模具材料及表面处理课件全.ppt

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材高 等 职 业 教 育 机 电 类 规 划 教 材机 械 工 业 出 版 社 精 品 教 材,模具材料及表面处理（第二版）主编：吴兆祥,一、模具材料技术在模具工业中的地位,1、模具是重要的加工工艺装备,绪 论,汽车、拖拉机零件：70%塑料制品：80%90%日用五金：60%70%,2、模具材料技术对模具及被加工产品的影响,模具材料技术影响到模具的制造成本。模具材料技术影响到模具的寿命，从而影响产品成本。模具材料技术影响模具的质量，从而影响产品的质量。,3、行业要求,合理选用模具材料。合理实施模具的热处理及表面处理。大力推广模具新材料、新工艺、新技术的应用。,二

2、、国内、外模具材料技术水平概况,1、国内概况,模具钢系列化水平提高，现纳入GB有26只钢。研制出不少新型模具钢：冷作模具钢有GD、CH-1、LD、65Nb、CG-2等。热作模具钢有5Cr2NiMoVSi、HM1、012Al、HD等。塑料模具钢有P20、718、8Cr2S、5NiSCa等。硬质合金和钢结硬质合金应用成熟。强韧化处理新工艺广泛采用。表面技术水平不断提高。,2、国外概况,发达国家的模具钢系列化标准化程度高。发达国家模具钢品种规格齐全，多以厚板方料扁料类型并经预处理状态供应市场。发达国家模具钢冶金技术先进，钢材的纯净度、均匀性高。发达国家重视模坯及模具使用的后处理。发达国家模具表面处理

3、设备及工艺先进。,三、课程性质与学习要求,本门课程属于专业课程，学习要求如下：掌握各类模具材料的特性、强韧化方法、使用范围。正确选用模具材料热处理方法。熟悉各类模具的表面处理及选用。,第一章 模具材料概论,第一节 模具及模具材料分类,一、模具分类,冷作模具：冷冲模、冷挤压模、冷墩模、拉丝模等。热作模具：热锻模、热挤压模、压铸模、热冲裁模等。成形模具：塑料模、橡胶模、陶瓷模、玻璃模、粉末 冶金模等。,按工作条件分：,按材料、工艺、设备分：10类,二、模具材料分类,模具材料,模具钢,冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢,其他模具材 料,铸铁非铁金属及合金硬质、钢结硬质合金非金属材料,第二节 模具材料的主

4、要性能指标,一、强度,强度是表征材料变形抗力和断裂抗力的性能指标,冷作模具材料的变形抗力指标是：0.2或s热作模具材料的变形抗力指标是：高温强度冷作模具的断裂抗力指标是：b、bb、抗压0.2和K1C,影响强度的主要因素有：,钢的化学成分金相组织内应力状态,二、硬度与热硬性,硬度是衡量材料软硬程度的性能指标。热硬性是指模具材料在高温条件下保持高硬度的能力。,模具对硬度的要求一般是：,冷作模具为：5260HRC热作模具为：4052HRC,因为硬度实际上反映了材料的综合力学性能，所以模具的性能要求在图样上只用硬度标注。,影响硬度和热硬性的因素主要有：,钢的化学成分热处理工艺表面处理工艺,三、耐磨性,

5、表征材料抗磨损的性能。,评价耐磨性指标：磨损量或相对磨损量,磨损形式主要有：磨料磨损 粘着磨损 氧化磨损 疲劳磨损,影响磨损的因素有：化学成分 组织状态 力学性能 润滑条件,四、韧性 韧性是指材料在冲击载荷作用下抵抗脆断的能力。评介指标：冲击韧度ak、静弯曲挠度 影响因素：钢的成分、组织和冶金质量 例如：碳含量越低、杂质越少，钢的韧性越高；细晶粒组织、M板、B下、S回都具有高的韧性。,三、耐热性,表征模具材料在较高温度条件下仍能保持正常工作的能力。评价指标：高温热稳定性、抗氧化性,高温热稳定性常以材料在600700时的屈服强度表示。影响因素：再结晶温度 回火稳定性,五、耐蚀性,含有氯、氟的被加

6、工材料对模具型腔具有一定的腐蚀性。合金化和表面处理是提高耐蚀性的主要方法。,第三节 模具的失效形式及分析,一、模具的失效形式,冷冲压模具过量塑性变形而失效：,模具的失效形式：,模具工作部分损坏而不能修复，称为失效。,热锻模塌陷、磨损失效：,冷镦冲头磨损、折断失效：,二、模具失效分析,模具失效分析的步骤：生产现场调查 模具用材和制造工艺调查 对模具进行失效分析,模具失效原因主要产生在制造过程：,结构设计不当材料选择和质量问题毛坯锻造不良机械加工缺陷热处理不当装配精度不高,例：冷冲压冲头的失效分析,R处断裂 冲击疲劳造成D处磨损超差 表面硬度不足造成,改进措施：增加R处的过渡圆角 D处采用表面强化

