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（普通碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼、碳素工具鋼）合金鋼（合金結構鋼、合金工具鋼、不銹鋼）牌號普通碳素結構鋼的牌號用其屈服強度表示，即“Q×××”。如Q235（相當于舊牌號A3）。優(yōu)質碳素結構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：結構鋼用萬分率，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％時可不標出。合金元素含量1.5％-2.5％標為“2”，>2.5％-3.5％標“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。回火穩(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H13鋼（4Cr5MoV1Si）、H11鋼（4Cr5MoVSi））鎢系低碳高高合金鋼。。H13鋼除強度略略低于3Cr2W8V鋼外，其它它力學性能能均優(yōu)于3Cr2W8V鋼，是其替替代鋼種。。較好的氮氮化性能。。較小的熱膨膨脹系數(shù)，，較好的耐耐磨性和紅紅硬性，良良好的導熱熱性。熱處處理變形小小、但高溫溫韌性差。?！?Cr3MoW2V鋼：代號HM1適合于急冷冷急熱條件件下工作。?！?Cr4W5Mo2V鋼：代號RM2·4Cr3Mo3W4VNb鋼：代號GR高溫性能良良好，熱作作模具鋼。?！?Cr2MnWMoVS鋼：適用于精密密塑料模。?？绽湮⒆冏冃?，易切切削。調質質狀態(tài)硬度度HRC40-50。。調質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。適合于于制造結構構形狀復雜雜的模具零零件。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。需經多次次回火，，從而使使大量殘殘余奧氏氏體大部部分轉為為馬氏體體，并使使馬氏體體析出彌彌散碳化化物。（（300°C左右為回回火脆性性區(qū)）⑷硬質合合金和鋼鋼結硬質質合金①硬質合金金以難熔的的金屬碳碳化物（（WC、TiC等）作硬硬質相，，以鐵族族金屬（（Co或Ni）為粘結相相，用粉粉末冶金金方法生生產的一一種多相相組合材材料。鎢鈷（YG）：：強度、韌韌性較高高，多用用于制造造模具。。鎢鈷鈦（（YT）：：較高的紅紅硬性和和抗氧性性。萬能硬質質合金（（YW）：：高強度、、高硬度度。（成分、、性能可可見P244表4-2）②鋼結硬硬質合金金以合金鋼鋼為基本本，金屬屬碳化物物（TiCiWC））作硬質相相，用粉粉末冶金金方法生生產的一一種新型型模具材材料。它它是在具具有一定定強度和和硬度的的合金鋼鋼基體上上，彌散散分布許許多細小小硬質顆顆粒。特點：ⅰ.具有有鋼的可可鍛性、、可機加加工性、、可熱處處理等性性能，熱熱處理變變形極小小。ⅱ.淬火火后具有有硬質合合金的硬硬度和剛剛性。兩大大類類:ⅰ.碳碳化化鈦鈦（（TiC））作硬硬質質相相；；ⅱ.碳碳化化鎢鎢（（WC））作硬硬質質相相。。許多多性性能能因因基基體體（（粘粘結結劑劑））種種類類不不同同而而不不同同可可作作硬硬質質合合金金基基體體的的有有鉻鉻鉬鉬鋼鋼、、不不銹銹鋼鋼、、高高速速鋼鋼等等。。（性能能和一一般化化學成成分見見P245表A-3和表A-4）二.模模具鋼鋼材的的選用用模具鋼鋼材的的選用用及其其鍛造造或熱熱處理理是模模具制制造技技術中中的關關鍵之之一。。對提提高模模具質質量和和延長長模具具壽命命有很很大的的影響響。選用模模具材材料時時，需需要綜綜合考考慮模模具的的工作作條件件、性性能要要求、、形狀狀和尺尺寸、、結構構特點點等。。