第2章_冷作模具材料(!)

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1、模具材料与失效分析,第一章 冷作模具用钢及热处理,冷作模具材料的正常失效形式主要是磨损、脆断、弯曲、咬合、塌陷、啃伤、软化等。 要求冷作模具钢应在相应的热处理后，具有高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳、不咬合等能力。,第一节 选材原则,一、满足模具的使用性能要求 1） 承受大负荷的重载模具，应选用高强度材料；承受强烈摩擦和磨损的模具，应选用硬度高、耐磨性好的材料；承受冲击负荷大的模具，应选用韧性高的材料。 2） 形状复杂、尺寸精度要求高的模具，应选用微变形材料。 3） 结构复杂、尺寸较大的模具，宜采用淬透性好、变形小的高合金材料；或制成镶拼结构。 4） 对于小批量生产或新产品试制，可选用一

2、般材料如碳素钢；当生产批量大或自动化程度高时，宜选用高合金钢或钢结硬质合金等材料。二考虑模具材料的工艺性能 优良的锻造性能与切削加工性能，较好的淬透性，较小的氧化碳和淬火变形、开裂倾向。三、 经济性,第二节 冷作模具材料与性能要求,1.冷作模具材料的工作条件 1.冲裁模 2.拉深模 3.挤压模 4.冷镦模 2.分类 碳素工具钢、油淬冷作模具钢、空淬冷作模具钢、高碳高铬冷作模具钢、基体钢和低碳高速钢、高耐磨高强韧冷作模具钢以及其他冷作模具钢。,第二节 冷作模具材料与性能要求,3.受力情况 拉伸、压缩、弯曲、冲击、摩擦等。4.失效形式 断裂、变形、磨损、粘合、啃伤、软化等。5.性能要求,1.使用性

3、能要求 （1）耐磨性 （2）韧性 （3）强度 （4）抗疲劳性 （5）抗咬合性,2.工艺性能要求 （1）可锻性 （2）可切削性 （3）可磨削性 （4）热处理工艺性,第二节 冷作模具材料与性能要求,(1) 硬度和耐磨性 硬度和耐磨性是冷作模具材料的最基本性能之一，模具的硬度应高出工件硬度3050，一般为5864HRC，以保证模具在工作过程中抗压、耐磨、不变形、抗粘合。 (2) 强度和韧性 模具材料应具有足够的强度和韧性，以防止模具在冲击负荷下发生脆性断裂。 (3) 热硬性 以保证模具在高速冲压或重负荷冲压工序中不因温度升高而软化。(4) 抗疲劳性能 防止模具在交变载荷作用下发生疲劳破坏。,工艺性能

4、,(1) 可切削加工性 应具有较好的可切削加工性能； 球化退火改善冷作模具材料的可切削加工性能； 选用含S、Ca等元素的易切削模具材料。 (2) 可锻性 锻造可以改善材料的内部组织，提高其强度和韧性。 (3) 淬透性与淬硬性 应具有良好的淬透性与淬硬性，以保证冷作模具能在较缓和的冷却介质中淬火硬化； 淬火后易获得高而均匀的硬度(5864HRC)，并获得较深的淬硬层。 (4) 淬火变形小 对淬火温度及模具的尖角等因素不敏感，淬火的开裂倾向小。,6.常用钢材,第三节 碳素工具钢,优点：便宜、易于锻造成形，切削加工性能也比较好。缺点：淬透性差，变形开裂倾向大，耐磨性和热强性较低。一、一、常用碳素工具

5、钢的牌号 T7A、T8A、T10A、T12A等。,二、力学性能,(1) 含碳量的影响钢的硬度 主要由含碳量和组织决定，含碳量越高，则硬度越高，耐磨性越好。(2) 淬火温度的影响 适当提高淬火温度可增加硬化层厚度，从而提高模具的承载能力，但过高的淬火温度又会使强韧性下降。 (3) 回火温度的影响 碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，在150300C回火后，抗弯强度及冲击韧度随回火温度的升高而明显增高，因此应根据不同钢号选择最佳回火温度。,力学性能 如图所示，碳素工具钢随回火温度升高而硬度降低，但下降趋势与碳含量有关，碳含量越高，钢中析出的碳化物颗粒越多，阻止了硬度的下降，因而碳含量高的钢回火

