模具材料与热处理-课题三

(第四版)《模具材料与热处理》新世纪高职高专教材编审委员会组编主编吴元徽赵利群主审雷勇涛课题三模具材料概述任务一了解我国模具材料的分类任务二熟悉模具材料的性能要求任务三掌握模具材料的选用原则任务如图3-1所示为垫片冲孔落料复合模，试指出各零件的名称和功用，区分常用工程材料和模具材料。图3-1垫片冲孔落料复合模1—打杆;2—旋入式模柄;3—推板;4—推杆;5—卸料螺钉;6—凸凹模;7—卸料板;8—落料凹模;9—顶件块;10—顶杆;11—冲孔凸模;12—挡料销;13—导料销任务一了解我国模具材料的分类任务分析冲裁模通常分为如下五个部分:任务一了解我国模具材料的分类人们常说的模具材料通常是指模具工作零件即（1）的材料。（2）～（5）部分是属于常用工程材料的范畴。（1）工作零件冲模的工作零件是凸模和凹模，在复合模中还有凸凹模。它们成对互相配合，完成对坯料的成型。它们的形状、尺寸精度、固定方法及材质处理等决定着冲模的性能、模具成本及使用寿命。（2）辅助装置是协助凸模、凹模完成工件成型必不可少的装置。如材料送进的定向定位装置、废料排除装置、卸料退件装置、压料抬料装置等。它们的结构形式对工件质量、操作安全、生产效率等都至关重要。辅助装置是冷冲压模具设计中不容忽视的重要部分。（3）导向装置是保证上模、下模准确合模的装置。要求工作可靠，导向精度好，有一定互换性。导向装置目前已基本标准化，并有商品供应。（4）支撑零件是指上模架和下模架。凸模、凹模和其他所有的零件安装在其上组成一个模具整体。它们与压力机连接，传递并承受着工作压力。

（5）紧固零件中小型模具大多采用沉头螺钉和销作可卸式连接;有些凸模、凹模的连接则采用粘接或低熔点合金连接;大型模具的刃口或支架也有采用焊接方式的。模具材料是一种特殊的工程材料，一般是指生产模具零件所使用的材料。模具的分类任务一了解我国模具材料的分类任务一了解我国模具材料的分类模具材料的分类一、冷作模具材料冷作模具材料应用量大、使用面广，其主要性能要求有强度、硬度、韧性和耐磨性。冷作模具钢以高碳合金钢为主，均属热处理强化型钢，使用硬度高于58HRC。以9CrWMn钢为典型代表的低合金冷作模具钢，一般仅用于小批量生产中的简易型模具和承受冲击力较小的试制模具;Cr12型高碳合金钢是大多数模具的通用材料，这类钢的强度和耐磨性较高，韧性较低;在对模具综合力学性能要求更高的场合，常用W6Mo5Cr4V2高速钢作为替代钢种。

任务一了解我国模具材料的分类一、冷作模具材料任务一了解我国模具材料的分类二、热作模具材料

由于增加了温度和冷却条件这两个因素，且热作模具的工作条件还比冷作模具复杂，因而热作模具用材的系列化，除少数几种用量特别大的以外，总的来说不如冷作模具用材系列完整。热作模具用材的选择，在力学性能方面要兼顾热耐磨性和抗裂纹性。但由于加工对象（热金属）本身强度不高，故对热作模具材料的屈服强度要求并不高，而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的局部急热急冷特性，对韧性提出了较高要求。任务一了解我国模具材料的分类二、热作模具材料

任务一了解我国模具材料的分类三、塑料模具材料塑料模具工作条件、制造方法、精度及对耐久性要求的多样性，决定了其用钢的成分范围很大，各种优质钢都有可用之处，且形成了范围很广的塑料模具用材系列。国内塑料成型模具钢尚未形成系列。一般塑料模具常采用正火态的45钢或40Cr钢经调质后制造。硬度要求较高的塑料模具采用CrWMn或Cr12MoV等钢制造。前者硬度低，耐磨性和表面光洁度差，模具寿命短而逐步被预硬钢所取代;后者制造复杂模具时，因热处理变形大，往往不能满足要求。我国近年来在引进国外通用塑料模具钢的同时，也自行研制了一些塑料模具钢，大体可分为预硬钢、时效硬化钢和冷挤压成型塑料模具钢三类。

任务一了解我国模具材料的分类三、塑料模具材料任务一了解我国模具材料的分类四、其他模具材料

在三大类模具材料之外，还有其他模具材料。铸造模具钢用于电子产品的无磁模具钢高溫玻璃模具钢(高溫餐具、车灯、显像管玻璃模)有色合金模具材料玻璃模具材料陶瓷模具材料等任务一了解我国模具材料的分类一、使用性能

模具材料的性能是由模具材料的成分和热处理后的组织所决定的。模具钢的基本组织由马氏体基体以及在基体上分布着的碳化物和金属间化合物等构成。模具钢的性能应该满足某种模具完成额定工作量所需具备的性能，但因各类模具使用条件及所完成的额定工作量指标均不同，故对模具性能要求也不同。又因为不同钢的化学成分和组织对各种性能的影响不同，即使同一牌号的钢也不可能同时获得各种性能的最佳值，一般某些性能的改善会降低其他性能。因而，模具工作者常根据模具工作条件及工作定额要求选用模具钢及最佳处理工艺，使之达到主要性能最优、而其他性能损失最小的目的。

