常用模具材料及热处理

第二章常用模具材料及热处理§1常用模具材料§2模具热处理§3模具表面强化处理§1常用模具材料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。钢：炭钢（普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢）合金钢（合金结构钢、合金工具钢、不锈钢）牌号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）。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。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

“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。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

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。①.碳素合金工具钢含碳量：0.7％-1.4％主要牌号：T7(A)、T8(A)、T10(A)、T12(A)。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（<250°C）适用范围：尺寸小、形状简单、负荷小、冷作模具。

②合金工具钢

⑴低合金工具钢：CrWMn、9Mn2V、5CrNiMo、9SiCr、GCr15、5CrMnMO含合金量：总量为1％-3％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。·CrWMn钢：（各种中小型冷作模具）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）

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％。·9SiCr钢：（搓丝板、滚丝模）250°C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：常用的轴承钢，具有较高的淬透性和耐磨性。铬的加入有利于提高淬透性、细化碳化物并使其分布均匀。5CrMnMO

钢：（弯曲热态模、切边模）5CrNiMo中碳低合金钢，典型热作模具钢。强度高，韧性好。淬透性好，抗回火性好，导热性和耐热疲劳性好，耐磨性好。⑵高合金工具钢：

·Cr12型钢：包括Cr12和Cr12MoV高碳高合金钢、工具钢、莱氏体钢淬透性高、淬火硬度极高、热变形小。Cr12钢的含碳量较Cr12MoV高，碳化物多但分布不均匀性严重。Cr12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％