6、时硬度降低程度比碳含量低的钢小。,T10钢的硬度、残余奥氏体量与回火温度的 关系 (780淬火、水冷、回火保温1 h),T10钢的淬火温度对强韧性的影响,T10钢的淬火温度对淬透性的影响,提高淬火温度，淬火马氏体变粗，钢的强韧性下降，如图6-2所示。但适当提高淬火温度，可提高碳素工具钢的淬透性，增加硬化层深度，提高模具的承载能力，如图所示。所以，对于容易淬透的小型模具，可采用较低的淬火温(760780);对于大、中型模具，应适当提高淬火温(800850)或采用高温快速加热工艺。,碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，在低温区(150200)回火，硬度下降不多，当回火温度超过200时，硬度才明

7、显下降。 碳素工具钢的力学性能与回火温度的关系，当回火温度为220250时抗弯强度达到极大值，可是碳素工具钢在200250回火时，会产生回火脆性，导致韧性下降，因此韧性要求较高的碳素工具钢应避免在此温度回火。而承受弯曲及抗压载荷的碳素工具钢仍可采用220280回火，以获得高抗弯强度，提高模具的使用寿命。,T12钢的力学性能与回火温度的关系 (淬火温度:780),三、工艺性能,(1) 锻造性能 碳素工具钢的热变形抗力低，锻造温度范围宽，锻造工艺性好。 (2) 退火和正火 经锻造后的碳素工具钢模具毛坯需进行退火处理，使其具有良好的工艺性能，为切削加工和淬火做好组织准备。,工艺性能 锻造性能: 预先

8、热处理: 淬火及回火:使用范围 碳素工具钢生产成本低，易于冷、热加工，在退火状态下硬度较低，通过热处理后可以获得较高的硬度，具有一定的耐磨性。但淬透性差，淬火变形大，耐磨性不高。因此，碳素工具钢适于制造尺寸较小、形状简单、负荷较轻、生产批量不大的冷作模具。,T7钢具有较好的韧性和硬度，但切削能力较差；多用来制造同时需要有较大韧性和一定硬度但对切削能力要求不很高的工具，如凿子、冲头等，小尺寸风动工具，木工用的锯、凿、锻模、压模，钳工工具、锤、铆钉冲模等，还可做手用大槌槌头等。 T8钢淬火加热时容易过热，变形也大，塑性及强度也比较低，不宜制造承受教大冲击的工具，但热处理后有较高的硬度及耐磨性。因此

9、，多用来制造切削刃口在工作时不变热的工具，如加工木材的铣刀、埋头钻、平头锪钻、斧子、凿子、錾子、 纵向手用锯、圆锯片、滚子、铅锡合金压铸板和型芯 ，以及钳工装配工具，铆钉冲模，中心孔铳、冲模等。 T10钢在淬火加热（温度达800）时不致过热，仍能保持细晶粒组织。淬火后钢中未溶的过剩碳化物，所以具有较T8钢为高的耐模性，适于制造切削刀口在工作时不变热的工具，如加工木材工具、手用横锯、手用细木工锯、机用细木工具、麻花钻、拉丝模、冲模、冷墩模、小尺寸断面均匀的冷切边冲孔模、低精度的形状简单的卡板、钳工刮刀、锉刀等。,T12,T12钢由于含碳量高，淬火后有较多的过剩碳化物，按耐磨性和硬度适于制作不受冲

10、击负荷、切削速度不高、切削刃口不变热的工具，如制作车床、刨床的车刀、铣刀、钻头；可制作铰刀、扩孔钻、丝锥、板牙、刮刀、量规、切烟草刀、锉刀，以及断面尺寸小的冷切边模、冲孔模等。,T8,化学成分,T8钢热加工工艺,T8热处理,A 预先热处理T8钢的有关预先热处理曲线示于图2-21-1图2-21-4，退火前后的相成分、硬度和显微组织示于表2-21-7。需要说明的是；（1）锻压后退火的保温时间，在全部炉料达到退火温度后为45h；等温退火的加热保温时间为12h，冷却时的等温保温时间亦为12h；（2）球化退火用以多的球化组织，在600700第一次保温时间为810h，其余阶段按0.51.0h进行保温；（3

