模具材料及热处理

模具材料及热处理模具材料及热处理1．金属组织1.1金属具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。

金属内部原子具有规律性排列的固体（即晶体）。

1.2合金由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。

相：合金中成份、结构、性能相同的组成部分。

1.3固溶体是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。

1.4固溶强化由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。

1.5化合物合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。

1.6机械混合物由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。

2．金属硬度2.1硬度金属的硬度，是指金属表面局部体积内抵抗外物压入而引起的塑性变形的抗力，硬度越高表明金属抵抗塑性变形的能力越强，金属产生塑性变形越困难。

硬度试验方法简单易行，又无损于零件。

实际常使用的硬度试验方法有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。

三种硬度试验值有大致的换算关系，见表一。

布氏硬度HB：布氏硬度是用载荷为P的力把直接D的钢球压入金属表面，并保持一定的时间，测量金属表面上的压痕直径d，据此计算出的压痕面积AB，求出每单位面积所受力，用作金属的硬度值，叫布氏硬度，记作HB。

布氏硬度的使用上限是HB450，适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。

2.1.1洛氏硬度HRA、HRC：洛氏硬度是工业生产中最常用的硬度测量的方法，因为操作简便、迅速，可以直接读出硬度值，不损伤工件表面，可测量的硬度范围较宽。

但洛氏硬度也有一些缺点，如因压痕小，对材料有偏析及组织不均匀的情况，测量结果分离度大，再现性较差。

洛氏硬度(HR)也是用压痕的方式试验硬度。

它是用测量凹陷深度来表示硬度值。

洛氏硬度试验用的压头分硬质和软质两种。

硬质压头为顶角为120o的金刚石圆锥体，使用于淬火钢等硬的材料。

HRA硬度有效范围是>70，适用于硬质合金、表面淬火层及渗碳层;HRC硬度有效范围是20-68(相当于HB230-700,HB450-700超出了布氏硬度的使用上限)，适用于淬火钢及调质钢。

2.1.2洛氏硬度HRB洛氏硬度HRB的测量采用直径1.588mm(1/16")的钢球，适用于退火钢、有色金属等，硬度有效范围是25-100（相当于HB60-230)。

2.1.3维氏硬度HV维氏硬度也是利用压痕面积上单位应力作为硬度值计量。

维氏硬度所使用的压头是锥面夹角为136o的金刚石四方锥体。

试验时，在载荷P的作用下，在试样试验面上压出一个正方形压痕。

测量压痕两对角线的平均长度d，借以计算压痕面积A V，以P/A V的数值表示试样的硬度，以HV表示。

维氏硬度的优缺点：维氏硬度有一个连续一致的标度；试验负荷可任意选择，所得的硬度值相同。

试验时加载的压力小，压入深度浅，对工件损伤小。

特别适用于测量零件的表面淬硬层及经过表面化学处理的硬度，精度比布氏、洛氏硬度精确。

但是维氏硬度的试验操作较麻烦，一般在生产上很少使用，多用于实验室及科研方面。

3．金属材料机械性能（或称为力学性能）金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。

外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。

常用的机械性能包括：强度、塑性、弹性、刚度、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。

下面将分别讨论各种机械性能。

3.1强度强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的性能。

由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。

各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指针。

3.2塑性塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。

3.3疲劳前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针。

实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。

冲击韧性以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。

3.4弹性金属材料在外力作用下产生不永久变形的能力称为弹性。

3.5刚度刚度是指金属材料抵抗弹性变形的能力。

在工程应用中绝大多数零件都在弹性状态下工作，工作过程中不允许有过多的弹性变形。

因此，对材料的刚度都有一定的要求。

4．钢的分类钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。

钢是经济建设中极为重要的金属材料。

按化学成分，分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。

碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。

碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。

因此，碳钢获得了广泛的应用。

但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。

合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。

与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。

由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。

按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类：4.1按用途分类按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。

4.1.1结构钢用作各种机器零件的钢，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。

用作工程结构的钢，包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。

4.1.2工具钢用来制造各种工具的钢。

根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。

4.1.3特殊性能钢是具有特殊物理化学性能的钢。

可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。

4.2按化学成分分类按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。

4.2.1碳素钢按含碳量又可分为低碳钢（含碳量≤0.25%）；中碳钢（0.25%＜含碳量＜0.6%）；高碳钢（含碳量≥0.6%）。

合金钢按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量≤5%）；中合金钢（合金元素总含量5%--10%）；高合金钢（合金元素总含量＞10%）。