對模模具材材料的的性能能要求求有時時會遇遇到矛矛盾，，則需需適當當取舍舍、協(xié)協(xié)調平平衡解解決。。1.模模具材材料的的一般般要求求包括力力學性性能、、高溫溫性能能、表表面性性能、、工藝藝性能能、經經濟性性等。。力學性性能：：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、可可焊性性經濟性性：資資源條條件、、市場場供應應情況況、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、導導熱性性高。。塑料模模：較較高的的強度度和硬硬度、、較高高的耐耐蝕性性、良良好的的電加加工性性、良良好的的拋光光性、、較高高的導導熱性性、可可焊性性、切切削加加工性性。橡膠模模：耐耐蝕性性、耐耐熱性性、可可拋光光性、、一定定強度度和硬硬度。。陶瓷模模：高高硬度度、耐耐熱性性、可可拋光光性、、一定定強度度和韌韌性。。玻璃模模：耐耐熱性性、耐耐蝕性性、耐耐磨性性、導導熱性性、一一定強強度和和韌性性。表A-6常用模模具鋼鋼的性性能特特點及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常用模模具鋼鋼的性性能特特點及及用途途（續(xù)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、淬透性高用于標準件上的冷鐓模表A-6常用模模具鋼鋼的性性能特特點及及用途途（續(xù)續(xù)）Cr12耐磨性好、韌性差、熱處理變形小、淬透性高、碳化物偏析嚴重工作載荷大、形狀復雜的高精度冷沖模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.模模具材材料的的一般般選用用原則則模具材材料，，主要要是成成型零零件和和工藝藝零件件的選選材，，一般般在某某些方方面的的性能能，要要求較較高甚甚至很很高。。這方方面的的選材材對模模具質質量、、壽命命、加加工制制造及及成本本都有有很大大的影影響。。一般原原則：：①滿足足使用用性能能要求求。主主要從從工作作條件件、模模具結結構、、產品品形狀狀和尺尺寸、、生產產批量量等綜綜合考考慮。。形狀復復雜、、精度度高―――變變形小小、導導熱性性好、、膨脹脹系數(shù)數(shù)小大負荷荷―――高強強度摩擦、、磨損損―――高硬硬度沖擊負負荷―――高高韌性性表面光光潔―――可可拋光光性②良好好的制制造工工藝性性能。。容易易制造造、容容易精精修、、便于于修改改。一般都都要求求有良良好的的切削削加工工性、、熱處處理特特性。。尺寸性性、形形狀復復雜的的―――較小小的淬淬火變變形傾傾向含有細小結結構的―――電加工性性精度高的―――熱處理理變形小、、易磨削制品生產工工藝條件復復雜的―――易磨削、、可焊接。。③經濟性（（制造成本本）：盡量考慮到到價格便宜宜、資源豐豐富、供應應方便。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，難以制制造型腔復復雜的塑料料模具，而而且一旦熱熱處理變形形超差則難難以修復。。為了適應塑塑料模日益益發(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??；⑩表面熱熱處理性能能好。如：形狀簡單―――選用45、40Cr、T10A、低熔點合金金、鋅基合合金。形狀復雜―――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――可選用用進口鋼材材：＜美＞＞P6、P20、PPT；＜日＞HPM1、、YAG；；＜瑞＞S136(H)§2模具具熱處理熱處理的目目的：有目目的地改變變鋼材的內內部組織結結構，從而而使機械性性能、力學學性能、加加工性能等等達到特定定的要求。。