第一章模具材料概论

第一章 模具材料概论模具技术在提高产品质量、降低成本、提高生产率和材料利用率方面有其特有的优势。1959年，冶金部标准 YB7-19591977年，第一个合金工具钢标准 GB1299-19771985年，颁发了 GB/T1299-1985第一节 模具及模具材料的分类一、模具的分类（ 1）冷作模具 冷冲裁模具和冷变形模具冷冲裁模具：薄、厚板冷冲裁模具冷变形模具：冷挤压模具、冷墩模具、冷拉伸模具、冷弯曲模具、冷拉拔模具。 （ 2）热作模具 热冲切模具、热变形模具和热压铸模具热冲切模具：热切边和热切料模具热变形模具：锤锻模具、压力机锻模具和热挤压模具热压铸模具：锌合金、铝合金、镁合金、铜合金及黑色金属压铸模具 （ 3）型腔模具 塑料模具、橡胶模具、陶瓷模具、玻璃模具、粉末冶金模具等 二、模具材料的分类钢铁材料、非铁金属和非金属材料钢铁材料：模具钢（冷作模具钢、热作模具钢、橡塑模具钢）非铁材料：铜基合金、低熔点合金、高熔点合金、难熔合金、硬质合金、刚结硬质合金等非金属材料：陶瓷、橡胶、塑料等 第二节 模具的失效形式及影响因素模具失效：模具失去正常工作能力。含正常失效、早期失效。模具失效的含义不仅仅是指破坏或断裂影响因数：模具设计、加工制造、材料选择、热处理工艺、 表面工程、使用和维护等一、模具失效的形式 形式：磨损、断裂、局部崩块、腐蚀、疲劳和变形等。（ 1）断裂失效：脆性断裂和韧性断裂。起因：安装、操作、模具设计、材质、热处理等脆性断裂：断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形（小于 2 5）的断裂。脆性断裂包括一次性断裂和疲劳断裂两种。 （ 2）磨损失效：冷作模具（咬合和磨料磨损）；热作模具（热磨损）磨料磨损：外来硬质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象。咬合磨损过程如下： 1)微凸体开始接触，在接触峰顶产生弹 塑性变形；2)微凸体接触点产生粘着，并形成粘结点；3)粘结点附近产生裂纹；4)粘结点在裂纹处被剪切，使微凸体分离；5)微凸体附近弹性恢复，一个粘着磨损过程完结。影响因素： 1 表面压力 2 材料性质 3 材料硬度热磨损：气蚀磨损金属表面的气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象叫气蚀磨损。当模具表面与液体接触作相对运动时，在液体与模具接触处的局部压力比其蒸发压力低的情况下，将形成气泡。同时溶解在液体中的气体也可能析出形成气泡。如果这些气泡流到高压区，当承受压力超过气泡内压力时，气泡便会破裂，在瞬间产生极大的冲击力和高温，作用于模具局部表面上。在这种气泡的形成和破裂的反复作用下，模具浅表面将萌生疲劳裂纹，最后扩展至表面，局部金属脱离表面或气化，形成泡沫海绵状空穴。注塑模，压铸模易发生气蚀磨损。 （ 3）疲劳失效：冷作模具（应力疲劳失效）；热作模具（热疲劳失效）承受交变应力或重复应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下，仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形的预兆，很难事先觉察到，故具有很大的危险性。产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于在零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部位，例如原有裂纹、软点、脱碳、夹杂、刀痕等缺陷处，在交变或重复应力的反复作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力的循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，最后当减小到不能承受外加载荷的作用时，零件即发生突然断裂。因此，疲劳断口是由以裂纹 (疲劳源 )为中心逐渐向内扩展的若干弧线的光亮区 (贝壳状 )和最后断裂的粗糙区 (结晶状或纤维状 )所组成的，如图所示。（ 4）变形失效：工作零件出现镦粗、下陷、弯曲、软化、塌陷等 （ 5）腐蚀失效：冲蚀（热压铸模具）；介质腐蚀（塑料模具 F、 CL）冲蚀磨损：液体和固体微小颗粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象叫冲蚀磨损 (图 310) 。 介质腐蚀：当一对摩擦副在一定的环境中发生摩擦时，在摩擦面上便产生与环境介质的反应，并形成反应物，这是腐蚀磨损的第一阶段，表面反应物在其后的两摩擦副的相对运动中被磨掉，这是腐蚀磨损的第二阶段。一旦反应物被磨掉，就暴露出来了未反应表面，就又开始了腐蚀磨损的第一阶段 (图 311)。 二、影响模具失效的因素不同类型的模具，失效形式不同；同一类型的模具，失效形式也是变化的（ 1）模具结构：含模具零件几何形状、间隙、长径比、端面倾斜角、过渡圆角、冷却水路、装配结构等（应力集中和高温）（ 2）模具材料满足塑性、韧性、强度、硬度、抗疲劳等要求。