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H13钢（4Cr5MoV1Si）、H11钢（4Cr5MoVSi））钨系低碳高高合金钢。。H13钢除强度略略低于3Cr2W8V钢外，其它它力学性能能均优于3Cr2W8V钢，是其替替代钢种。。较好的氮氮化性能。。较小的热膨膨胀系数，，较好的耐耐磨性和红红硬性，良良好的导热热性。热处处理变形小小、但高温温韧性差。。·3Cr3MoW2V钢：代号HM1适合于急冷冷急热条件件下工作。。·5Cr4W5Mo2V钢：代号RM2·4Cr3Mo3W4VNb钢：代号GR高温性能良良好，热作作模具钢。。·8Cr2MnWMoVS钢：适用于精密密塑料模。。空冷微变变形，易切切削。调质质状态硬度度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。需经多次次回火，，从而使使大量残残余奥氏氏体大部部分转为为马氏体体，并使使马氏体体析出弥弥散碳化化物。（（300°C左右为回回火脆性性区）⑷硬质合合金和钢钢结硬质质合金①硬质合金金以难熔的的金属碳碳化物（（WC、TiC等）作硬硬质相，，以铁族族金属（（Co或Ni）为粘结相相，用粉粉末冶金金方法生生产的一一种多相相组合材材料。钨钴（YG）：：强度、韧韧性较高高，多用用于制造造模具。。钨钴钛（（YT）：：较高的红红硬性和和抗氧性性。万能硬质质合金（（YW）：：高强度、、高硬度度。（成分、、性能可可见P244表4-2）②钢结硬硬质合金金以合金钢钢为基本本，金属属碳化物物（TiCiWC））作硬质相相，用粉粉末冶金金方法生生产的一一种新型型模具材材料。它它是在具具有一定定强度和和硬度的的合金钢钢基体上上，弥散散分布许许多细小小硬质颗颗粒。特点：ⅰ.具有有钢的可可锻性、、可机加加工性、、可热处处理等性性能，热热处理变变形极小小。ⅱ.淬火火后具有有硬质合合金的硬硬度和刚刚性。两大大类类:ⅰ.碳碳化化钛钛（（TiC））作硬硬质质相相；；ⅱ.碳碳化化钨钨（（WC））作硬硬质质相相。。许多多性性能能因因基基体体（（粘粘结结剂剂））种种类类不不同同而而不不同同可可作作硬硬质质合合金金基基体体的的有有铬铬钼钼钢钢、、不不锈锈钢钢、、高高速速钢钢等等。。（性能能和一一般化化学成成分见见P245表A-3和表A-4）二.模模具钢钢材的的选用用模具钢钢材的的选用用及其其锻造造或热热处理理是模模具制制造技技术中中的关关键之之一。。对提提高模模具质质量和和延长长模具具寿命命有很很大的的影响响。选用模模具材材料时时，需需要综综合考考虑模模具的的工作作条件件、性性能要要求、、形状状和尺尺寸、、结构构特点点等。。对模模具材材料的的性能能要求求有时时会遇遇到矛矛盾，，则需需适当当取舍舍、协协调平平衡解解决。。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。。塑料模模：较较高的的强度度和硬硬度、、较高高的耐耐蚀性性、良良好的的电加加工性性、良良好的的抛光光性、、较高高的导导热性性、可可焊性性、切切削加加工性性。橡胶模模：耐耐蚀性性、耐耐热性性、可可抛光光性、、一定定强度度和硬硬度。。陶瓷模模：高高硬度度、耐耐热性性、可可抛光光性、、一定定强度度和韧韧性。。玻璃模模：耐耐热性性、耐耐蚀性性、耐耐磨性性、导导热性性、一一定强强度和和韧性性。表A-6常用模模具钢钢的性性能特特点及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常用模模具钢钢的性性能特特点及及用途途（续续）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常用模模具钢钢的性性能特特点及及用途途（续续）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.模模具材材料的的一般般选用用原则则模具材材料，，主要要是成成型零零件和和工艺艺零件件的选选材，，一般般在某某些方方面的的性能能，要要求较较高甚甚至很很高。。这方方面的的选材材对模模具质质量、、寿命命、加加工制制造及及成本本都有有很大大的影影响。。一般原原则：：①满足足使用用性能能要求求。