0.2-0.5％

H13

0.38％C

1.0％Si

5.3％Cr

1.3％Mo

0.9％

·3Cr2W8V钢和和H13钢（（4Cr5MoV1Si））、、H11钢（（4Cr5MoVSi））钨系系低低碳碳高高合合金金钢钢。。H13钢除除强强度度略略低低于于3Cr2W8V钢外外，，其其它它力力学学性性能能均均优优于于3Cr2W8V钢，，是是其其替替代代钢钢种种。。较较好好的的氮氮化化性性能能。。较小小的的热热膨膨胀胀系系数数，，较较好好的的耐耐磨磨性性和和红红硬硬性性，，良良好好的的导导热热性性。。热热处处理理变变形形小小、、但但高高温温韧韧性性差差。。·3Cr3MoW2V钢：：代代号号HM1适合合于于急急冷冷急急热热条条件件下下工工作作。。·5Cr4W5Mo2V钢：：代代号号RM2·4Cr3Mo3W4VNb钢：：代代号号GR高温温性性能能良良好好，，热热作作模模具具钢钢。。·8Cr2MnWMoVS钢：：适用用于于精精密密塑塑料料模模。。空空冷冷微微变变形形，，易易切切削削。。调调质质状状态态硬硬度度HRC40-50。。调质后切削削即可直接接适用，不不存在热处处理变形。。·7CrSiMnMoV钢：高强度和韧韧性好，焊焊接性能好好。适合于于制造结构构形状复杂杂的模具零零件。⑶高速钢钨系高速钢钢（W18Cr4V）钼系高速钢钢（W6Mo5Cr4V2钢）在高温（600°C）下仍保持高高强度、高高硬度、高高耐磨性和和好的韧性性。钢中含碳量量为0.7-0.9％，合金金元素含量量超过15％，属莱莱氏体钢。。高淬透性，，空冷即可可淬硬。高速钢含有有大量粗大大碳化物，，且分布不不均匀，不不能用热处处理方法消消除之。必必须反复十十字镦拔以以打碎粗大大碳化物，，并使其分分布均匀。需经多次回回火，从而而使大量残残余奥氏体体大部分转转为马氏体体，并使马马氏体析出出弥散碳化化物。（300°C左右为回火火脆性区））⑷硬质合金金和钢结硬硬质合金①硬质合金以难熔的金金属碳化物物（WC、TiC等）作硬质质相，以铁铁族金属（（Co或Ni）为粘结相，，用粉末冶冶金方法生生产的一种种多相组合合材料。钨钴（YG）：强度、韧性性较高，多多用于制造造模具。钨钴钛（YT）：较高的红硬硬性和抗氧氧性。万能硬质合合金（YW）：高强度、高高硬度。（成分、性性能可见P244表4-2））②钢结结硬质质合金金以合金金钢为为基本本，金金属碳碳化物物（TiCiWC））作硬质质相，，用粉粉末冶冶金方方法生生产的的一种种新型型模具具材料料。它它是在在具有有一定定强度度和硬硬度的的合金金钢基基体上上，弥弥散分分布许许多细细小硬硬质颗颗粒。。特点：：ⅰ.具具有钢钢的可可锻性性、可可机加加工性性、可可热处处理等等性能能，热热处理理变形形极小小。ⅱ.淬淬火后后具有有硬质质合金金的硬硬度和和刚性性。两大类类:ⅰ.碳碳化钛钛（TiC）作硬质质相；；ⅱ.碳碳化钨钨（WC））作硬质质相。。许多性性能因因基体体（粘粘结剂剂）种种类不不同而而不同同可作作硬质质合金金基体体的有有铬钼钼钢、、不锈锈钢、、高速速钢等等。（性能能和一一般化化学成成分见见P245表A-3和表A-4））二.模具具钢材的的选用模具钢材材的选用用及其锻锻造或热热处理是是模具制制造技术术中的关关键之一一。对提提高模具具质量和和延长模模具寿命命有很大大的影响响。选用模具具材料时时，需要要综合考考虑模具具的工作作条件、、性能要要求、形形状和尺尺寸、结结构特点点等。对对模具材材料的性性能要求求有时会会遇到矛矛盾，则则需适当当取舍、、协调平平衡解决决。1.模模具材材料的的一般般要求求包括力力学性性能、、高温温性能能、表表面性性能、、工艺艺性能能、经经济性性等。。力学性性能：：硬度度、强强度、、韧性性高温性性能：：高温温强度度、抗抗氧化化性、、耐热热疲劳劳性、、回火火稳定定性、、热膨膨胀系系数小小表面性性能：：耐磨磨性、、耐蚀蚀性工艺性性能：：切削削加工工性、、电加加工性性、抛抛光性性、可可锻性性、淬淬透性性、热热处理理性能能、可可焊性性经济性性：资资源条条件、、市场场供应应情况况、价价格各种模模具工工作条条件不不同，，对材材料性性能要要求也也就各各有差差异。。如：：冷冲压压模：：高强强度、、高硬硬度。。