7、处理,第二节 影响模具寿命的主要因素,一、模具结构设计对模具寿命的影响,1、模腔结构的影响,组合式优于整体式,塔形锻造凹模式 螺栓冷镦凹模,a)为整体式，易于开裂。b)为组合式，不易开裂，寿命长。,2、模腔过渡圆角半径R的影响 冷挤压凹模几何形状及尺寸对模具寿命的影响：,由图可见，金属入口处的形状和内圆角半径R对模具寿命影响很大，增大圆角半径R，可提高模具寿命。,根据经验：r=(23.5)R适宜,3、模具工作部位角度的影响 反挤压凸模结构与寿命：,a)、b)凸模顶部设有斜角，所受单位挤压力小，模具寿命较c)显著提高。,模锻斜角及圆角半径对应力的影响：,由图可见，模锻斜角越大，圆角半径越大，底部

8、所受最大比较应力越小。,二、模具制造质量对模具寿命的影响,零件加工精度高，模具受力状态合理，模具寿命高。Ra低，磨损小，产生裂纹的倾向小，模具寿命高。硬度均匀，耐磨性、抗疲劳性好，模具寿命高。装配精度高，模具寿命高。,三、模具材料对模具寿命的影响,模具材料种类：同一模具使用不同的模具材料，模具寿命不同。零件硬度：不同工作条件的模具，硬度要求不同，并非硬度越高模具的寿命越长。冶金质量：冶金缺陷多，材质均匀性差，纯净度低，模具寿命短。新材料：积极使用新材料可以提高模具寿命。,四、热处理质量与表面强化对模具寿命的影响,正确的预先热处理规范对提高模具寿命起着很大作用。采用先进的强韧化方法（淬火+回火）

9、可以提高模具的寿命。表面强化处理可以大幅度提高模具寿命。,五、模具的使用对模具寿命的影响,1、锻压设备的精度、刚度差，将加速模具的磨损。2、被加工材料性质不符合要求，对模具寿命产生影响。3、模具的安装与使用条件。体现在安装精度、润滑油选择、冷却措施的合理性。4、模具的操作规程及维护。主要体现在模具使用过程中的后续处理，中途保温、中间去应力回火。5、入库防锈、及时刃磨对模具寿命都产生影响。,第二章 冷作模具材料,第一节 冷作模具对材料性能的要求,一、使用性能要求,冷作模具的受载形式,拉伸、弯曲、压缩冲击、疲劳、摩擦,冷作模具的失效形式,磨损、开裂断裂、变形、咬合、,使用性能的基本要求：,良好的耐

10、磨性,模具硬度应高于工件的30%50%模具组织应为M回或B下加细小碳化物,高强度 S、压应满足模具受载要求,足够的韧性（受冲击载荷大、易受偏心弯曲的模具）,良好的抗疲劳性：-1应满足模具的要求良好的抗咬合性能：取决于润滑条件和成形材料的性质,二、工艺性能要求,锻造性,热锻变形抗力低、塑性好锻造温度范围宽锻裂、冷裂及碳化物析出倾向小,切削加工性,切削力小、切削用量大刀具磨损小、加工表面光洁,磨削加工性,对砂轮质量及冷却条件不敏感不易发生磨伤与磨裂,热处理工艺性,淬透性：获得淬硬层深度回火稳定性：模具钢受热软化的能力脱碳倾向、过热敏感性淬火变形开裂倾向,三、冷作模具材料的成分特点,1、钢的含量,对

11、高耐磨的冷作模具：0.7%2.3%C,对高强韧性冷作模具：0.5%0.7%C,2、合金化特点,加入强碳化物形成元素和增加淬透性的元素,主要合金元素的作用：,锰,淬透性 减小变形有回火脆,硅,淬透性回火稳定性屈服强度过热脱碳倾向大,铬,淬透性抗氧化性耐磨性有回火脆性,镍,强度和韧性淬透性耐蚀性有回火脆,钼、钨、钒：属强碳化物形成元素，具有二次硬化效果，对提高钢的回火稳定性、耐磨性、耐热性都具有显著作用。,第二节 冷作模具材料及热处理规范,冷作模具钢综合分类：,低淬透性冷作模具钢 低变形冷作模具钢 高耐磨微变形冷作模具钢 抗冲击冷作模具钢 高强韧性冷作模具钢 高耐磨、高韧性冷作模具钢 特殊用途冷作

12、模具钢,一、低淬透性冷作模具钢,（一）碳素工具钢,1、主要性能特点 优点：价格便宜，来源方便，较高的硬度，一定的耐磨性，易于锻造，易于软化。缺点：淬透性差，淬火易于变形、开裂，模具寿命短。,典型钢种：T7A、T10A、T12A,2、热加工工艺,1）锻造 锻造工艺见表23。工艺要点：终锻温度不能过高，冷却速度不宜过缓（锻后空冷），以避免析出二次网状渗碳体。,无粗大或网状碳化物时，采用球化退火。出现粗大或网状碳化物时，先正火再球化退火。,2）退火与正火,锻后模具毛坯应经预备热处理：,球化退火和正火工艺见表2-4、2-5。,3）淬火与回火,碳素工具钢淬火和回火工艺规范见表2-6，但对于具体模具应进行

