第03章 模具材料及热处理

冷挤压凸模的失效形式：主要是断裂、塑性变形及磨损； 凹模的主要失效形式是胀裂及磨损。 2．性能要求 具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模要求硬度为6163HRC，凹模要求硬度为58-62HRC。由于冷挤压时产生较大的温升， 所以还应具有一定的冷热疲劳抗力和热硬性。
（四）拉拔模及成形模--包括拉深模、胀形模、弯曲模和拔管模，
（三）模具选材的一般原则
1.使用性能足够 根据工作条件,失效形式、寿命要求、可靠性的高低等提出 材料的强度、硬度、塑性、韧性等使用性能要求,使所选材料 足够满足使用要求。 2.工艺性能良好 根据制造工艺方法不同使所选材料具有良好的工艺性能，即 首先是能制造出来。在批量大时，对便于制造显得更为突出。 3.供应上能保证 所选材料应考虑我国资源和现实供应情况，尽量少用进口材 料，并且品种规格应尽量少而集中，以便于采购管理。
4）抗热性能 ☆热强性能和热硬性 热强性能—是指高温下的强度性能。短时高温强度较多考虑高 温屈服强度和抗拉强度，长时高温强度则需注意蠕变极限和持 久强度。 ☆热硬性：一般指材料在升高到较高温度时保持硬度稳定的能 力。 热硬性通常与加入的合金元素有关。
☆热稳定性：指高温化学腐蚀抗力。一般可加入合金元素（Cr、
6、模具的设计因素 1）不同模具采用不同结构材料 对于大型、复杂模具可选用组合、镶嵌结构；不同目的组件， 性能要求不同，选不同材料；例如，在刃部、型面部分或某些经 受强烈磨损、冲击或高温的部位采用贵重的高性能材料，其他的 模体部分，性能要求不太高，可采用较低级材料。 2）选材和表面强化处理结合，选普通材料，工作表面或局部表 面采用表面强化处理，如堆焊、激光表面处理、沉积技术等。
这些模具可使板材或棒材延伸、压制成形。 1．工作条件及主要失效形式 模具工作时受载较轻，但模具表面有强烈的摩擦。凹模主要 受径向张力作用，凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力作用。 主要失效形式：成形模具主要是磨损，拉拔模除了严重磨损外， 还会产生“粘附”(咬合)，即在温度和压力作用下，模腔局部表 面可与坯料发生焊合，使小块坯料粘附在模腔表面形成坚硬的小 瘤，这些小瘤将使制品表面产生划痕和擦伤。 2．性能要求 拉拔模性能主要要求是高的耐磨性，一般凸模硬度要求为5862HRC，凹模硬度要求为62-64HRC；要求具有良好的抗咬合性。对 成形模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度为54-58HRC，凹模硬度 为56-60HRC，但要求较高的韧性。
（2）耐磨性—是衡量模具使用寿命的重要指标 ☆磨损形式不同，影响耐磨性的因素也不同，主要因素是硬度和 组织。 例：冲击载荷较小时，耐磨性和硬度成正比关系； 钢的组织中，马氏体和下贝氏体耐磨性较好； 钢中碳化物的性质、数量、形态、分布对钢的耐磨性有显著的 影响。 （3）强度和韧性 ☆强度—衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标； 例： 冷作模具：变形抗力—屈服强度，断裂抗力—抗拉强度、抗 弯强度等； 热作模具：变形抗力—高温屈服强度，断裂抗力—抗拉强度， 断裂韧性等； ☆韧性—冲击载荷下抵抗产生裂纹的特性，反映脆断抗力。常用冲 击韧性（αK）表示。 ☆材料的强度和韧性主要取决于材料的成分、冶金质量、热处理工 艺，碳化物的性质、数量、形态、分布对其有显著的影响。
思考题 第一章： 1、模具和模具材料一般可以分为哪几类? 2、模具材料的主要性能指标有哪几种?简述模具钢的硬度和 耐磨性的关系。 3、什么是热硬性?什么是冷热疲劳?试举例说明其对模具寿 命的影响。 4、模具失效的主要原因有哪几方面? 5、改进和优化模具结构设计的最基本作用是什么?举例说明 其作用对模具寿命的影响 6、简述模具材料对模具寿命的影响，并举例说明。 7、正确使用和维护模具应注意哪些方面? 8、总结影响模具寿命的主要原因及提高模具寿命的主要措 施 9.总结模具材料的主要性能指标。 10、模具失效的主要形式和原因。