任务二熟悉模具材料的性能要求

对各类模具钢提出的性能要求主要包括：

任务二熟悉模具材料的性能要求一、使用性能

l.硬度2.强度3.塑性4.韧性5.耐磨性6.抗热疲劳性7.咬合抗力8.耐蚀性9.其他特殊性能

不同的服役条件对模具材料主要力学性能要求不同任务二熟悉模具材料的性能要求一、使用性能

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。

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;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;

不同的服役条件对模具材料主要力学性能要求不同

热作模具：抗热疲劳性能;

压铸模具：耐融熔金属的冲蚀性能;

高温下工作的热作模具：工作温度下的抗氧化性能;

腐蚀介质中工作的模具:耐蚀性;

高载荷下工作的模具:抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、疲劳强度及断裂韧度等。任务二熟悉模具材料的性能要求一、使用性能

二、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。

任务二熟悉模具材料的性能要求模具加工工艺路线

任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

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加工工艺路线

模具材料的工艺性能主要包括热加工工艺性能、冷加工工艺性能、特种加工工艺性能和热处理工艺性能。任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

模具材料的工艺性能主要包括任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

1.热加工工艺性能任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

2.冷加工工艺性能任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

3.特种加工工艺性能任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

电火花、线切割电火花加工常常作为模具的最后加工工序。电火花加工可在淬火、回火模具的表面形成淬火马氏体的白亮层。高碳马氏体的固有脆性和显微裂纹的存在，往往导致模具的早期开裂失效。此外，电火花加工可在模具表面形成不良的残余应力，降低了模具的使用寿命。可以通过调整电加工工艺参数，来减少硬化层的厚度，或者用喷丸法等去除变质层。皮纹加工有些塑料制品要求制造有皮纹、装饰性图案或文字花样的表面，一般是采用化学蚀刻工艺，因此耍求模具材料能适应这种化学蚀刻工艺，蚀刻以后，能够在楼具表面得到图案清晰、纹理清楚的皮纹和图案。4.热处理工艺性能任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

4.热处理工艺性能较高的淬透性：主要取决于钢的合金元素含量和淬火前的原始组织状态。模具尺寸较大的模具，或形状复杂、易变形的模具，需要采用淬透性较好的模具钢。适当的淬硬性：主要取决于钢中的碳含量。大部分的冷作模具钢，往往选择淬硬性高的模具钢。任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

4.热处理工艺性能较宽的淬火温度范围和较小的热处理变形倾向为了便于生产，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，尤其是在淬火过程中，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，特别是对于形状复杂的精密模具，淬火后难以修整，对于热处理变形程度的要求更为苛刻，应该选用微变形模具钢制造。任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

较小的氧化、脱碳敏感性模具在加热过程中，如果发生氧化、脱碳现象，就会使其碰度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低。因此，要求模具钢的抗氧化性、抗脱碳敏感性好。对于铝含量较高的模具钢，由于氧化、脱碳敏感性强，需采用特种热处理，如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

4.热处理工艺性能

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。模具钢一般用量不大，为了便于备料，应尽可能地考虑钢的通用性，尽量利用大量生产的通用型模具钢，以便于采购、备料和材料管理。另外还必须从经济上进行综合分析。考虑模具的制造费用、工件的生产批量和分摊到每一个工件上的模具费用。从技术、经济方面全面分析，以最终选定合理的模具材料。任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

任务二熟悉模具材料的性能要求二、工艺性能

材料的选用有三个通用原则。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。

任务三掌握模具材料的选用原则一、满足使用性能要求

1.耐磨性

坯料在模具型腔中塑性变形时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与坯料间产生剧烈摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以制料的耐磨性是模具最基本、最首要的性能之一。

硬度是影响耐磨性的主要因素。一般模具工件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。此外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。任务三掌握模具材料的选用原则2.强韧性模具的工作条件太多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。模具的韧性主要取决于材料的碳含量、晶粒度及组织状态。

任务三掌握模具材料的选用原则一、满足使用性能要求

3.疲劳断裂性能

模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度以及材料中夹杂物的含量

4.抗热疲劳性能

有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增人摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失散的丰要形式之一，这类模具应具有较高的抗热疲劳性能。任务三掌握模具材料的选用原则一、满足使用性能要求

5.高温性能

当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降.导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下具有较高的硬度和强度。

任务三掌握模具材料的选用原则一、满足使用性能要求

6.耐蚀性有些模具如塑料模在工作时，其中的氯、氟等元素受热后分解析出HCI和HF等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加大其表面粗糙度，加剧磨损失效。

二、满足工艺性能要求

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:任务三掌握模具材料的选用原则（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）良好的可磨削性三、满足经济性要求

任务三掌握模具材料的选用原则1.材料的价格模具材料的价格无疑应该尽量低。3.自然资源等因素随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的工件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。此外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用低能耗的制料。2.模具的总成本模具选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。模具的总成本与其使用寿命、质量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的。能用碳钢就不用合金钢。能用国产材料就不用进口材料。另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。任务三掌握模具材料的选用原则三、满足经济性要求

材料相对价格材料相对价格普通碳素结构钢1铬不锈钢5普通低合金结构钢1.25铬镍不锈钢15优质碳素结构钢1.3~1.5灰口铸铁~1.4合金结构钢（Cr-Ni钢除外）1.7~2.5球墨铸铁~1.8铬镍合金结构钢（中合金钢）5可锻铸铁2~2.2滚珠轴承钢3铸造铝合金、铜合金8~10碳素工具钢1.6普通黄铜13~17低合金工具钢3~4锡青铜、铝青铜19高速钢16~20钛合金50~80硬质合金150~200（工程塑料）