13、选择。,淬火温度的选择,考虑的因素见图2-1、2-2。,图2-1 淬火温度对T10A钢强韧性的影响,图2-2 淬火温度对T8钢淬硬层深度的影响,综合分析如下：,提高淬火温度，钢的强韧性下降，变形、开裂的倾向增大。但提高淬火温度，可提高淬透性，增加硬化层深度，提高模具的承载能力。,据此，碳素工具钢制模具的淬火温度选择原则是：,对于小型模具，可采用较低淬火温度（760780）。对于较大型模具，适当提高淬火温度（800850）。对于形状复杂的模具，应采用较低淬火温度。,淬火冷却方式的选择,冷却方式,水溶液、油冷水溶液油、水溶液硝盐分级淬火、等温淬火,具体冷却方法及适用范围见表2-7。,回火温度选择,

14、淬火后应及时回火，回火温度根据性能要求而定。图2-3所示为碳素工具钢的力学性能与回火温度的关系。,图2-3,综合分析，回火温度确定如下：,硬度要求较高时，宜采用150200回火。抗弯强度要求较高时，宜采用220280回火,回火时间 12小时,回火冷却 油冷或硝盐浴,3、应用范围,碳素工具钢只适宜制作尺寸较小、形状简单受载轻、生产批量不大的模具。,如：T7-轻载小型冷作模，T8-拉深模，T10-冷镦模，T12-拉丝、切边模,（二）GCr15钢,1、主要性能特点,GCr15钢是专用轴承钢，冶金质量较高，与碳工钢相比：,硬度高，耐磨性好 接触疲劳强度高淬透性高，淬、回火变形开裂倾向小回火稳定性高，有

15、较高的强韧性使用寿命大幅提高,2、热加工工艺,GCr15钢的锻造性能较好，工艺规程一般是：加热温度：10501100 始锻温度：10201080 终锻温度：850，锻后缓冷。,锻造工艺不当，碳化物将出现不良分布。,1)锻造,2)球化退火与正火,锻后采用等温球化退火：,加热温度：770790，保温24h。等温温度：690720，等温46h。退火后硬度：217255HBW。,锻后若出现网状、条状碳化物，在退火前必须正火。,正火工艺：加热温度 930950。冷却方式 小型模块，空冷；较大模块，鼓风或喷雾；大型模块，热油中冷却。,3）淬火与回火,淬火加热温度：830860，油冷。尺寸较大或分级淬火的模

16、具，宜选840860。尺寸较小模具，宜选830850。箱式炉加热应比盐浴炉加热温度高。,3、应用 适于制作精度要求较高的小尺寸落料模、冷挤压模、搓丝板和成型模。,二、低变形冷作模具钢,成分特点：碳工钢+少量Gr、Mn、Si、W、V,典型钢种：CrWMn、9Mn2V、MnCrWV,（一）CrWMn,1、主要性能特点,淬透性良好（4050模具油中可淬透）耐磨性良好（W碳化物作用）淬火变形小易形成网状碳化物，锻造不良，韧性差,2、热加工工艺,1）锻造加热：11001150，始锻：10501100,终锻：800850，锻后空冷至650后缓冷,2)退火与正火,退火工艺：加热790830，等温700720

17、，保温12h，炉冷至550出炉。,锻造不良，出现网状碳化物或粗大晶粒时，需正火。,正火工艺：930950保温后空冷,3)淬、回火,图26、27为CrWMn钢的力学性能与淬火温度的关系：,综合两图分析：普通淬火温度820840油冷适宜，硬度可达6365HRC。,图28为CrWMn钢普通淬火与等温淬火的力学性能比较。,由图可见：要求高韧性的模具，采用等温淬火合适。,图28,图29、210、211为CrWMn钢回火温度与力学性能的关系。,由图可见CrWMn 钢回火温度160200合适,图29,图210,图211,3、应用范围,主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载冲裁模，轻载拉深、弯曲、翻边模。,C

18、rWMn钢碳化物易产生偏析的问题，生产中往往难以解决，造成模具使用中脆断损坏比较严重，建议选用MnCrWV或9CrWMn钢替代。,（二）9Mn2V钢,1、主要性能特点,与CrWMn钢相比，二者耐磨性相近，9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂的倾向性比CrWMn钢小，但淬透性低，回火稳定稍差。,2、热加工工艺,1）锻造 始锻：11301160，终锻：800850，,空冷至650700转入炉灰中冷却。,2）退火 加热750770/35h，等温0700/46h。,3）淬、回火,图211、图212为9Mn2V钢的力学性能与淬火温度的关系。,图211,图212,由图分析可知：9Mn2V钢的淬火温度范围

