藝藝參參數(shù)數(shù)是是滲滲氮氮溫溫度度、、滲滲氮氮時時間間和和氨氨分分解解率率。。⑵氣氣體體低低溫溫氮氮碳碳共共滲滲①常常用用方方法法：：a.尿素素氣氣體體低低溫溫氮氮碳碳共共滲滲b.有機機液液體體滴滴注注式式氣氣體體低低溫溫氮氮碳碳共共滲滲c.氨加加熱熱式式氣氣體體低低溫溫氮氮碳碳共共滲滲②氣氣體體低低溫溫氮氮碳碳共共滲滲工工藝藝在氮氮碳碳共共滲滲前前應(yīng)應(yīng)對對模模具具進進行行脫脫脂脂、、除除銹銹、、清清洗洗、、防防滲滲表表面面的的保保護護等等預(yù)預(yù)處處理理工工作作。。⑶離離子子滲滲氮氮（二二））模模具具滲滲硼硼、、滲滲鉻鉻1.滲滲硼滲硼方方法有有固體體滲硼硼、氣氣體滲滲硼、、鹽浴浴滲硼硼。國國內(nèi)應(yīng)應(yīng)用較較多的的是鹽鹽浴滲滲硼和和固體體滲硼硼。滲硼前前后的的熱處處理：：模具滲滲硼前前應(yīng)進進行精精加工工和消消除應(yīng)應(yīng)力處處理，，以避避免滲滲層不不均和和滲后后變形形，并并要對對模具具表面面進行行清洗洗。對于模模具心心部要要求不不高的的，滲滲硼后后空冷冷即可可，對對要求求內(nèi)部部有足足夠強強度的的，滲滲硼后后要進進行淬淬火，，回火火處理理。2.滲滲鉻滲鉻的的方法法很多多，分分為固固體、、液體體和氣氣體滲滲鉻，，常用用的有有粉末末滲鉻鉻和真真空密密封滲滲鉻。。模具滲滲鉻的的應(yīng)用用：滲鉻對對在熱熱態(tài)工工作或或承受受強烈烈磨損損的模模具有有顯著著效果