Si、v等)生成致密氧化物膜,以提高抗氧化性。
☆热疲劳抗力：反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳破坏的
性能指标。例
热作模具：急冷急热的热疲劳作用。
☆抗粘着性（抗合性)模具在工作中，有时受到强烈摩擦及高 温的 作用、发生模具材料与加工材料间直接接触，并互相粘 结合。所以要求模具材料表面具有一定的抗粘着性。
2．性能要求
冲裁模的主要性能要求是高的硬度和耐磨性，足够的抗压、 抗弯强度和适当的韧性。由于被冲板料厚度不同，对其性能要求 有所差异。 例：对于薄板 (板厚≤ 1.5 mm)时，冲裁模以高耐磨性、高精度 要求为主； 对于厚板(板厚>1.5mm)，除要求高耐磨性外，还应具有良好 的强韧性； 另外，模具的功能不同，对性能要求也不同。
第五章 模具材料及热处理 模具材料概述 冷作模具钢及热处理 热作模具钢及热处理
塑料模具钢及热处理
其它模具材料及热处理
第一节
一、模具材料分类
模具材料概述
二、模具材料的主要性能指标
模具材料的成分、组织、质量及性能对模具的承载能力、使 用寿命、加工精度、制造成本等有显著的影响.模具材料的性能相 对于一般零件为高,一般从使用性能和工艺性能二大方面考虑:
3、模具所加工的产品因素 1）产品批量大、小 批量大时采用材质高、性能好的材料；批量小时采用性 能较差、寿命较短、加工简便的材料. 2）制件质量要求高低 精度要求高、表面粗糙度值要求低，则所选模具材料要 从成分、材质上保证模具制造时有较好切削抛光性能。
3）产品的材质
所加工产品的材质的不同，模具工作温度和工作条件，选择 合理的材料。 4、模具的结构因素 1）模具尺寸—大、中、小模具应选用不同的材质，大型模具材 料应好些，特别是淬透性、热作模具的大型模要求有更高抗热性。
第二节 冷作模具材料 冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所 使用的模具。它主要分冲裁模、拉拔及压型模、冷镦模和冷挤 模 一、 冷作模具的工作条件、失效形式及性能求 （一）冲裁模—主要用于各种板料的冲切成形；按功能不同可分为 落料模、冲孔模、切边模等。 1．工作条件及主要失效形式 冲裁模的工作部位是刃口。冲裁时，刃口受到弯曲和剪切的 作用，还要受到冲击。同时，板料与刃口部位产生强烈的摩擦。 冲裁模的正常失效形式主要是刃口磨损，磨损达到一定程度 后，使冲裁件产生毛刺；生产中常用磨削的方法使刃口重新锋利， 经过多次磨刃后，凸模变短，凹模变薄，直至无法工作而失效。 此外，由于模具安装调试不当，冲裁时操作不规范或热处理不当 等造成崩刃和凸模折断等非正常失效。
（二）工艺性能要求 1）热加工工艺性能：包括锻、轧、铸造、焊接等性能.由模具 制造工艺、材料成分、冶金质量、组织等影响. 2）冷加工工艺性能：包括切削、抛光、磨削、研磨等. 对现代的压制产品有时要求很高的表面质量，低的表面粗糙度 及高的精度，所以对切削性能和抛光性能均有很高要求。 特别对于有些塑料模具具有高的表面质量（如镜面）。 3）热处理性能：它的好坏对模具质量有较大影响。热处理变 形小、淬硬性、淬透性等。 淬硬性保证了模具的硬度和耐磨性，淬透性保证了大尺寸模 具的强韧性和断面性能的均匀性，对要求表面高硬度的冲裁、 拉深模，淬硬性显得更重要。而对于要求整个截面的 均匀一致 性能的热锻模来说，淬透性往往更为重要。
1、模具材料的使用性能要求 （1）硬度和热硬性 ☆成形模具应具有足够高的硬度，才能确保使用寿命。它是保证模 具形状和尺寸稳定而不迅速发生变化，对模具材料来说这是基本的 性能要求。一般冷作模具要求52-60HRC；热作模具40-52HRC。 ☆硬度是强度、塑性、韧性、耐磨性等指标的综合反映，在图纸 上一般只标注硬度要求。 ☆热硬性是指模具在受热或高温条件下保持高硬度的能力，如热 作模具和部分冷作模具要求一定的热硬性。 ☆材料的硬度和热硬性主要取决于材料的成分、热处理工艺及表 面处理工艺。
4.经济性合理 要求所选材料，生产过程简单、成品率高、成本低。这里， 要综合考虑总成本，而不能片面追求一次性成本的高低。另外 在满足性能、寿命等要求下，尽可能选用价格低的材料，以降 低成本。 。