19、较宽，在840以下淬火，力学性能基本不变，840以上淬火，综合力学性能将会下降。因此合适的淬火温度为780840，根据模具的性能要求在此范围可适当调整。,淬火一般采用油冷，形状复杂的模具可用100热油冷却或硝盐浴分级淬火。,图214是回火温度对9Mn2V钢的硬度和冲击韧性的影响，分析可知：,因此，9Mn2V钢适宜的回火温度为160180。,在200250回火，出现明显的回火脆。在200以上回火，硬度下降速率增大，表明回火稳定性差。,3、应用范围,9Mn2V钢适用于制作钢板厚度小于4mm的冷冲模，还适合制作精密量具。,图214,（三）其他低变形冷作模具钢,应用较多的低变形冷作模具钢还有9CrWM

20、n、MnCrWnV、SiMnMo等。往往作为CrWMn和9Mn2V的替代钢种，使用效果良好。,Cr12 型钢包括 Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1。其中Cr12Mo1V1属于新型钢种。,此类钢从成分特点看属于高碳高铬钢，从组织特点看属于莱氏体钢，从应用上看，应用广，用量大。既有传统钢种，也有新型钢种，典型钢号有：Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr4W2MoV.,（一）Cr12 型钢,三、高耐磨微变形冷作模具钢,1、主要性能特点,应用状态，组织中含有大量铬的碳化物颗粒，耐磨性很高。具有高硬度、高抗压强度和高承载能力。淬火变形小，通过淬火温度的调整可达微变形程度。,Cr

21、12 型钢特点比较：,Cr12碳量高达2.3%，碳化物不均匀性严重，脆性大；Cr12MoV碳量减少至1.5%，Mo、V加入碳化物细化，韧性增加；Cr12Mo1V1钢Mo、V进一步增加，碳化物更加细化，韧性更好，但锻造性稍差，难退火。,2、热加工工艺,1）锻造 Cr12型钢因是莱氏体钢，轧制后仍残留明,显的带状和网状碳化物，将造成模具淬火开裂，严重损害钢的力学性能，必须严格锻造，使碳化物级别符合要求。（P24：表211为碳化物级别与力学性能的关系）,锻造工艺,预热750850，加热10501100始锻10001050，终锻850900,Cr12型钢锻造性能差，必须坚持多向、多次镦拔才能使碳化物碎

22、化并分布合理。,2）退火 锻后应及时退火。,等温退火工艺,加热850870/24h,等温740760/46h炉冷至550以下出炉空冷,退火后的硬度为207255HBW，便于切削加工。,3）淬火与回火 图215、216是淬火温度对Cr12MoV钢的组织和性能的影响。,图215,图216,由图分析可知：,随着淬火温度升高，淬火硬度相应增加。淬火温度大于1050若再提高淬火温度，残留奥氏体大幅增加导致硬度急剧下降。淬火温度大于1050淬火，奥氏体变粗，抗弯强度、冲击韧度明显降低。,图217、218、219是回火温度对Cr12MoV钢力学性能的影响。,图217,图218,图219,由图分析可见：,钢在

23、520左右回火出现明显的二次硬化。在200左右回火，其抗弯、抗压强度最高。在400左右回火，断裂韧度最高。,因此，Cr12 型钢的淬火、回火温度应根据模具的性能要求而定，一般可选用三种淬回火工艺。,低温淬火及低温回火淬火温度分别为Cr12 钢950980，Cr12MoV钢为10001020，Cr12Mo1V1钢为9801040，回火都为180200。,性能特点：具有高的硬度、耐磨性及韧性，但抗压强度较低,高温淬火及高温回火 淬火温度分别为：Cr12 钢为10001100，Cr12MoV钢为11151130，Cr12Mo1V1钢为10601100，回火都为500520。,性能特点：具有高耐磨性、

24、热硬性及较高抗压强度。,中温淬火及中温回火 主要用于Cr12MoV钢，淬火温度为10201040，回火400425。,性能特点：最好的韧性，较高的断裂韧度。,Cr12 型钢淬火可采用空冷、油冷、分级淬火，回火可采用油冷或空冷，回火次数13次。,3、应用范围,Cr12钢：只适用于制造冲击负荷小、耐磨性要求高的冲切薄硬钢板的冲裁模。,Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢：广泛用于制造大截面、形状复杂的重载模具，如切边模、落料模、滚边模、拉丝模。,Cr12Mo1V1脆断倾向最小，模具寿命是Cr12MoV的几倍。,（二）Cr4W2MoV钢,Cr4W2MoV钢是新型中合金冷作模具钢，Cr量比Cr12型钢

25、减少2/3，性能相近，主要特点如下：,1、主要性能特点,共晶碳化物颗粒细小，分布均匀。具有较高的淬透性和淬硬性。具有较好的耐磨性和尺寸稳定性。（具体性能指标见教材表212、213）,1、热加工工艺,Cr4W2MoV钢锻造温度较窄，变形抗力较大，锻造时应注意这点。,加热：11301150，始锻：10401060终锻：850，坑冷或热砂缓冷。,2）退火 采用等温退火。,1）锻造,加热：860/3h，炉冷至760等温46h出炉缓冷。（球化效果良好，硬度小于241HBW）,3）淬火与回火,根据模具工作条件可采用两种淬回火工艺：,要求耐磨性和热硬性高的模具：10201040淬火，520540三次回火。,