冶金质量、夹杂物、碳化物（形状、尺寸及分布）（ 3）热处理及加工制造工艺淬火温度过高 过烧，晶粒粗大，韧性下降，崩刀或断裂冷却过快 裂纹加工制造工艺 锻造工艺、加工方法等第三节 模具材料与模具寿命一、模具材料与模具寿命新型橡塑模具钢、冷作模具钢、热作模具钢不断被开发出来，应了解并尽可能选用。 先进冶金生产技术可以显著提高冶金质量和模具寿命1 电渣重熔待重熔的钢液无需铸成钢锭，用一些小直径电极插入钢液中。在电渣重熔的过程中，这些小电极会慢慢地变成液态熔渣。通过熔渣使某些非金属杂质，尤其是硫的凝聚和排出得到控制。结晶从底部向顶部稳定，有序地进行。由于处于液态钢水的数量总是很少，所以结晶相应地发生很快。结果是这种方法生产的钢材与常规方法相比，微观偏析更小，碳化物分布更加均匀。电渣重熔法有如下优点：* 更少宏观偏析* 结构和成分均匀，各相同性* 非金属杂质更少，尤其是硫2 真空电弧重熔从名称中可以看出，在这个过程中电极在真空环境中熔化。可以在重熔时脱气 防止形成氧化物。氢和微量元素的含量保持最低，（来不及逸出的氢以分子状态存在于钢组织的缺陷处，在局部可造成数千个大气压的巨大压力。当这个压力超过钢的强度极限时，就会使钢在该处产生发裂。发裂在钢的横断面表现为细长的发丝状裂纹，在钢的纵断面上呈圆形或椭圆形银白色的斑点，故称为白点；白点使钢变脆的现象称为 “氢脆 ”。）熔炼速度比电渣重熔还慢，即任何时候处于熔化状态的金属都比较少。这就意味着与电渣重熔过程相比，固化时间更快，偏析更小。 VAR的优点是：* 气体含量最少* 微量元素含量减少* 偏析更小，尤其是大截面* 化学成分控制精确VAR脱硫不如 ESR充分。所以要在二次冶金时进行特殊脱硫处理作为补偿。ESR和 VAR之后，都需要进行一种特殊的热处理来减少残余的微观偏析。 二 、锻造与模具寿命锻造的两个目的：使钢材达到模具毛坯的尺寸及规格；改善模具钢的组织和性能。碳化物不均匀度检验严格执行锻造工艺三、热处理与模具寿命预备热处理：组织准备最终热处理：淬火加热温度、速度；加热保护；回火工艺；深冷处理 第四节 模具材料的选用原则总的原则：根据模具加工能力和服役条件，结合材料性能和其他因素（工艺性能和生产成本等）。一、模具材料的使用性能使用性能主要包括：硬度、强度、塑性、韧性等 拉伸图与应力 应变图 拉力试样进行拉伸试验时，随着载荷的逐渐增加，试样的伸长量也逐渐增加，随时记录载荷与伸长量的数值，直至试样被拉断为止。然后将记录的数值绘在以载荷为纵坐标、伸长量为横坐标的图上，连接各点所得的曲线即为拉伸曲线，该图称为拉伸图。图为低碳钢的拉伸图。由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，其载荷与变形关系有以下几个阶段。 当载荷不超过 PP时，拉伸曲线 op为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比地增加， 如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，故完全符合虎克定律，试样属于弹性变形阶段。 PP是能符合虎克定律的最大载荷。当载荷超过 PP后，拉伸曲线开始偏离直线，即试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍能恢复到原来的尺寸，故仍属于弹性变形阶段。 Pe是试样发生完全弹性变形的最大载荷。当载荷超过 Pe后，试样将进一步伸长，但此时若去除载荷，弹性变形消失，而另一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的尺寸，这种不能恢复的变形称为塑性变形或永久变形。 由图可见，当载荷达到 Ps时，拉伸曲线出现了水平的或锯齿形的线段，这表明在载荷基本不变的情况下，试样却继续变形，这种现象称为 “ 屈服 ” 。引起试样屈服的载荷称为屈服载荷。 当载荷超过 Ps后，试样的伸长量与载荷又将成曲线关系上升，但曲线的斜率比 op段的斜率小，即载荷的增加量不大，而试样的伸长量却很大，这表明在载荷超过 Ps后，试样已开始产生大量的塑性变形。当载荷继续增加到某一最大值 Pb时，试样的局部截面缩小，产生所谓 “颈缩 ”现象。由于试样局部截面的逐渐减小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上 k点时，试样随即断裂， Pk为试样断裂时的载荷。金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 冲击试验原理： 一次冲击弯曲试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的。试验时将带有缺口的试样放在试验机两支座上 (如图附 10所示 )，将质量为 G的摆锤抬到 H高度 (如图附 11所示 )，使摆锤具有位能 GHg(g为重力加速度 )。然后让摆锤由此高度下落将试样冲断。（ 1） 硬度和热硬性 在应力作用下，保持形状和尺寸不变的性能；（ 2）耐磨性 在强烈摩擦下，保持精度不变的性能（ 3）强度和韧性 抵抗拉压、冲击、震动、扭转和弯曲等的