11、）高温回火用于消除冷变形后的冷作硬化及淬火前切削加工的内英里；高温回火的保温时间，在全部炉料后为23h；（4）正火用于细化过热钢的晶粒，以及钢材退火后硬度低于HB165时，用以提高切削表面光洁度。正火加热可在空气炉或盐浴中进行。,淬火,回火,油淬冷作模具钢：在碳素工具钢的基础上加入适量的Cr、Mo、W、V、Si、Mn等合金元素。 目的： 以提高钢的淬透性、力学性能和回火稳定性。 特点： 具有高的硬度、中等的淬透性，其中CrWMn钢的淬透性优于9Mn2V等钢，而9Mn2V钢能在较低的温度下淬硬，其淬火变形会稍小一些。 常用的油淬冷作模具钢：CrWMn、9CrWMn、9Mn2V、MnCrWV钢等。

12、,第四节 高碳低合金钢(油淬冷作模具钢 ),CrWMn钢具有高淬透性。由于钨形成碳化物，这种钢在淬火和低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性。此外，钨还有助于保存细小晶粒，从而使钢获得较好的韧性。所以由CrWMn钢制成的刃具，崩刃现象较少，并能较好地保持刀刃形状和尺寸。但是，钢对形成碳化物网比较敏感，这种网的存在，就使工具刃部有剥落的危险，从而使工具的使用寿命缩短，因此，有碳化物网的钢，必须根据其严重程度进行锻压和正火。这种钢用来制造在工作时切削刃口不剧烈变热的工具和淬火时要求不变形的量具和刃具，例如制作刀、长丝锥、长铰刀、专用铣刀、板牙和其他类型的专用工具，以

13、及切削软的非金属材料的刀具。,CrWMn钢,(1) 力学性能 具有较高的硬度和耐磨性、较好的韧性并能减小过热敏感性、淬火变形较小。 (2） 工艺性能 (a) 锻造工艺 始锻温度1100一1140，终锻温度800850。锻后要空冷到650700再转入热灰中缓冷。 (b) 退火工艺 CrWMn钢锻后均需等温球化退火，退火加热温度790830，等温温度700720，退火后的组织比较均匀，退火硬度约为255207HBS。 (c) 淬火工艺 淬火加热温度820840，油淬硬度为6365HRC，直径拳4050mm的钢件油中可以淬透。CrWMn钢经860加热、280等温淬火后，强韧性明显提高。 (d) 回火

14、工艺 回火温度200，回火硬度6062HRC。 应用：轻载冲裁模具、轻载拉深模具和弯曲翻边模具。,(1)化学成分 CrWMn钢的临界点:Ac1750，Accm940，Ar1710，Ms255 。 (2)力学性能 CrWMn钢具有高淬透性，由于钨形成碳化物，所以这种钢在淬火及低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性。,CrWMn钢力学性能与淬火温度的关系,rWMn钢硬度与淬火温度的关系,CrWMn钢硬度与回火温度的关系,锻造工艺,(3)工艺性能 锻造工艺CrWMn钢具有良好的锻造性能，其锻造工艺见表。 退火工艺:CrWMn钢锻后需进行等温球化退火，退火温度为7908

15、30，等温温度为700720，退火后的组织比较均匀，退火后硬度为207255HBS。 淬透性:CrWMn钢淬透性较好，淬火变形小。在油中的临界淬透直径为3050mm。直径4050mm的钢件在低于200的硝盐浴中冷却即可淬透。 (4)使用范围 CrWMn钢具有较好的淬透性，淬火变形小，耐磨性、热硬性、强韧性均优于碳素工具钢，是使用较为广泛的冷作模具钢。主要用于制造要求变形小，形状较复杂的轻载冲裁模(料厚2 mm)，轻载拉深、弯曲、翻边模等。,9Mn2V,9Mn2V钢是利用我国丰富的锰、钒资源研制出来的不含铬的冷作模具钢；锰的质量分数高达1.70一2.00；钢的淬透性好。一种综合力学性能比碳素工具钢好的低合金工具钢， 特点：它具有较高的硬度和耐磨性。淬火时变形较小，淬透性很好。由于钢中含有一定量的钒，细化了晶粒，减小了钢的过热敏感性。同时碳化物较细小和分布均匀。9Mn2V钢适于制造各种精密量具、样板，也用于一般要求的尺寸比较小的冲模及冷压模、雕刻模、落料模等，还可以做机床的丝杆等结构件。,