26、要求韧性好、变形小的模具：960980分级淬火，270290回火二次。,Cr4W2MoV钢主要用于制造各种冲模、冷镦模、落料模、冷挤凹模及搓丝板，可替代Cr12 型钢。,3、应用范围,三、其他高耐磨微变形冷作模具钢,中合金冷作模具钢Cr6WV：具有较好的耐磨性和韧性的配合，碳化物分布均匀，淬火变形小。主要用于制造高强度、高耐磨和承受一定冲击载荷的模具，如钻套、冷冲模及冲头等。,中合金空冷模具钢Cr5Mo1V：引自美国的A2开发的新钢种，具有良好的空冷硬化性能，这对制造形状复杂的冷冲模是极为有利，特别适于制造要求高耐性又要求好的韧性的模具，如下料模、冲头、滚丝模、剪刀片等。,（以上两只钢的热处理

27、工艺见教材表214）,四、高强度高耐磨冷作模具钢,典型钢种：即高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,1、主要性能特点,成分特点：Wc：0.7%0.9%,性能特点：具有高屈服强度、高抗压强度、高抗弯强度，高耐磨性，同时具有很高的回火稳定性和热硬性。承载能力位于各传统冷作模具钢之首。（与Cr12MoV的性能比较见教材表215）,主要缺陷：轧材中存在大量的合金碳化物，并且成带状、网状、块状分布，只能用改锻的方法使之细化。其次，导热性差、韧性不足，易脱碳氧化。,耐磨性比较见图220,图220,2、热加工工艺,1）锻造,钨系高速钢：加热11201150，始锻10401050，终锻900950，锻后

28、坑冷、砂冷或炉冷。,钼系高速钢：始锻10001020，终锻850,工艺要点：应反复镦粗与拔长，锻造比一般为10左右,2）退火 常采用等温退火,W18Cr4V钢：加热870880/24h，等温720750/46h，随炉冷至600650 出炉空冷。,W6Mo5Cr4V2钢：加热850860，其余工艺参数同上。,3）淬回火,高速钢传统的用途主要用制造高速切削的各类刀具，为了满足刀具的热硬性和耐磨性的要求，常采用高淬高回的热处理工艺，这种处理对于刀具虽然满足了热硬性和耐磨性的要求，但韧性不足。,W6Mo5Cr4V2钢经不同淬火温度和回火温度的处理，其硬度和韧性的变化见图221。,图221,由图可见，如

29、要求较高的韧性，采用低温淬火工艺较合理。,因此，高速钢用于重载模具常采用低淬低回或低淬高回的工艺。,具体工艺如下：,W18Cr4V钢：11001250加热淬火，560 回火三次或150250 回火一次。,W6Mo5Cr4V2钢：10501200 加热淬火，560 回火三次或150250 回火一次。,经此处理硬度约为5864HRC，韧性良好。,3、应用范围,高速钢主要用来制作重负荷冲头，如冷挤压钢铁材料的凸模，冷镦冲头，中厚钢板冲孔冲头（1025），直径56mm的小凸模以及用于冲裁奥氏体钢、弹簧钢、高强度钢板的中、小凸模和粉末冶金压模等。,W6Mo5Cr4V2钢的综合性能优于W18Cr4V钢，制

30、作重载冲头的使用效果更好。,五、抗冲击冷作模具钢,这类钢化学成分接近合金调质钢，主加元素Mn、Si、Cr、W、Mo（见教材表217）。,（一）铬钨硅系钢,典型钢种：4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si,（均已纳入国标）,1、主要性能特点,淬透性良好，碳化物少，组织均匀，淬火组织以板条状马氏体为主。,具有高抗弯强度，高冲击疲劳抗力高韧性和一的耐磨性。,抗压强度低，热稳定性差。,淬火变形难以控制，脱碳敏感性较大。,2、热加工工艺,1）锻造,始锻：11501180，终锻：800850，锻后缓冷。,2）退火,普通退火：加热800820/35h，炉冷至550出炉空冷。,为了改善切削加工性可采用

31、软化退火（高温回火）。,工艺：加热710740/36h，炉冷或空冷。,3）淬火与回火,图222为铬钨硅系钢的热处理特性：,a）淬火温度对6CrW2Si钢的硬度和冲击韧度的影响b）5CrW2Si钢的淬火工艺、回火温度对硬度的影响c）5CrW2Si钢的淬硬层曲线d）回火温度对6CrW2Si钢硬度、冲击韧度的影响,综合分析可知：铬钨硅系钢具有较好的淬透性及明显的强韧性峰值。淬硬性低的4CrW2Si钢进行渗碳淬火，可以获得良好的综合力学性能。,铬钨硅系钢在300350回火有轻微的回火脆，450左右回火可以获得较高的冲击韧度。因此回火工艺有两种选择，即20250低回和430470中回。,铬钨硅系钢适宜的