四、模具选料的具体考虑因素 （一）模具的工作条件因素 1、承载受力的大小、速度（冲击状况） 受力大，材料要求强度高；冲击大，则韧性要求好 2、工作温度 冷作模具、塑料、热作三类模具因为工作温度有很大区别，所 以材料的抗热性能要求有很 大不同。 3、腐蚀情况 腐蚀严重时要考虑不锈钢类的材料，例如加工易产生腐蚀性 气体的塑料件时，可采用不锈钢类型的模具材料。 （二）模具的失效因素 模具的失效形式主要有塑性变形失效、磨损失效及断裂失效。 根据失效分析，找出失效原因，提出解决问题的主要性能指表， 有针对性的进行选材。
五、模具材料的发展趋势 1）压力加工工艺迅速发展，新工艺不断出现，对模具的各种 要求愈来愈高，所以对模具材料的性能要求也愈来愈高。模具 材料的发展趋势由碳素工具钢、低合金工具、高合金工具钢高 合金材料。还出现一系列新材料，例如基体钢，马氏体时效钢 等。 2）模具热处理新技术，特别是表面强化处理工艺发展很快，特 别是出现用碳钢及低合金钢等低级材料进行表面强化处理代替 高合金钢的动向。 3）根据生产发展需要和本国资源情况，模具钢号不断筛选精简、 补充更新，因此，目前新钢种在模具材料应用中不断出现，性 能上，经济性有的优于老钢种。 4）当前模具材料以工具钢为主，也使用高强度结构钢、粉末冶 金材料、有色金属和塑料等。模具材料已从钢材发展到非钢材 料，从金属发展到非金属材料领域。 例如非钢材料已应用的有铸铁、硬质合金、难熔合金、低熔 点合金。
（三）冷挤压模--是常温下，在压力机上对金属以一定的速度和
压力，使金属塑性变形成形的模具。
1．工作条件及主要失效形式
冷挤压成形时，有强烈的三向压应力作用，变形抗力大。挤 压有色金属时，挤压力达1000 MPa以上；挤压钢材时，正挤压力 达2000-2500MPa，而反挤压力达3000-3500MPa。此外，模具还受 到坯料塑变流动的剧烈摩擦，使模具表面局部温升可达300-400℃。 凸模比凹模的工作条件更苛刻，如毛坯端面不平整，冲头与凹模 不同心等，都会使冲头受到很大的弯曲应力的作用。
2）模具形状—形状简单，公差要求低，可选高耐磨材料；反之， 形状复杂，要求材料淬透性好、变形小，易加工； 3）模具不同组件、不同部位差异— 模具组成主要可分为工作零件与辅助零件。 如凸、凹模工作部分硬度、耐磨性、抗热性等要求高；非工作 部分，紧固件、导向机构等可按通常的结构零件的要求来选材, 在强韧性方面要求高一些。
二、 冷作模具钢的分类 钢材 按材料类型 硬质合金 低熔点合金 高分子材料 碳素工具钢 按材料类型 低合金工具钢 高碳高铬或中铬工具钢 高速钢 基体钢
冷作模具材料
钢材
三.冷作模具钢的特点 由于冷作模具钢多为常温下工作，材料的塑性变形抗力大，模 具的工作应力，工作条件苛刻，因此，这类模具性能一般要求高 的硬度和耐磨性，足够的强度适当的韧性。 因此，冷作模具钢通常在成分上以高碳为主，以满足高硬度和 高耐磨性的需要。 如果为了提高模具抗冲击能力，需增加韧性时，可选用中碳钢。 为了提高冷作模具淬透性和耐磨性，通常在高碳钢中加入碳化 物Cr、Mo、W、V等元素。 1. 高碳工具钢（ T7A、T10A、T12A为代表） 1）主要性能特点 ■C%在0.7% ～ 1.3%范围内,随含碳量提高，碳化物量增加，耐 磨性提高，但韧性下降。 价格便宜、来源方便；锻造工艺性好；易退火软化，便于加 工制成模具；热处理后有较高的硬度和一定的耐磨性。
（二）冷镦模--使金属棒料在模具型腔内冷变形成形；主要用于紧
固件、滚动轴承、滚子、链条、汽车零件的成形。 1．工作条件及主要失效形式 工作条件差，有强烈冲击。凸模承受的冲击压应力可超过2500 MPa，冲击频率很高。凹模的型腔表面和凸模的工作表面还受到剧 烈的冲击摩擦，温度可达300℃。 此外，由于坯料硬度不均、端面不平，冷镦机精度不够等原 因，还使凸模受到弯曲应力。 冷镦模的主要失效形式是：凸、凹模工作表面磨损严重，易产生沟 痕或剥落；凸模折断，凹模开裂；凸模镦粗，凹模模口胀大、棱角 堆塌等. 2．性能要求 要求有足够的硬度(凸模60-62HRC,凹模58-60HRC)、高的抗压 强度和冲击韧度。尤其是凹模，需要有良好的强韧性配合，一般整 个截面不能淬透，硬化层深度一般控制在1.5-4mm。硬化层过深， 易碎裂、崩块；硬化层过浅，模腔易磨损、拉毛、粘模而使工件精 度下降。