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1、第六章 新型模具材料,第一节 新型模具材料的种类和特性一、冷作模具 用于制作工作温度小于260的冲裁、挤压、镦锻以及滚丝和拉深等冷变形工作的模具。性能要求：热处理后有高的工作硬度、好的韧性。良好的工艺性能以及高的耐磨性。,1.1概述,1.冷作模具钢的基本性能硬度 随着冲裁速度的提高，冲裁频率的加快，或者材料变形抗力的增大，冷作模具表面温度上升很快。模具材料应具有工作硬度的保持能力，即组织和性能的稳定性。主要取决于钢的化学成分和热处理规范。硬度值范围5464HRC,1.1概述,耐磨性 对于一定条件下工作的冷模具钢而言，为了得到高的磨损抗力，需要在高硬度马氏体基体上弥散均匀分布细小合金碳化物，因此
2、含Cr、W、Mo、V等合金元素的高碳钢，热处理后有高的耐磨损性能。为了提高模具耐磨性，常采用各种表面强化方法。,1.1概述,韧性冷作模具钢的韧性要根据工作条件来考虑。热稳定性 表示模具在使用过程中，工作部位因受热而保持组织和性能稳定的能力。选用一些具有二次硬化能力的高合金钢。,1.1概述,模具钢的牌号简介 冷作模具用高速工具钢W6Mo5Cr4V2：外国近似钢号：HS6-5-2(ISO)、SKH9(日本JIS)、M2(美国ASTM)、T11302(美国UNS)、S6-5-2(德国DIN)、1.3343(德国W-Nr.)、BM2(英国BS)、2722(瑞典SS) 、P6M5(俄罗斯)等；W6Mo5
3、Cr4V2为钨钼系通用高速钢的代表钢号。该钢具有碳化物细小均匀、韧性高、热塑性好等优点。,1.1概述,无磁模具用钢 1Cr18Ni9Ti：外国近似钢号：X6CrNiTi1810 (ISO)、SUS321(日本JIS)、321(美国ASTM)、S32100(美国UNS)、X12CrNiTi189(德国DIN)、1.4878(德国W-Nr.)、321S20(英国BS)、Z6CNT18.12(法国NF)、2337(瑞典SS)、12X18H10T(俄罗斯)等；1Cr18Ni9Ti属奥氏体型不锈耐酸钢。 这种钢经过热处理（10501100在水中或空气中淬火）后，呈单相奥氏体组织，因此在强磁场中不产生磁感
4、应，该钢适宜制无磁模具和要求高耐蚀性能的塑料模具。,1.1概述,国产冷作模具钢 ER5:按国标GB表示的钢号：Cr8MoWV；高铬冷作模具钢，上海材料研究所研制。该钢号具有高耐磨性和高冲击韧性。适于制作冷作模具。GD：按国标GB表示的钢号：6CrNiSiMnMoV；高强韧性低合金冷作模具钢，取“高、低”（Gao、Di）两个汉语拼音字头为其代号，华中理工大学研制。适宜制作冲裁切边复合模、冷冲模、冷镦模、冷挤压模等。GM：按国标GB表示的钢号：9Cr6W3Mo2V2；高耐磨性冷作模具钢，取“高、磨”（Gao、Mo）两个汉语拼音字头为其代号，华中科技大学材料学院研制。GM钢与ER5钢属于同一类型，具
5、有高硬度，接近高速钢，优于高Cr钢和基体钢；其冲击韧性优于高速钢和高Cr钢。该钢适宜制作冷冲模、冷挤压模和拉深模等。,1.1概述,ICS：高耐磨性冷作模具钢，上海钢铁研究所研制。ICS钢的硬度高、耐磨性好。适用于翻印模等。GT35：钢结硬质合金，具有极高的硬度和耐磨性，用于冷作模具，其使用寿命可比一般模具钢寿命成10倍的大幅度提高。与普通硬质合金相比，又具有韧性好、加工工艺性好、生产成本低等特点。TLMW50：钢结硬质合金，其硬度与耐磨性极高，并具有良好的锻造性能和热处理的淬硬性。和GT35相比，其淬火回火状态的硬度略低于GT35，而其淬火态的抗弯强度和冲击值均高于GT35。适于制作冷作模具。
