第5章模具材料概述

5．1模具材料的分类

5．1．1冷作模具材料5．1．2热作模具材料5．1．3塑料模具材料

5．1．4其他模具材料

5．2模具材料的性能要求

5．2．1使用性能 5．2．2模具钢力学性能指标的评述

5．2．3工艺性能5．3模具材料的选用原则

5．3．1满足使用性能要求 5．3．2满足工艺性能要求 5．3．3满足经济性要求第5章模具材料概述目录5.1模具材料的分类

5.1.1冷作模具材料1.火焰淬火钢2.基体钢3.高韧性低合金冷作模具钢4.高碳中铬耐磨模具钢5.1.2热作模具材料

5.1.3塑料模具材料

1.预硬钢2.时效硬化钢3.冷挤压成型塑料模具钢5.1.4其他模具材料

在三大类模具材料之外，还有铸造模具钢、有色合金模具材料、玻璃模具材料等。5.2模具材料的性能要求

冷冲压模具要求其材料具有高的强度，良好的塑性和韧性，高的硬度及耐磨性;

冷挤压模具要求其材料具有高强度、高韧性、高淬透性以及良好的耐磨性、热稳定性和切削加工性;

热作模具用钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性、良好的抗腐蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。

5.2.1使用性能

对各类模具钢提出的性能要求主要包括硬度、强度、塑性和韧性等。

1.硬度硬度表示了钢对变形和接触应力的抗力，而且是很容易测定的一种性能，同时硬度与强度也有一定关系，可通过二者的换算关系得到材料硬度值。可按硬度范围划定模具类别，如高硬度（52～60HRC），一般用于冷作模具;中等硬度（40～52HRC），一般用于热作模具。

图5-1硬度对三种冷作模具钢抗压屈服强度的影响

1-W6Mo5Cr4V2钢;2-Cr12MoV钢;3-Cr5Mo1V钢

2.强度

强度是指钢在服役过程中，抵抗变形和断裂的能力。对于模具来说则是整个型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、弯曲力、扭转力或综合力的能力。

3.塑性模具钢塑性较差，尤其是冷变形模具钢，在很小的塑性变形时即发生脆断。常采用断后伸长率和断面收缩率来衡量模具钢塑性好坏。

4.韧性

在工作过程中，模具承受着冲击载荷，为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏，要求模具钢具有一定的韧性。韧性是模具钢的一种重要性能指标，它决定了材料在冲击试验力作用下对破裂的抗断能力。材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。对于衡量模具脆断倾向，冲击韧度试验具有重要意义。

5.耐磨性

模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力，要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。图5-2所示为用不同钢种制作的标准冲孔模对冷轧硅钢片进行冲孔的试验结果，可反映各钢种的耐磨水平；试验以Cr12MoV钢为基准（ε

=1.0）。图5-3所示是标准模具进行耐磨性试验的结果，较好地反映了工模具钢在磨粒磨损条件下的耐磨性。图5-2五种模具钢模拟冲裁试验其耐磨性

图5-3工模具钢的磨粒磨损抗力1-高碳高钒高速钢;2-高碳高钒钢;3-低合金模具钢及碳素工具钢

6.抗热疲劳性能

热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外，还受到高温及周期性的急冷急热的作用，抗热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命。因此，热作模具如要获得高的寿命，模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。

7.咬合抗力

咬合抗力实际上就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较重要。试验时通常在干摩擦条件下，把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料（如奥氏体钢）进行恒速对偶摩擦运动，以一定的速度逐渐增大载荷，此时，转矩也相应增大，该载荷称为“咬合临界载荷”，咬合临界载荷愈高，标志着咬合抗力愈强。

8.耐蚀性金属材料在腐蚀性介质中所具有的抵抗介质侵蚀的能力，称为金属的耐蚀性。

提高模具材料的耐蚀性，通常采用合金化方法获得一系列耐蚀合金，主要包括:（1）提高金属或合金的热力学稳定性

（2）加入易钝化合金元素

（3）加入能促使合金表面生成致密腐蚀产物保护膜的合金元素

不同的服役条件对模具材料主要力学性能要求不同对热作模具钢要考虑其抗热疲劳性能;对压铸模具应考虑其耐融熔金属的冲蚀性能;对于高温下工作的热作模具应考虑其在工作温度下的抗氧化性能;对于在腐蚀介质中工作的模具，应注意其耐蚀性;对高载荷下工作的模具应该考虑其抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度及断裂韧度等。

5.2.2工艺性能

在模具生产成本中，材料费用一般占10%～20%，而机械加工、热处理、装配和管理费用占80%以上。所以模具材料的工艺性能是影响模具的生产成本和制造难易程度的主要因素之一。改善模具的工艺性能，不仅可以使模具生产工艺简单、易于制造，而且可以有效地降低模具的制造费用。

模具材料的工艺性能主要包括可加工性，淬透性和淬硬性，淬火温度和热处理变形，氧化、脱碳敏感性及其他因素。

1.可加工性

模具的可加工性包括：热加工性能（热塑性、加工温度范围等）；冷加工性能（切削、磨削、抛光、冷拔等）；

特种加工（如电火花加工）。

粉末冶金焊接塑性成形铸造毛坯预先热处理模具零件切削加工最终热处理

模具零件的加工工艺路线2.淬透性和淬硬性

淬透性是指获得淬硬层深度的能力，钢的淬透性取决于钢中的化学成分和淬火冷却方式。

淬硬性是指钢经淬火后能达到的最高硬度，主要取决于钢中的含碳量。对于大部分的冷作模具钢，淬硬性往往是主要的考虑因素。对于热作模具钢和塑料模具钢，一般模具尺寸较大，尤其是制造大型模具，其淬透性更为重要。

为了便于生产，要求模具钢淬火温度范围尽可能放宽一些，特别是当模具采用火焰加热局部淬火时，由于难以准确地测量和控制温度，所以要求模具钢有更宽的淬火温度范围。

模具在热处理时，尤其在淬火过程中，要产生体积变化、形状翘曲、畸变等，为保证模具质量，要求模具钢的热处理变形小。

3.淬火温度和热处理变形

4.氧化、脱碳敏感性

模具在加热过程中，如果发生氧化、脱碳现象，就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低。因此，要求模具钢的氧化、脱碳敏感性好。对于钼含量较高的模具钢，由于氧化、脱碳敏感性强，需要采用特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。

5.其他因素

在选择模具钢时，除了必须考虑使用性能和工艺性能之外，还必须考虑模具钢的通用性和价格。从技术、经济方面全面分析，以最终选定合理的模具材料。

5.3模具材料的选用原则

模具材料的选用有三个原则

一是使用性能原则

材料的使用性能应满足模具的使用要求。对大量机器工件和工程构件，主要是机械性能；对一些特殊条件下工作的工件，则必须根据要求考虑到材料的物理化学性能。

二是工艺性能原则

材料的工艺性能应满足模具生产工艺的要求。

三是经济性原则

必须考虑材料的经济性。采用便宜的材料，把总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力。

1.耐磨性

2.强韧性

3.疲劳断裂性能

4.高温性能

5.抗热疲劳性能

6.耐蚀性

5.3.1满足使用性能要求

模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有以下特性:（1）良好的可锻性

（2）良好的退火工艺性（3）良好的切削加工性

（4）较小的氧化、脱碳敏感性

（5）良好的淬硬性

（6）良好的淬透性

（7）较低的淬火变形开裂倾向

（8）良好的可磨削性

5.3.2满足