32、淬回火工艺为：,淬火加热：860900油冷，淬火硬度5357HRC,回火加热,消除应力，稳定组织：200250，5358HRC,良好韧性：430470，4550HRC,3、应用范围,4CrW2Si钢：主要制造大中型重载冷镦冲头及精压模,5CrW2Si钢：主要制造重载冷剪刀片、中厚钢板穿孔冲头及风动工具等。,6CrW2Si钢：常用于耐磨和强度要求较高的重载冲模、压模。,（二）9SiCr,该钢是传统的低合金工具钢，广泛用于制造薄刃具，也多用于制造形状复杂的轻载冷冲模。,主要性能特点：,具有较好的淬透性和回火稳定性。,碳化物颗粒细小，组织均匀。,淬火变形较小。脱碳倾向大。,淬回火工艺：,图223为淬

33、、回火温度对9SiCr钢的力学性能的影响,综合分析可知，适宜的淬回火工艺为：,淬火工艺：加热860880油冷、分级。,回火工艺：,硬度要求为6264HRC时，取180220回火。硬度要求为5658HRC时，取280320回火。硬度要求为5456HRC时，取350400回火。,应用范围：,主要用于制造形状复杂、变形小，耐磨性要求较高的冷作模具，如冲模、打印模、搓丝板、冷轧辊等。,（三）其他抗冲击冷作模具钢,典型的合金弹簧钢60Si2Mn常作为抗冲击工具、模具使用，如标准件行业中的冷镦模冲头、螺母冷镦模具等。,（抗冲击冷作模具钢的常规热处理工艺见教材表218）,六、高强韧性冷作模具钢,低合金钢、不

34、锈钢和轴承钢冷挤压技术的发展对冷作模具钢担出了更高的要求，不但要有高硬度、高耐磨性，而且还要有高韧性。能够满足这些性能要求的只有近年来研制的降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等。其典型钢种的牌号及成分见教材表229。,（一）降碳高速钢6W6Mo5Cr4V（6W6）,1、主要性能特点,与高速钢比较碳、钒含量减少较多，使得碳化物总量减少，碳化物不均匀性得到改善。,淬火硬化状态的抗弯强度和塑性提高了30%50%，冲击韧度提高了50%100%，硬度降低了23HC。,易脱碳，耐磨性稍差。,2、热加工工艺,1）锻造 始锻温度：10501100，终锻温度：850900，锻后缓冷。,2）退火 可

35、按高速钢进行。,3）淬回火 图224是淬、回火温度对6W6钢的力学性能的影响：,图 224,由图分析可知：为了获得良好的韧性和较高的耐磨性，可采用较低温度淬火和较高的回火温度，即：,加热11801200油淬，560580/1.5h回火三次。,3、应用范围,6W6钢主要用于取代高速钢或Cr12型钢制作易于脆断或开裂的冷挤压凸模或冷镦模，寿命可提高210倍；用于大规格的圆钢下料剪刀寿命可提高10倍。,（二）基体钢,是指具有高速钢正常淬火时基体成分的钢。,典型钢种：65Cr4W3Mo2VNb（65Nb）,7Cr7Mo2V2Si（LD）,5Cr4Mo3SiMnVAl(012Al),1、65Nb钢,（1

36、）主要性能特点,具有高速钢的强度、硬度和耐磨性，又有较好的韧性。,钢的工艺性能得到很大改善，直径小于50mm的钢,轧材坯料不需改锻，仍可获得满意的性能和寿命。,（2）热加工工艺,1）锻造 始锻：10801120，终锻：900850，锻后缓冷。,2）退火 加热860/730740等温。,该钢退火易软化，延长等温时间，硬度可降至180HBW，为模具的冷挤压成型提供了条件。,3）淬火与回火 图225是淬火温度对65Nb钢力学性能的影响,由图可见，当淬火温度大于1180，晶粒粗化，残余奥氏体增加，硬度、强度下降。,适宜淬火温度为：10801180,回火温度与力学性能的关系见教材表220。,由于有二次硬

37、化现象，65Nb钢一般,采用高温回火，回火温度为520580/12h，二次。,图225,生产中常根据模具的不同用途，采用不同的淬、回火工艺，具体工艺方案及性能见教材表221。,（3）应用范围,65Nb钢适于制作形状复杂的非铁金属挤压模、冷冲模、冷剪模及单位压力为2500MPa左右的钢铁材料冷挤压模具，也可用于轴承、标准件、汽车行业中的锻模、冲模及剪切模具可获得高的使用寿命。,2、7Cr7Mo2V2Si（LD）,该钢不含钨，铬、钼、钒含量都高于高速钢基体，二 次硬化强烈，淬透性提高，晶粒细化。所以，该钢性能优于Cr12型钢、高速钢、，具有高强度、高韧性和高耐磨性。其次是冷热加工工艺性良好，通用性

38、强。,（1）主要性能特点,（2）热加工工艺,1）锻造 宜缓慢加热，锻造温度严格控制在11301150，终锻温度为850，锻后砂冷。,2）退火 采用球化退火。加热840860/2h，等温700720/46h，缓冷至400以下出炉空冷。,3）淬火与回火 LD钢淬火温度与硬度、晶粒度、残留奥氏体量的关系及回火硬度见教材表222、223。,综合分析：淬火温度为11001150。淬后有34%的残留奥氏体。,回火温度540570/12h，回火23次。,高韧性要求的模具，也可以采用低淬低回工艺。,（3）应用范围,广泛用于冷挤、冷镦、冲压和弯曲等冷作模具的制造，其寿命可比高铬钢、高速钢提高几倍到几十倍。,3、