6、,1.1概述,2.新型冷作模具钢的种类和特性（表6-1）高碳低合金钢高强韧低合金冷作模具钢GD、火焰淬火钢CH和易切削精密模具钢8Cr2S。含碳量在0.65%0.85%之间。采用淬火+低温回火，最终组织回火马氏体，弥散分布少量碳化物。性能特点：强度高，韧性好，有一定的耐磨损能力。用于冷挤、冷镦和冲裁模具。,1.1概述,高速钢基体钢65Nb、LM1、LM2、CG2(6Cr4Mo3Ni2WV钢 )、012Al( )钢中共晶碳化物数量少，尺寸细小且分布均匀性能特点：高抗压、红硬性、高耐磨性、高韧性和抗疲劳能力。主要用于强韧性和耐磨要求高的场合，如加工难变形材料的模具既大型复杂、受冲击载荷大的模具。,
7、1.1概述,高碳中铬耐磨钢120(Cr4W2MoV )、301(x10CrNi18-8 )、LD(7Cr7Mo2V2Si )、GM、ER5钢等新型高碳高铬莱氏体耐磨钢。通过降低碳和铬的含量以减少共晶碳化物的含量。添加W、Mo、V、Si和N等元素，以提高钢的耐磨性热处理工艺：淬火+高温回火性能特点：具有较强的二次硬化效应和较高的强韧性和耐磨性。用于代替Cr12、Cr12MoV及高速钢模具。,1.1概述,改良型高速钢6W6、W9、M2Al(W6Mo5Cr4V2AI )、V3N(W12Mo3Cr4V3N ) 保证高速钢红硬性和热硬性的同时，加入其它合金元素，以改善高速钢的韧性和塑性。,1.1概述,二
8、、热作模具 用于制造高温下金属材料塑性成形的一类模具，如锤锻模、热挤压模、热冲裁模和液态金属结晶成形的压铸模。承受机械负荷和热冲击的双重作用。性能要求：高温强度、热稳定性、热疲劳抗力、抗氧化性、抗热熔损性能。,1.1概述,1.热作模具钢的基本性能高温强度 热作模具钢的高温强度及热稳定性主要由钢的化学成分决定。含碳量低、含W、Mo、V和Co元素高的热作模具钢具有好的高温性能。,1.1概述,热疲劳性能模具钢在热应力和机械应力循环作用下，组织表面产生裂纹的一种抗力。热疲劳抗力的高低取决于热疲劳微裂纹的萌生期长短及萌生后的裂纹扩展速率快慢。提高模具钢的高温屈服强度及韧性。,1.1概述,热磨损性热作模具
9、钢在工作条件下，摩擦表面的抗疲劳磨损、氧化粘着磨损和磨粒磨损的能力。热磨损抗力与高温强度与冲击韧性、以及抗氧化性和热稳定性密切相关。抗氧化性抗氧化性和热磨损性能主要取决于氧化膜的成分和结构。Cr、Si、Al等元素有助于提高抗氧化性。,1.1概述,2.热作模具钢的种类和特性（表6-2）高韧性热作模具钢45Cr2NiMoVSi、5Cr2NiMoVSi等成分特点：中碳低合金调质类型钢经淬火和高温回火后，在大截面上具有均匀一致的强韧性能，常用语锤锻模及压力机用大截面模具。,1.1概述,高强韧性热作模具钢HM3(2Cr3Mo3VNb )、H10、HD(4Cr3Mo2NiVNb )、TM、Y4、H13、H
10、11成分特点：含碳量降低，Cr、Mo、V等元素增加经淬火和高温回火后，具有明显的二次硬化效应，热稳定性高，高温强韧性好，适用于制作热挤压、精锻和有色金属压铸模,1.1概述,高耐热性热作模具钢HM1、RM2、012Al、GR等成分特点：钢中增加了热强性元素W、Mo等 具有更高的热稳定性及高温强度，并保持了一定的韧性和热疲劳性能，常用语制造告诉锤锻模、精密锻造模和热挤压模具。,1.1概述,析出硬化型热作模具钢PH、YHD3等成分特点：钢中含碳量较低，添加碳化物形成元素Cr、Mo和V，即可提高淬透性，又可增加析出强化效果。经淬火+低温回火，获得低碳马氏体。适用于压力机锻模。,1.1概述,三、塑料模具
11、钢*,1.1概述,四、粉末烧结模具材料 具有硬度高、耐磨、耐腐蚀等特点，主要应用于拉丝、冷镦、冷冲、冷挤压等模具，可适应高强度、高应力负荷、高摩擦、有腐蚀介质及高温工作条件。,1.1概述,第二节 新型冷作模具钢一、高碳低合金模具钢（一）GD钢6CrNiSiMnMoV碳含量比一般工具钢低，加入Cr、Mn以保证钢的淬透性，同时加入两种强韧性元素Si和Ni，并引入少量细化晶粒元素Mo和V，所形成特殊碳化物可以细化晶粒也能提高耐磨性。适用于细长、薄片凸模，形状复杂、大型薄壁凸凹模，中厚板冲裁模及剪刀片等,1.1概述,2.GD钢的锻造工艺采用加热温度10801120，始锻温度850锻后空冷生成马氏体，锻
