常用模具材料及热处理

1、第二章 常用模具材料及热处理v1 常用模具材料 v2 模具热处理v3 模具表面强化处理1常用模具材料v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。v钢：炭钢（普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢）v合金钢（合金结构钢、合金工具钢、不锈钢）牌号v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）。v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。v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 v“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

2、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。v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 v可用于制造模具的材料种类繁多，包括各种碳素工具钢、合金钢、硬质合金、铸铁、有色金属及合金、非金属材料等。v.碳素合金工具钢v含碳量：0.7-1.4v主要牌号：t7(a)、t8(a)、t10(a)、t12(a)。v特点：价格便宜、切削性能好。淬火后有较高硬度和耐磨性，淬透性低，淬火时必须急冷，变形开裂倾向大、回火稳定性差，红硬性低（250c）v适用范围：尺寸小、形状简单、负荷小、冷作模具。 合金工具钢

3、v低合金工具钢：crwmn、9mn2v、5crnimo、9sicr、gcr15、5crmnmov含合金量：总量为1-3v特点：淬透性和淬硬性均较好。耐磨性，红硬性较高。回火稳定性好，热处理变形小。vcrwmn钢：（各种中小型冷作模具）v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。 9mn2v钢：（冲裁模、弯曲模） v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。v9sicr钢：（搓丝板、滚丝模）v250c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：v常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。v铬的加入有

4、利于提高淬透性、细化碳化物并使其分布均匀。v5crmnmov 钢：（弯曲热态模、切边模）v5crnimov中碳低合金钢，典型热作模具钢。强度高，韧性好。v淬透性好，抗回火性好，导热性和耐热疲劳性好，耐磨性好。高合金工具钢： vcr12型钢：v包括cr12和cr12mov高碳高合金钢、工具钢、莱氏体钢v淬透性高、淬火硬度极高、热变形小。vcr12钢的含碳量较cr12mov高，碳化物多但分布不均匀性严重。vcr12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。ccrwv3cr2w8v 0.3-0.4 2.2-2.7 7.5-9 0.

5、2-0.5 h13 0.38c 1.0si 5.3cr 1.3mo 0.9 3cr2w8v钢和h13钢（4cr5mov1si）、h11钢（4cr5movsi）钨系低碳高合金钢。 vh13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。v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。 v5cr4w5mo2v钢：代号rm2v4cr3mo3w4vnb钢：代号grv高温性能良好，热作模具钢。8cr2mnwmovs钢： v适用于精密塑料模。空冷微变形，易切削

6、。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。v7crsimnmov钢：v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 v钨系高速钢（w18cr4v） 钼系高速钢（w6mo5cr4v2钢）v在高温（600c）下仍保持高强度、高硬度、高耐磨性和好的韧性。v钢中含碳量为0.7-0.9，合金元素含量超过15，属莱氏体钢。 v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。 v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。（3

7、00c左右为回火脆性区） 硬质合金和钢结硬质合金 硬质合金v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。v钨钴（yg）：强度、韧性较高，多用于制造模具。v钨钴钛（yt）：较高的红硬性和抗氧性。v万能硬质合金（yw）：高强度、高硬度。v（成分、性能可见p244表4-2） 钢结硬质合金 v以合金钢为基本，金属碳化物（ticiwc）作硬质相，用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料。它是在具有一定强度和硬度的合金钢基体上，弥散分布许多细小硬质颗粒。v特点：v.具有钢的可锻性、可机加工性、可热处理等性能，热处理变形极小。v.淬火后具

8、有硬质合金的硬度和刚性。两大类 :v.碳化钛（tic）作硬质相；v.碳化钨（wc）作硬质相。v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。v（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 v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。v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 v包括力学性能、高温性能、表面性能、工艺性能、经济性等。v力学性能：硬度、强

9、度、韧性v高温性能：高温强度、抗氧化性、耐热疲劳性、回火稳定性、热膨胀系数小v表面性能：耐磨性、耐蚀性 v工艺性能：切削加工性、电加工性、抛光性、可锻性、淬透性、热处理性能、可焊性v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： v冷冲压模：高强度、高硬度。v冷挤压模：高强度（抗压、断裂、疲劳强度）、高韧性、高硬度。v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。 v橡胶模：耐蚀性、耐热性、可