冷挤压压模：：高强强度（（抗压压、断断裂、、疲劳劳强度度）、、高韧韧性、、高硬硬度。。热锻模模：高高温强强度、、硬度度、耐耐蚀性性、高高温回回火稳稳定性性、抗抗高温温氧化化性、、耐热热疲劳劳性、、热膨膨胀系系数小小、导导热性性高。。塑料模：：较高的的强度和和硬度、、较高的的耐蚀性性、良好好的电加加工性、、良好的的抛光性性、较高高的导热热性、可可焊性、、切削加加工性。。橡胶模：：耐蚀性性、耐热热性、可可抛光性性、一定定强度和和硬度。。陶瓷模：：高硬度度、耐热热性、可可抛光性性、一定定强度和和韧性。。玻璃模：：耐热性性、耐蚀蚀性、耐耐磨性、、导热性性、一定定强度和和韧性。。表A-6常用模具具钢的性性能特点点及用途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-6常用模具具钢的性性能特点点及用途途（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常用模具具钢的性性能特点点及用途途（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.模具具材料的的一般选选用原则则模具材料料，主要要是成型型零件和和工艺零零件的选选材，一一般在某某些方面面的性能能，要求求较高甚甚至很高高。这方方面的选选材对模模具质量量、寿命命、加工工制造及及成本都都有很大大的影响响。一般原则则：①满足使使用性能能要求。。主要从从工作条条件、模模具结构构、产品品形状和和尺寸、、生产批批量等综综合考虑虑。形状复杂杂、精度度高―――变形小小、导热热性好、、膨胀系系数小大负荷―――高强强度摩擦、磨磨损―――高硬度度冲击负荷荷――高高韧性表面光洁洁――可可抛光性性②良好的的制造工工艺性能能。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、热处处理特性。。尺寸性、形形状复杂的的――较小小的淬火变变形倾向含有细小结结构的―――电加工性性精度高的―――热处理理变形小、、易磨削制品生产工工艺条件复复杂的―――易磨削、、可焊接。。③经济性（（制造成本本）：尽量考虑到到价格便宜宜、资源丰丰富、供应应方便。4.塑料模模的材料选选用在我国，塑塑料模具用用钢至今还还未形成专专用钢材系系列，通常常采用一般般工具钢。。如T10A、、CrWMn、Cr12MoV钢等。这些些钢切削加加工性较差差，难以制制造型腔复复杂的塑料料模具，而而且一旦热热处理变形形超差则难难以修复。。为了适应塑塑料模日益益发展的需需要。常参参考国外塑塑料模具用用钢并结合合我国的具具体条件进进行选用。。塑料模的钢钢材选用原原则是①足够的强度度和硬度；；②良好的切削削加工性；；③良好的抛光光性；④良好的电加加工性；⑤良好的耐腐腐蚀性；⑥良好的淬透透性；⑦良好的照相相腐蚀加工工性；⑧良好的焊接接性能；⑨热处理变形形小、热膨膨胀系数小小；⑩表面热热处理性能能好。如：形状简单―――选用45、40Cr、T10A、低熔点合金金、锌基合合金。形状复杂―――选用9Mn2V、GCr15、CrWMn、Cr12MoV、H11（H13）锌基合金、、铍铜合金金等。精度高、寿寿命长、表表面粗糙度度很低――可选选用进口口钢材：：＜美＞＞P6、P20、、PPT；＜日＞HPM1、YAG；＜＜瑞＞S136(H)§2模模具热处处理热处理的的目的：：有目的的地改变变钢材的的内部组组织结构构，从而而使机械械性能、、力学性性能、加加工性能能等达到到特定的的要求。。热处理三三阶段：：①加热：以以一定加加热速度度使工件件达到特特定温度度；②保温：使使工件内内外温度度均匀；；③冷却：：工件置置于适当当的冷却却剂中，，以一定定冷却速速度降到到特定温温度。常用工艺艺方法：：｛退火、正火、淬火、回火｝①退火：将将工件加加热到临临界点以以上某一一温度然然后保温温一段时时间，再再随炉极极缓慢冷冷却；作用：可可以得到到稳定的的结构，，清除锻锻造应力力和加工工硬化，，为最终终热处理理做好组组织准备备（组织织均匀））。退火＝｛｛完全退退火（再再结晶退退火）、、球化退退火、扩扩散退火火、消应应力退火火、低温温退火｝｝②正火：：加热至Ac3或Accm以上30-50°C,然后在空空气中冷冷却。