熱處理三階階段：①加熱：以一一定加熱速速度使工件件達到特定定溫度；②保溫：使工工件內外溫溫度均勻；；③冷卻：工工件置于適適當?shù)睦鋮s卻劑中，以以一定冷卻卻速度降到到特定溫度度。常用工藝方方法：｛退火、正火、淬火、回火｝①退火：將工工件加熱到到臨界點以以上某一溫溫度然后保保溫一段時時間，再隨隨爐極緩慢慢冷卻；作用：可以以得到穩(wěn)定定的結構，，清除鍛造造應力和加加工硬化，，為最終熱熱處理做好好組織準備備（組織均均勻）。退火＝｛完完全退火（（再結晶退退火）、球球化退火、、擴散退火火、消應力力退火、低低溫退火｝｝②正火：加熱至Ac3或Accm以上30-50°C,然后在空氣氣中冷卻。。作用：可消消除冷作、、鍛造或急急冷時產生生的內應力力。對含C低于0.45％的碳碳鋼，可用用正火代替替退火。退火、正火火工序的溫溫度區(qū)域：：③淬火：加熱至淬火火溫度以上上某一溫度度后保溫一一段時間，，然后將工工件置入冷冷卻介質（（水、油、、鹽液）中中，以極快快的速度進進行冷卻而而獲得馬氏氏體組織。。·冷卻速度度大于臨界界速度。淬火易出現(xiàn)現(xiàn)：·產生組織織應力和熱熱應力·淬裂或變變形·體積增大大且在各方方向上不均均勻淬火作用：：提高硬度度、耐磨性性、其它力力學性能。。④回火：加熱至A1以下某一溫溫度保溫一一段時間，，然后進行行冷卻。作用：消淬淬火應力，，改變淬火火組織，適適當改善強強度和韌性性。｛滲碳體（（Fe3C）、碳溶解于α鐵中形成固固溶體叫奧奧氏體（用用A表示）、碳碳溶解于α鐵中形成鐵鐵素體｝§3模具表表面強化處處理物理表面處處理法：高頻淬火、、火焰淬火火、激光熱熱處理、加加工硬化化學表面處處理法：滲滲碳、滲氮氮、低溫氮氮碳共滲、、滲硫、滲滲金屬、碳碳化物鹽浴浴涂覆覆層表面處處理法：電鍍、化學學氣相沉積積、真空鍍鍍膜、離子子噴鍍、噴噴鍍、熱噴噴涂、表面面合金化改變表層的的成分、組組織、性能能，與適宜宜的心部性性能相配合合，提高硬硬度、耐蝕蝕、耐熱、、抗咬合、、低摩擦系系數(shù)等特殊殊性能。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應用用（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產生生，，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內部部擴擴散散。。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常用方方法：a.尿素氣體體低溫氮氮碳共滲滲b.有機液體體滴注式式氣體低低溫氮碳碳共滲c.氨加熱式式氣體低低溫氮碳碳共滲②氣體低低溫氮碳碳共滲工工藝在氮碳共共滲前應應對模具具進行脫脫脂、除除銹、清清洗、防防滲表面面的保護護等預處處理工作作。⑶離子滲滲氮（二）模模具滲硼硼、滲鉻鉻1.滲硼硼滲硼方法法有固體體滲硼、、氣體滲滲硼、鹽鹽浴滲硼硼。國內內應用較較多的是是鹽浴滲滲硼和固固體滲硼硼。滲硼前后后的熱處處理：模具滲硼硼前應進進行精加加工和消消除應力力處理，，以避免免滲層不不均和滲滲后變形形，并要要對模具具表面進進行清洗洗。對于模具具心部要要求不高高的，滲滲硼后空空冷即可可，對要要求內部部有足夠夠強度的的，滲硼硼后要進進行淬火火，回火火處理。。2.滲鉻鉻滲鉻的方方法很多多，分為為固體、、液體和和氣體滲滲鉻，常常用的有有粉末滲滲鉻和真真空密封封滲鉻。。模具滲鉻鉻的應用用：滲鉻對在在熱態(tài)工工作或承承受強烈烈磨損的的模具有有顯著效效果，適適用于錘錘鍛模、、壓鍛模模、塑料料模、拉拉深模等等冷熱作作模具。。（三）鹽鹽浴涂覆覆（四）模模具表面面覆層處處理1.氣相相沉積碳