10、抛光性、一定强度和硬度。v陶瓷模：高硬度、耐热性、可抛光性、一定强度和韧性。v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-

11、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

12、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 v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： v满足使用性能要求。主要从工作条件、

13、模具结构、产品形状和尺寸、生产批量等综合考虑。v形状复杂、精度高变形小、导热性好、膨胀系数小v 大负荷高强度v摩擦、磨损高硬度v 冲击负荷高韧性v 表面光洁可抛光性 良好的制造工艺性能。容易制造、容易精修、便于修改。 v一般都要求有良好的切削加工性、热处理特性。v尺寸性、形状复杂的较小的淬火变形倾向v含有细小结构的电加工性v精度高的热处理变形小、易磨削v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 v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

14、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。v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 v 足够的强度和硬度；v 良好的切削加工性；v 良好的抛光性；v 良好的电加工性；v 良好的耐腐蚀性；v 良好的淬透性；v 良好的照相腐蚀加工性；v 良好的焊接性能；v 热处理变形小、热膨胀系数小；v 表面热处理性能好。 如： v形状简单选用45、40cr、t10a、低熔点合金、锌基合金。v形状复杂选用9mn2v、gcr15、crwmn、cr12mov、h11（h13）锌基合金、铍铜合金等。v精度高、寿命长、表

15、面粗糙度很低v可选用进口钢材：美p6、p20、ppt；日hpm1、yag；瑞s136(h)2 模具热处理 v热处理的目的：有目的地改变钢材的内部组织结构，从而使机械性能、力学性能、加工性能等达到特定的要求。v热处理三阶段：v 加热：以一定加热速度使工件达到特定温度；v 保温：使工件内外温度均匀；v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。 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；v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）。v退火完全退火（再结晶退火）、球化退火、扩

16、散退火、消应力退火、低温退火 正火： v加热至ac3或accm以上30-50c,然后在空气中冷却。v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： 加热至淬火温度以上某一温度后保温一段时间，然后将工件置入冷却介质（水、油、盐液）中，以极快的速度进行冷却而获得马氏体组织。v冷却速度大于临界速度。v 淬火易出现：v产生组织应力和热应力v淬裂或变形v体积增大且在各方向上不均匀v淬火作用：提高硬度、耐磨性、其它力学性能。 回火： v加热至a1以下某一温度保温一段时间，然后进行冷却。v作用：消淬火应力，改变淬火组织，适当改善强度

17、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 v物理表面处理法：高频淬火、火焰淬火、激光热处理、加工硬化v化学表面处理法：渗碳、渗氮、低温氮碳共渗、渗硫、渗金属、碳化物盐浴涂覆v覆层表面处理法：电镀、化学气相沉积、真空镀膜、离子喷镀、喷镀、热喷涂、表面合金化v改变表层的成分、组织、性能，与适宜的心部性能相配合，提高硬度、耐蚀、耐热、抗咬合、低摩擦系数等特殊性能。 二.模具表面强化处理工艺特点及应用 v（一）模具渗氮v1.渗氮处理的特点v模具渗氮后的性能特点v表面硬度高v具有较高的红硬性v显著提高疲劳强度v提高模具耐蚀性v渗氮

18、处理温度低，模具氮化后变形极小v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. v气体渗氮v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。v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 v常用方法：va.尿素气体低温氮碳共渗vb.有机液体滴注式气体低温氮碳共渗vc.氨加热式气体低温氮碳共渗v气体低温氮碳共渗工艺v在氮碳共渗前应对模具进行脱脂、除锈、清洗、防渗表面的保护等预处理工作。v离子渗氮 （二）模具渗硼、渗铬 v1.渗硼v渗硼方法有固体渗硼、气体渗硼、盐浴渗硼。国内应用较多的是盐浴渗硼和固体渗硼。v渗硼前后的热处理：v模具渗硼前应进行精加工和消除应力处理，以避免渗层不均和渗后变形，并要对模具表面进行清洗。v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，回火处理。 2.渗铬 v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。v模具渗铬的应用： v渗铬对在热态工作或承受强烈磨损的模具有显著效果，适