作用：可可消除冷冷作、锻锻造或急急冷时产产生的内内应力。。对含C低于0.45％％的碳钢钢，可用用正火代代替退火火。退火、正正火工序序的温度度区域：：③淬火：：加热至淬淬火温度度以上某某一温度度后保温温一段时时间，然然后将工工件置入入冷却介介质（水水、油、、盐液））中，以以极快的的速度进进行冷却却而获得得马氏体体组织。。·冷却速速度大于于临界速速度。淬火易出出现：·产生组组织应力力和热应应力·淬裂或或变形·体积增增大且在在各方向向上不均均匀淬火作用用：提高高硬度、、耐磨性性、其它它力学性性能。④回火：：加热至A1以下某一一温度保保温一段段时间，，然后进进行冷却却。作用：消消淬火应应力，改改变淬火火组织，，适当改改善强度度和韧性性。｛渗碳体体（Fe3C）、碳溶解于于α铁中中形形成成固固溶溶体体叫叫奥奥氏氏体体（（用用A表示示））、、碳碳溶溶解解于于α铁中中形形成成铁铁素素体体｝｝§3模模具具表表面面强强化化处处理理物理理表表面面处处理理法法：：高频频淬淬火火、、火火焰焰淬淬火火、、激激光光热热处处理理、、加加工工硬硬化化化学学表表面面处处理理法法：：渗渗碳碳、、渗渗氮氮、、低低温温氮氮碳碳共共渗渗、、渗渗硫硫、、渗渗金金属属、、碳碳化化物物盐盐浴浴涂涂覆覆覆层层表表面面处处理理法法：：电镀镀、、化化学学气气相相沉沉积积、、真真空空镀镀膜膜、、离离子子喷喷镀镀、、喷喷镀镀、、热热喷喷涂涂、、表表面面合合金金化化改变变表表层层的的成成分分、、组组织织、、性性能能，，与与适适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、、耐耐蚀蚀、、耐耐热热、、抗抗咬咬合合、、低低摩摩擦擦系系数数等等特特殊殊性性能能。。二.模模具具表表面面强强化化处处理理工工艺艺特特点点及及应应用用（一一））模模具具渗渗氮氮1.渗渗氮氮处处理理的的特特点点模具具渗渗氮氮后后的的性性能能特特点点①表表面面硬硬度度高高②具具有有较较高高的的红红硬硬性性③显显著著提提高高疲疲劳劳强强度度④提提高高模模具具耐耐蚀蚀性性⑤渗渗氮氮处处理理温温度度低低，，模模具具氮氮化化后后变变形形极极小小⑥降降低低了了模模具具表表面面粗粗糙糙度度，，提提高高了了抗抗咬咬合合能能力力2.模模具具的的渗渗氮氮方方法法有有气气体体渗渗氮氮、、气气体体低低温温氮氮碳碳共共渗渗和和离离子子渗渗氮氮.⑴气气体体渗渗氮氮①基基本本原原理理气气体体渗渗氮氮与与渗渗碳碳相相似似，，由由3个个基基本本过过程程组组成成：：活活性性原原子子的的产产生生，，零零件件表表面面对对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内内部部扩扩散散。。②工工艺艺参参数数渗渗氮氮的的主主要要工工艺艺参参数数是是渗渗氮氮温温度度、、渗渗氮氮时时间间和和氨氨分分解解率率。。⑵气气体体低低温温氮氮碳碳共共渗渗①常常用用方方法法：：a.尿素素气气体体低低温温氮氮碳碳共共渗渗b.有机机液液体体滴滴注注式式气气体体低低温温氮氮碳碳共共渗渗c.氨加加热热式式气气体体低低温温氮氮碳碳共共渗渗②气气体体低低温温氮氮碳碳共共渗渗工工艺艺在氮氮碳碳共共渗渗前前应应对对模模具具进进行行脱脱脂脂、、除除锈锈、、清清洗洗、、防防渗渗表表面面的的保保护护等等预预处处理理工工作作。。⑶离离子子渗渗氮氮（二二））模模具具渗渗硼硼、、渗渗铬铬1.渗渗硼渗硼方方法有有固体体渗硼硼、气气体渗渗硼、、盐浴浴渗硼硼。国国内应应用较较多的的是盐盐浴渗渗硼和和固体体渗硼硼。渗硼前前后的的热处处理：：模具渗渗硼前前应进进行精精加工工和消消除应应力处处理，，以避避免渗渗层不不均和和渗后后变形形，并并要对对模具具表面面进行行清洗洗。对于模模具心心部要要求不不高的的，渗渗硼后后空冷冷即可可，对对要求求内部部有足足够强强度的的，渗渗硼后后要进进行淬淬火，，回火火处理理。2.渗渗铬渗铬的的方法法很多多，分分为固固体、、液体体和气气体渗渗铬，，常用用的有有粉末末渗铬铬和真真空密密封渗渗铬。。模具渗渗铬的的应用用：渗铬对对在热热态工工作或或承受受强烈烈磨损损的模模具有有显著著效果