39、5Cr4Mo3SiMnVAl(012Al),（1）主要性能特点,碳量较低，为0.47%0.57%。强韧性高，热疲劳性好。是冷、热兼用型模具钢。渗碳性能良好，可通过渗氮进一步提高耐磨性。,（2）热加工工艺,该钢导热性差，变形抗力大，锻造较为困难。,锻造工艺：加热11001140，始锻10501100 终锻850以上，锻后砂冷。,退火工艺：加热850870/4h，炉冷至710720/6h，保温结束炉冷至550出炉空冷。,淬火工艺：用于冷作模具最佳工艺为500和800二次预热，盐浴加热10901120油淬。,回火工艺：510回火二次，每次2h油冷。回火硬度为6062HRC。,（3）应用范围,012A

40、l用于冷作模具，主要替代Cr12MoV钢制作冷镦模、中厚钢板凸模、搓丝板、内六角凸模、切边模等，使用寿命比Cr12MoV钢大幅提高。,（三）6CrNiSiMnMoV（GD）,基体钢的缺陷是：合金化程度高，钢材成本较大。淬火温度区间都较窄，一般不能用箱式电阻炉加热，限制了该项钢在中小企业的推广使用。GD钢就是针对上述缺陷研制的新钢种。,主要性能特点：,钢的韧性、抗压强度等性能显著优于CrWMn和Cr12MoV钢，但耐磨性略低于Cr12MoV。碳化物偏析小，可以不改锻，下料后直接使用。,淬透性良好，空冷可以淬硬，淬火变形小。淬火加热温度低，区间宽，可采用油淬、风冷及火焰加热淬火，回火温度也低，利于

41、节能。淬硬性良好，油淬硬度可达6465HRC，空淬硬度可达6061HRC,最佳热处理工艺：,淬火加热870930，回火175230/2h一次。,应用范围：GD钢主要替代CrWMn、Cr12型钢、9Mn2V、6CrW2Si钢制造各种异形、细长薄片冷冲凸模，形状复杂的大型凸凹模，中厚钢板冲裁模、剪刀片及精密淬硬型塑料模具等。,（四）7CrSiMnMoV（CH-1）,CH-1钢又称火焰淬火钢，也称低合金空淬模具钢。是为适应大型、特大型模具的热处理要求、缩短制造周期、节约生产成本而研制的新钢种。,主要性能特点：,具有高强韧性（参见教材表226）。,耐磨性良好（见下图）。,CH-1钢耐磨性比较,淬火温度

42、范围很宽，在860960范围内变化，利于火焰加热淬火。,淬透性好，淬硬性高，热处理变形小，空冷后硬度可达60HRC以上。,碳化物偏析小，塑性变形抗力低，锻造性能良好。,焊接工艺性好，能满足冲模的焊补要求。,应用范围：,主要用于大型、形状复杂的多孔位薄板冷冲模，如汽车覆盖件冷冲模，也可以替代Cr12MoV钢制造强韧性要求高的冷作模具。,（五）8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）,8Cr2S钢又称易切削精密冷作模具钢，主要性能特点如下：,淬透性、淬硬性良好，100mm的圆钢空淬或硝盐分级淬火，硬度可达6164HRC。,热处理工艺简单，作为预硬钢的热处理工艺为：（860880）2min/mm空冷，（

43、550620）2h回火。作为高硬态模具的热处理工艺为：860900空淬，160250回火。,具有较高的强韧性（见教材表228）。,切削加工性良好，退火态可比一般工模具钢缩短加工工时30%以上，硬度为4045HRC的调质状态仍可采用高速钢刀具顺利地进行车、铣、刨、钻、镗 攻螺纹等常规加工。,热处理变形小。,具有良好的表面热处理性能。,应用范围：,作为预硬钢，适于制作精密的塑料模、胶木模和印刷电路板冲孔模，与其他模具钢相比，配合精度提高，使用寿命提高。,作为高硬态钢，主要制作精密零件的冲裁模，如手表零件、电子零件的冲裁模，寿命较传统模具钢都有大幅提高。,（高强韧性冷作模具钢的热处理规范见教材表22

44、9）,七、高耐磨高韧性冷静作模具钢,高强韧性冷作模具钢由于钢中含碳量的减少，耐磨性不如高铬钢和高速钢，高耐磨、高强韧性冷作模具钢弥补了这类钢不足。,典型钢种：9Cr6W3Mo2V2（GM）,Cr8MoWV3（ER5）,（一）GM钢,1、主要性能特点,与高铬钢、高速钢相比，碳化物不均匀程度大大降低，晶粒细化，强度、韧性提高，具有最佳的耐磨性和强韧性配合。（见教材表231）,2、热加工工艺,（1）锻造 加热11001150，始锻1100，终锻850900，锻后缓冷并及时退火。,（加热要缓，锤击时应按轻重轻法则操作）,（2）退火 采用球化退火。加热850870/3h，炉冷至730750/46h，炉冷

