第六章 模具材料和热处理技术

6.1.1 模具材料的一般性能要求
1．使用性能
（1）硬度 （2）强度 （3）耐磨性 （4）韧性
2．工艺性能
（1）热加工工艺性能 （2）冷加工工艺性能 （3）淬硬性和淬透性 （4）淬火温度和热处理变形 （5）脱碳敏感性
6.1.2 模具选材的一般原则
① ② ③ ④ 使用性能足够。 工艺性能良好。 供应上能保证。 经济性合理。
6.3.2 热作模具钢的分类、性能和热处理
热作模具钢的热处理技术要求具有如下特点。 ① 淬透性和淬硬性。 ② 热处理变形性。 ③ 脱碳敏感性。
1．低耐热高韧性热作模具钢及热处理
（1）低耐热高韧性热作模具钢的性能 低耐热高韧性热作模具钢主要用于生产承受很 大冲击载荷的锤锻模、平锻机锻模、大型压力机锻 模等，是在高温下通过冲击加压强迫金属成形的模 具，锻模型腔与炽热的工件表面会产生剧烈摩擦。 因此要求钢冲击韧度好、淬透性高、导热性能好、 有较高的热疲劳能力，同时还应具有好的耐热性、 抗氧化性和加工工艺性。
6.2 冷作模具材料及热处理
冷作模具是在常温下对材料进行压力加 工或其他加工所使用的模具。在模具制造中， 目前应用最多的冷作模具材料是冷作模具钢 和硬质合金。制造模具的材料特性、热处理 方式或工艺等是模具制造的重要环节。根据 制造和使用要求合理地选择冷作模具材料则 更重要。
6.2.1 冷作模具材料的使用性能要求
（1）中耐热韧性热作模具钢的性能 许多热挤压模、热镦锻模、精锻模以及在锻压 机、高速锤上的模具等都是在繁重的条件下工作的。 这些模具工作时需要长时间与被加工金属接触，受 热温度往往比锤锻模具要高，特别是当加工黑色金 属及难熔金属时。要求模具钢具有高的热稳定性、 比较高的高温强度和耐热疲劳性以及高的耐磨性。
（2）高强韧性冷作模具钢的种类 包括6W6Mo5Cr4V、65Cr4W3Mo2VNb、 7Gr7Mo2V2Si、7GrSiMnMoV、6GrNiSiMnMoV、 8Gr2MnWMoVS。 （3）高强韧性冷作模具钢的实例 例1：6W6Mo5Cr4V钢 例2：7Gr7Mo2V2Si钢
6．抗冲击冷作模具钢及热处理
（2）低淬透性冷作模具钢的种类 低淬透性冷作模具钢包括T7A、T8A、T12A、 T10A、8MnSi、Cr2、9Cr2、Cr06、GCr15、 CrW5。 （3）低淬透性冷作模具钢的实例 例1：T10A钢 例2：Cr2钢
2．低变形冷作模具钢及热处理
（1）低变形冷作模具钢的性能 低变形冷作模具钢的基本优点是具有较好的淬 硬性（61～64HRC）和淬透性， 60～120mm工件能 于油或硝盐中淬硬，淬火操作简便，淬裂、变形倾 向低，并易于控制。 低变形冷作模具钢经淬火和低温回火后含有8%～ 15% 的残余奥氏体和5%～10% 的碳化物。残余奥氏 体在250℃左右回火后分解，使体积膨胀，并加剧 低温回火脆性。
（2）低变形冷作模具钢的种类 包 括 CrWMn 、 9Mn2V 、 9CrWMn 、 9Mn2 、 MnCrWV、SiMnMo。 （3）低变形冷作模具钢的实例 例1：CrWMn钢 例2：9Mn2V钢
3．高耐磨微变形冷作模具钢及热处理
（1）高耐磨微变形冷作模具钢的性能 高耐磨微变形冷作模具钢的特点是具有高淬透 性、微变形、高耐磨性、高热稳定性、高的抗压强 度（仅次于高速钢），是制造冷冲裁模、冷镦模、 螺纹搓丝板的主要材料，这种钢的消耗量在冷作模 具钢中居于首位。
6.2.2 冷作模具钢的分类、性能和热处理
冷作模具钢的热处理技术要求具有如下特点。 ① 淬透性和淬硬性。 ② 耐回火性。 ③ 过热敏感性。 ④ 氧化脱碳倾向。 ⑤ 淬火变形和开裂倾向。
1．低淬透性冷作模具钢及热处理
（1）低淬透性冷作模具钢的性能 低淬透性冷作模具钢的特点是含合金元素少，回 火抗力低，淬透性低，硬化层浅，因而其承载能力 低。这类钢的主要用途是各种中、小批量生产的冷 冲模，以及需要在薄壳硬化状态使用的整体式冷镦 模、冲剪工具。
7．特殊用途冷作模具钢及热处理