此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。

4.3按质量分类按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%）；优质钢（磷、硫含量均≤0.040%）；高级优质钢（含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%）。

4.4按冶炼炉的种类将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉），空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电炉钢。

4.5按冶炼时脱氧程度将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。

钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。

如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。

5. 模具零件及其材料模具由模架和模芯及相关配件组成，模架和配件由专业的厂家按常用的系列规格做好供选择，模具工厂一般只做模芯加工和装配。

模具的各种不同主要是在模芯，针对不同形状的产品，模具设计人员把模芯设计成各种形式，如：点进料、直进料、潜进料、滑块、抽芯、直顶出、推板顶出、二次顶出、热流道、气体辅助等，其目的是为了能按产品设计要求成型和方便完整地脱出模具，同时也要考虑到模芯在加工时的易加工性及模具使用的寿命。

模具各部分用的钢材各有不同，模架一般用中碳钢45#或50#，配件用高碳钢加热处理，模芯的钢材用成分较复杂的合金钢，有预硬钢和热处理钢及镜面钢等，其不同的国家用的牌号各不相同，如：NAK80、718、SKD61（日本）P20、H13、（美国）2344、2738（德国）S136、8407（瑞士）等。

现在通常说模具质量的好坏，主要区别在模芯的加工精密程度和模具的反复使用寿命，这又很大程度上依靠精密的加工设备和合理的模具结构设计，当然模具的制造周期也是一个很重要的考虑因素，模具制造的周期因模芯的复杂性由30天到90天不等（在中国），欧洲有的要120天到180天。

德国在模具上现有的优势在设备精密、钢材的优良，不足是劳动力成本高，制造周期长，中国的优势在劳动力成本低，制造周期短，不足是设备不够精良，加工精密度相对较低。

5.1模具标准件材料模具标准件材料主要有SKD61、SKD61-F、CH13、SKS3、SKH51、FDAC、SUJ2（以上均为日本JIS标准）5.2模具成型件材料NAK80、718、SKD61（日本）P20、H13、（美国）2344、2738（德国）S136、8407（瑞士）等。

6．国内外模具钢材生产情况国产冷作模具钢类别\牌号中国美国日本瑞典德国用途冷作模具钢T7A-T12A W1-7 W1-1.2C SK7-SK2 C70W1 C125W 形状简单小型工模具，可选用此材，可保证高强度，耐磨性，足够的韧性及耐用性。

GCr15 E52100 SUJ2 SKF3 100cr660si2Mn SUP6 60si716Mn 电机轴CrWMn SKS31 105WCr6 下料模、冲头、成形模、搓丝板顶出杆及小型塑料压模等。

Cr12 D3 SKD1 X210Cr12 应用于小动载条件下要求高耐磨形状简单的拉伸和冲载模。

Cr12MoV X165CrMov12 下料模、冲头、滚丝轮、剪刀片、冷镦模、陶土模及热固塑料成形模等。

Cr12Mo1V1D2SKD11 XW-42 X155CrVMo121 重型落料模、冷挤压模、深拉伸模、滚丝模、剪刀片、冷镦模、陶土模等。

国产热作模具钢类别\牌号中国美国日本瑞典德国用途热作模具钢5CrMnMo 用于制造形状简单，厚度小于250毫米的小型锤锻模。

5CrNiMo L6 用于制造商形状简单，工作温度一般，厚度在250～350毫米之间的中型热锤锻模块。

5CrNiMoV SKT4 56CrNiMoV7 用于制造厚度＞350毫米，型腔复杂，受力载荷较大的大型锤锻模或锻造压力机热锻模。

4Cr5MoSiV1 H13 SKD61 8407 X40CrMoV51 用于制造冲击载荷较大，型腔复杂的长寿命锤锻模或锻造压力机用模具或镶块；以及铝合金挤压模，铝镁锌等金属长寿命压铸模具，部分高寿命高耐磨塑料模具。

5Cr2NiMovSi 用于锻锤模具钢具有良好的韧性，强度和耐磨性，淬透性，适用于制作工作。

大面积复杂形状，承受冲击负荷重的大、中型，锤锻模用材，5CrNiMo。