45、至500出炉。,（3）淬火与回火,图227,淬火温度对GM钢硬度的影响见图227。,淬火温度对GM钢残留奥氏体量的影响见图228。,淬火温度对GM钢奥氏体晶粒尺寸的影响见图229。,图228,图229,由图分析可知：GM钢有较宽的淬火温度，淬火后晶粒细小，残留奥氏体量少。,通常淬火温度为：10801120，油淬。,淬火硬度为：6466HRC。,回火温度对GM钢硬度的影响见图230。,图230,由图可见，GM钢二次硬化能力显著高于Cr12型钢，接近高速钢水平，硬化峰值范围宽，说明回火稳定性高。,GM钢适宜的回火温度为：,520540/2h，回火2次.,3、应用范围,主要用于多工位级进模、高强度螺

46、栓滚丝模和电机 转子片复式冲模等，其寿命比65Nb钢和Cr12MoV钢提高26倍以上。,（二）ER5钢,1、主要性能特点,与基体钢相比，ER5钢提高了C、V、Cr、Mo、W等碳化物元素的含量，因此，在保持高韧性的同时，耐磨性比基体钢、GM钢好，远远超过Cr12MoV（见教材表232、233）。,2、热加工工艺,锻造：锻造性能良好，始锻1150，终锻900。,退火：860/2h，冷至760/4h，炉冷至500以下出炉空冷，硬度为220240HBW。,淬火与回火：淬火温度宽，二次硬化效果好，热处理变形小。一般工工艺为1120加热，550三次回火。,应用范围：适于制作大型重载冷镦模、精密冷冲模等。如

47、用ER5制作的电动机硅钢片冲模，总寿命达500万次。,八、特殊用途冷作模具钢,耐蚀冷作模钢：9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo等。,这类钢的成分特点是高碳高铬，淬火后马氏体中含铬量高达12%，所以，既有高的耐磨性又有良好的耐蚀性能，主要用来制作耐蚀塑料模具。,无磁模具钢：7Mn15Cr2Al3V2WMo,该钢锰含量高，在使用状态呈稳定的奥氏体组织，所以导磁率非常低，在磁场中不被磁化，主要用来制造磁性材料的成型模具和无磁轴承。,热处理工艺：1170固溶淬火，650750时效15h，可获得较高强度、硬度和耐磨性，但切削加工性较差。,九、硬质合金,种类：金属陶瓷硬质合金、钢结硬质合金,1、金属

48、陶瓷硬质合金,成分：碳化物粉末（WC、TiC)+粘结剂（Co、Ni）,性能特点：具有高硬度、高抗压强度和高耐磨性，脆性大，不能进行锻造、热处理及切削加工。,应用：用于冷冲模的硬质合金一般是钨钴类（Co+WC），主要用于制作多工位级进模、大直径拉深凹模的镶块。（钨钴类硬质合金的力学性能见教材表234）,2、钢结硬质合金,钢结硬质合金与金属陶瓷硬质合金比较：,粘结剂为合金钢粉末。力学性能特点相同，但钢结硬质合金具有可加工性和热处理性。,典型牌号：GT35、TLMW50、DT,其中DT合金是较理想的有代表性的工模具材料,（1）DT合金的力学性能（见教材表235）,具有高硬度、高耐磨性和高强度，又有一

49、定的韧性，还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、碎裂等。,（2）DT合金的热加工特性,等温球化退火工艺：860880/23h，炉冷，700720/6h，炉冷至550以下出炉空冷。,淬火、回火工艺：预热800850，加热10001020油淬。,回火温度取决于合金钢基体的成分，一般采用低温回火或高温回火，回火时间为2h。,锻造工艺：,经烧结态的合金必须经过锻造成形，提高合金密度，降低碳化物偏析。DT合金导热性差，预热要充分，加热要缓慢均匀，要防止氧化脱碳，变形量控制在5%，采用轻锤快打，防止锻裂。锻后要缓冷，严禁水冷、空冷。,工艺为：预热700800，始锻11501200，终锻880900。,（3

50、）DT合金的切削加工,DT合金退火后能够进行各种切削加工，但加工难易与加工工艺参数有很大的关系。,磨削加工时，应采用高转速，小磨削量，并供给充足的冷却液，磨削退火工件，采用干磨合适。,电加工后，一般要采用二次回火来消除硬化层，并仔细研磨电加工面。,（4）DT合金的应用,DT合金性能优越，现已越来越多地用于制造冷镦模具、冷挤压模具、冲裁模具、拉深模具等，使用寿命比高速钢和高铬钢提高几倍到几十倍。,DT合金价格比合金钢贵几倍，小批量生产时，技术经济效益不明显。为了节约材料，制作模具时，一般采用镶套、焊接、粘结和机械组合连接的方法。,第三节 冷作模具的选材,一、冷作模具的选材原则,1、满足模具的使用