（1）特殊用途冷作模具钢的性能 特殊用途冷作模具钢主要包括耐腐蚀模具钢和无 磁模具钢。 耐腐蚀模具钢制造的模具，除了应具有冷作模具 的一般使用性能外，还要求具备良好的耐腐蚀性。 无磁模具钢除了应具有冷作模具的一般使用性能 外，还要求在磁场中使用不被磁化。常用的材料有 奥氏体不锈钢和奥氏体耐热钢。
（2）硬质合金模具材料的种类 普通硬质合金包括YG8、YG15、YG20、 YG25等。钢结硬质合金包括GT23、TLMW50、 DT等。我国生产的钢结硬质合金的热处理规范如 表6-2所示。
6.3 热作模具材料及热处理
热作模具主要用于热变形加工和压力铸 造的模具。热作模具在工作中承受着很大的 冲击力，模腔和高温金属接触后，模具本身 温度达300℃～400℃，局部可达500℃～ 700℃，有的甚至达到1 000℃左右，还要经 受反复的加热和冷却。在时冷时热状态下， 容易使模具的工作表面产生热疲劳裂纹，另 外炽热金属被强制变形时，与模具型腔表面 摩擦，模具极易磨损并且硬度降低。
压铸模具的失效形式有热疲劳开裂、热磨损和 热熔蚀。 对压铸模具的性能要求是：具有较高的耐热性 和良好的高温力学性能；具有优良的耐冷热疲劳 性和较高的导热率；具有良好的抗氧化性和耐蚀 性；具有较高的淬透性。凹模的硬度为56～60HRC， 但要求韧性较高。
4．热冲切模具
热冲切模具由切边凹模和凸模组成，在切边时 凸模无刃口，只起传力作用，由凹模切除飞边、 连皮。失效形式是刃口磨损、崩刃、卷边等。 热冲切模具的主要性能要求是：具有较高的耐 磨性，较高的硬度和热硬性；为避免崩刃，应具 有一定的韧性；应具有良好的工艺性。
（1）高强度高耐磨冷作模具钢的性能 高强度高耐磨冷作模具钢的具有高强度、高抗 压性、高耐磨性和高热稳定性等特点，主要用于制 造重负荷冲头，如冷挤压黑色金属的凸模，冷镦冲 头，中厚钢板孔冲头；直径小于5mm～6mm的 小凸模，以及用于冲裁奥氏体钢、弹簧钢、高强度 钢板的中、小型凸模和粉末冶金模等。
6.3.1 热作模具材料的使用性能要求
1．锤锻模具
锤锻模具工作时受到很大的压力和冲击载荷作 用，而且冲击频率很高，模具型腔表面受到高温金 属的不断加热，可使模具升温到300℃～400℃，局 部温度达到500℃～600℃。 对锤锻模具的性能要求是：具有较高硬度和良 好的韧性；具有良好的耐磨性和耐冷热疲劳性；由 于模具尺寸比较大，应具有很高的淬透性。
3．冷拔模具与成型模具钢性能的要求
成型模具的主要失效形式是磨损，而拉拔模具 除了严重的磨损以外，还会产生胶合现象。 拉拔模的性能要求主要是具有较高的耐磨性， 凸模硬度一般要求是58～62HRC，凹模硬度要求是 62～64HRC，并且还要求具有良好的抗咬合性。成 型模具的耐磨性要求比较低， 通常凸模的硬度为 54～58HRC，凹模的硬度为56～60HRC，但要求韧 性较高。
（2）中耐热韧性热作模具钢的种类 中 耐 热 韧 性 热 作 模 具 钢 主 要 包 括 4Cr5MoSiV （H11）、4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr5W2SiV、 3Cr3Mo3W2V（HM1）、 25Cr3Mo3VNb（HM3）、 2Cr3Mo2NiVSi（PH）等。 （3）中耐热韧性热作模具钢的实例 例1：4Cr5MoSiV（H11）钢 例2：3Cr3Mo3W2V（HM1）钢
（1）抗冲击冷作模具钢的性能 抗冲击冷作模具钢的特点是过剩碳化物少，组 织均匀，由于多元合金的固溶强化作用和回火碳化 物的弥散强化，使其具有高强度、高韧性、高冲击 疲劳抗力，主要用于冲剪工具和大、中型冷镦模、 精压模等。抗冲击冷作模具钢的弱点是抗压能力低， 热稳定性差，淬火变形难以控制。
（2）抗冲击冷作模具钢的种类 包括4GrW2Si、5GrW2Si、6GrW2Si、9GrSi、 60Si2Mn、5GrMnMo、5GrNiMo、5SiMnMoV等。 （3）抗冲击冷作模具钢的实例 例1：60Si2Mn钢 例2：4GrW2Si钢
6.1.3 模具材料的分类
6.1.4 模具材料的发展趋势