12、造后需缓慢冷却或立即退火，以防出现裂纹。3.GD钢的热处理工艺退火工艺见表6-4淬火回火工艺见表6-5,1.1概述,（二）CH钢专用火焰淬火模具钢。空冷淬硬性好，变形小，使用寿命较高，淬火后不需加工。可适用于修边。落料、冲孔和成型等冷作模具2.CH钢的热处理工艺火焰淬火+火焰加热回火淬透层深度与淬火工艺参数见表6-8,1.1概述,二、高速钢基体钢（65Nb、LM2）（一）65Nb钢 用于制作冷挤压、温热挤压、厚板冷冲、冷镦等模具，特别适用于制作难变形材料用得大型复杂模具。 特别加入的元素Nb能显著提高钢的强韧性，对改善其工艺性能有重要作用。,1.1概述,2.65Nb钢的锻造工艺 65Nb钢属于
13、高合金钢，锻造性能良好，变形抗力比高速钢、高铬工具钢要低，而高温韧性好，抗氧化能力良好，导热性差，锻造时必须缓慢加热，锻造工艺见表6-103.65Nb钢的热处理工艺前处理 退火后处理 淬火+回火热处理工艺对性能的影响见表6-12 6-13,1.1概述,（二）LM2钢具有强韧性好、耐磨性高的特点，可适用于承受冲击力和压应力较大的冷作模具既刀具，并可兼做热作模具钢使用。2.LM2钢的锻造工艺见表6-143.LM2钢的热处理工艺退火 淬火+回火,1.1概述,（三）高碳中铬耐磨钢（GM、LD）（一）GM钢GM钢的冷、热加工和电加工性能良好，热处理工艺范围比较宽。GM钢的硬化能力接近高速钢而强韧性优于高
14、速钢和高铬工具钢。GM钢市制作精密、高效、耐磨模具的理想材料2.GM钢的锻造工艺 表6-173.GM钢的热处理工艺 图6-5图6-9,1.1概述,（二）LD钢含碳量在0.7%0.8%，加入一定量的Cr、Mo、V等元素，LD钢有较高的强韧性和较高的硬度和耐磨性。适用于多种冷镦、冷挤压模具，如钢球、滚子、螺钉、套筒头模具等。2.LD钢的锻造工艺 3.LD钢的热处理工艺 表6-18 图6-11 图6-12,1.1概述,四、改良型高速钢（6W6） 淬透性好，并且有类似高速钢的高硬度、高耐磨性、高强度等综合性能，又有比高速钢好的韧性。通常用于制造冷挤压凹模、上下冲头等工具。2.6W6的锻造工艺 表6-1
15、93.6W6的热处理工艺 图6-13图6-18,1.1概述,第三节 新型热作模具钢一、高韧性低合金热作模具钢（5Cr2）1.应用范围5Cr2NiMoVSi 淬透性好、热稳定性高、冷热疲劳性能优良、等向性能高，适合于制造大截面压力机模具和锤锻模模具。2.锻造工艺始锻温度1200 终锻温度900,1.1概述,3.热处理工艺（1）退火工艺（图6-19）退火组织为粒状珠光体+少量未溶碳化物（2）淬火回火工艺硬度（图6-20）室温的强度、塑性和冲击功（图6-21）室温断裂韧性（图6-22）高温硬度（表6-22）高温强度和塑性（图6-23）冷热疲劳性能（表6-23）抗回火稳定性（表6-24）,1.1概述,二、高强韧性热作模具钢（一）HD钢 4Cr3Mo2NiVNb1.应用范围 具有高温强度较高、热稳定性及塑韧性较好的特点，适用于制造700或更高温度下的热作模具，如铜和钢的热挤压模具及铜合金的压铸模等。,1.1概述,2.锻造工艺加热温度1150，始锻温度1130，终锻温度900，锻后采用灰冷或砂冷。3.热处理工艺（1）退火工艺（图6-24）（2）淬火、回火工艺,1.1概述,淬火实验 盐浴加热（表6-25）回火实验（表6-26）稳定性实验（图6-25 图6-26）室温强度、塑性和冲击韧性（图6-27 图6-28）室温断裂韧度（表6-27）高温强度、塑性和冲击韧度（图6-29 图6-30）,