主主要从从工作作条件件、模模具结结构、、产品品形状状和尺尺寸、、生产产批量量等综综合考考虑。。形状复复杂、、精度度高―――变变形小小、导导热性性好、、膨胀胀系数数小大负荷荷―――高强强度摩擦、、磨损损―――高硬硬度冲击负负荷―――高高韧性性表面光光洁―――可可抛光光性②良好好的制制造工工艺性性能。。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、、热处处理特特性。。尺寸性性、形形状复复杂的的―――较小小的淬淬火变变形倾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――可选用用进口钢材材：＜美＞＞P6、P20、PPT；＜日＞HPM1、、YAG；；＜瑞＞S136(H)§2模具具热处理热处理的目目的：有目目的地改变变钢材的内内部组织结结构，从而而使机械性性能、力学学性能、加加工性能等等达到特定定的要求。。热处理三阶阶段：①加热：以一一定加热速速度使工件件达到特定定温度；②保温：使工工件内外温温度均匀；；③冷却：工工件置于适适当的冷却却剂中，以以一定冷却却速度降到到特定温度度。常用工艺方方法：｛退火、正火、淬火、回火｝①退火：将工工件加热到到临界点以以上某一温温度然后保保温一段时时间，再随随炉极缓慢慢冷却；作用：可以以得到稳定定的结构，，清除锻造造应力和加加工硬化，，为最终热热处理做好好组织准备备（组织均均匀）。退火＝｛完完全退火（（再结晶退退火）、球球化退火、、扩散退火火、消应力力退火、低低温退火｝｝②正火：加热至Ac3或Accm以上30-50°C,然后在空气气中冷却。。作用：可消消除冷作、、锻造或急急冷时产生生的内应力力。对含C低于0.45％的碳碳钢，可用用正火代替替退火。退火、正火火工序的温温度区域：：③淬火：加热至淬火火温度以上上某一温度度后保温一一段时间，，然后将工工件置入冷冷却介质（（水、油、、盐液）中中，以极快快的速度进进行冷却而而获得马氏氏体组织。。·冷却速度度大于临界界速度。淬火易出现现：·产生组织织应力和热热应力·淬裂或变变形·体积增大大且在各方方向上不均均匀淬火作用：：提高硬度度、耐磨性性、其它力力学性能。。④回火：加热至A1以下某一温温度保温一一段时间，，然后进行行冷却。作用：消淬淬火应力，，改变淬火火组织，适适当改善强强度和韧性性。｛渗碳体（（Fe3C）、碳溶解于α铁中形成固固溶体叫奥奥氏体（用用A表示）、碳碳溶解于α铁中形成铁铁素体｝§3模具表表面强化处处理物理表面处处理法：高频淬火、、火焰淬火火、激光热热处理、加加工硬化化学表面处处理法：渗渗碳、渗氮氮、低温氮氮碳共渗、、渗硫、渗渗金属、碳碳化物盐浴浴涂覆覆层表面处处理法：电镀、化学学气相沉积积、真空镀镀膜、离子子喷镀、喷喷镀、热喷喷涂、表面面合金化改变表层的的成分、组组织、性能能，与适宜宜的心部性性能相配合合，提高硬硬度、耐蚀蚀、耐热、、抗咬合、、低摩擦系系数等特殊殊性能。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常用方方法：a.尿素气体体低温氮氮碳共渗渗b.有机液体体滴注式式气体低低温氮碳碳共渗c.氨加热式式气体低低温氮碳碳共渗②气体低低温氮碳碳共渗工工艺在氮碳共共渗前应应对模具具进行脱脱脂、除除锈、清清洗、防防渗表面面的保护护等预处处理工作作。⑶离子渗渗氮（二）模模具渗硼硼、渗铬铬1.渗硼硼渗硼方法法有固体体渗硼、、气体渗渗硼、盐盐浴渗硼硼。国内内应用较较多的是是盐浴渗渗硼和固固体渗硼硼。渗硼前后后的热处处理：模具渗硼硼前应进进行精加加工和消消除应力力处理，，以避免免渗层不不均和渗渗后变形形，并要要对模具具表面进进行清洗洗。对于模具具心部要要求不高高的，渗渗硼后空空冷即可可，对要要求内部部有足够够强度的的，渗硼硼后要进进行淬火火，回火火处理。。2.渗铬铬渗铬的方方法很多多，分为为固体、、液体和和气体渗渗铬，常常用的有有粉末渗渗铬和真真空密封封渗铬。。模具渗铬铬的应用用：渗铬对在在热态工工作或承承受强烈烈磨损的的模具有有显著效效果，适适用于锤锤锻模、、压锻模模、塑料料模、拉拉深模等等冷热作作模具。。（三）盐盐浴涂覆覆（四）模模具表面面覆层处处理1.气相相沉积碳