① 由于压力加工工艺迅速发展，新工艺不断 出现，对模具材料的性能要求也越来越高。 ② 模具热处理新技术，特别是表面强化处理 工艺发展很快，在模具中广泛应用。 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。 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。
（2）高耐磨微变形冷作模具钢的种类 包括Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr5Mo1V、 Cr4W2MoV 、 Cr12Mn2SiWMoV 、 Cr6WV 、 Cr6W3Mo2.5V2.5。 （3）高耐磨微变形冷作模具钢的实例 例1：Cr12钢 例2：Cr12MoV钢
4．高强度高耐磨冷作模具钢及热百度文库理
（2）低耐热高韧性热作模具钢的种类 低 耐 热 高 韧 性 热 作 模 具 钢 包 括 5CrNiMo 、 5CrMnMo 、 4CrMnSiMoV 、 5Cr2NiMoV 、 45Cr2NiMoVSi等。 （3）低耐热高韧性热作模具钢的实例 例1：5CrNiMo钢 例2：4CrMnSiMoV钢
2．中耐热韧性热作模具钢及热处理
1．冲裁模具钢性能的要求
冲裁模的正常失效形式主要是磨损，经过一段 时间的使用，刃口会逐渐变得圆钝。当磨损到一定 程度，冲裁件则产生毛刺而影响制件质量。 冲裁模具用钢的主要性能要求应满足高硬度和 高耐磨性；应具有足够的抗压和抗弯强度，同时应 具有适当的韧性。
2．冷礅模具钢性能的要求
冷镦模的主要失效形式是：凸、凹模工作表 面的磨损擦伤、凸模折断、凹模开裂、凸模镦粗 而凹模模口胀大和棱角堆塌等。 鉴于冷镦模的工作条件恶劣，首先要求其要 有足够的硬度。在通常情况下，凸模的硬度为 60～62HRC，凹模的硬度为58～60HRC。
2．热挤压模具
热挤压模具的工作条件比较差，同时承受压 缩力和弯曲力，脱模时还承受一定的拉应力，还 受到冲击载荷的作用；模具与高热金属接触时间 较长，使其受热温度比锤锻模具温度更高。 热挤压模具的性能要求是：具有较高的热稳定 性，有良好的抗冷热疲劳强度，有较高的耐高温 强度和足够的韧性。
3．压铸模具
（2）高强度高耐磨冷作模具钢的种类 包括W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、 W12Mo3Cr4V3N等高速钢。 （3）高强度高耐磨冷作模具钢的实例 例1：W18Cr4V钢 例2：W6Mo5Cr4V2钢
5．高强韧性冷作模具钢及热处理
（1）高强韧性冷作模具钢的性能 高强韧性冷作模具钢的强度、韧性、冲击疲劳 断裂抗力，均优于高速钢或高碳高铬钢，而抗压性 和耐磨性稍逊于前者。使用寿命比高速钢或高碳高 铬钢大幅提高。
（2）特殊用途冷作模具钢的种类 特殊用途冷作模具钢中，9Gr18、Gr18MoV、 Gr14Mo、Gr14Mo4等为耐腐蚀模具钢； 1Gr18Ni9Ti、 5Gr21Mn9Ni4W 、 7Mn15Gr2Al3V2WMo 等 为 无 磁模具钢。 （3）特殊用途冷作模具钢的实例 例1：9Gr18钢 例2：7Mn15Gr2Al3V2WMo钢
第6章 模具材料和热处理技术
6.1
模具材料概述
冷作模具材料及热处理 热作模具材料及热处理 塑料模具材料及热处理 模具表面硬化处理技术
6.2
6.3
6.4
6.5
6.1 模具材料概述
模具材料的种类很多，通常按照模具钢 种类进行分类，模具钢分为冷作模具钢、热 作模具钢、塑料模具钢、玻璃模具钢和压铸 模具钢。其他模具材料包括：铸铁、有色金 属及合金、硬质合金、钢结硬质合金及非金 属材料。
8．硬质合金模具材料及热处理
（1）硬质合金模具材料的性能 硬质合金模具材料包括普通硬质合金（简称硬质 合金）和钢结硬质合金两类。 硬质合金有高的耐磨性和热硬性，高的抗压强 度，其耐磨性比高速钢高15～20倍，常用来制作高 效率、高精度的模具，如冲裁模、冷镦模、热挤压 模，特别是用来制作多工位级进模的凸凹模部分。 但是硬质合金比较脆，抗弯强度和冲击韧性差，且 不能进行机械加工，所以其使用受到一定限制。