1、第二章金属模具材料第一节模具材料的分类及性能第二节冷作模具钢第三节热作模具钢第四节塑料模具钢第一节模具材料的分类及性能一、模具材料的分类及应用表2-1模具钢的分类表2-1模具钢的分类二、模具钢的牌号表示方法1.碳素钢用作模具的碳素钢主要有优质碳素结构钢和碳素工具钢，优质碳素结构钢的牌号表示方法为：用两位数字表示钢中平均含碳的质量分数，以万分之几计。65 Mn含锰的质量分数较高(0.70%1.20%)第一节模具材料的分类及性能2.合金结构钢合金结构钢的牌号表示方法为：“两位数字+化学元素符号+数字+”。3.合金工具钢合金工具钢的牌号表示方法为：“一位数字(或没有数字)+化学元素符号+数字+”，其
2、合金元素含量的表示方法与合金结构钢相同，只是含碳的质量分数的表示方法不同，平均含碳质量分数大于或等于1.0%时，在牌号中不标出含碳的质量分数，平均含碳质量分数小于1.0%时，则在编号前以一位数字表示含碳质量分数，以千分之几计。三、模具材料的力学性能第一节模具材料的分类及性能1.强度与韧性衡量模具材料的强度指标主要是屈服点，对冷作模具钢主要是常温下的屈服点s或屈服强度02，对热作模具钢是高温屈服点或高温屈服强度。2.硬度与耐磨性硬度是衡量材料软硬程度的性能指标，它表示材料的弹性、塑性、形变强化率、强度和韧性等一系列物理量组合而成的综合力学性能指标，模具的硬度应高于被加工材料的硬度，淬火钢的硬度主
3、要取决于含碳的质量分数，因此冷作模具钢的碳的质量分数一般高于0.8%，而热作模具钢因工作温度高，故被加工的材料的硬度较低，其含碳质量分数可以稍低，一般为0.4%0.6%。第一节模具材料的分类及性能3.高的红硬性红硬性是材料在高温下仍保持高硬度的能力。4.热疲劳一些模具在工作时，特别是热挤压模和压铸模等。四、模具材料的工艺性能1.可锻性采用锻造工艺可以减少模具的机械加工余量，改善材料组织中夹杂物与碳化物的形态、大小与分布状态，细化晶粒，形成有利的纤维组织，消除材料内部的组织缺陷。第一节模具材料的分类及性能2.切削加工性模具材料由于其本身的性能要求，一般切削加工都较困难，为了改善切削加工性，应采用
4、合理的热处理工艺，必要时可选用含S、Ca等元素的易切削钢。3.可磨削性模具的尺寸精度和表面粗糙度对加工出的产品质量有很大影响，因此许多模具必须经过磨削加工，以达到模具制造要求，对磨削性的要求主要是模具材料对砂轮质量及冷却条件应不敏感，不易发生磨削裂纹。4.热处理工艺性为了使模具获得优良的力学性能，满足使用条件，模具都须进行热处理。第一节模具材料的分类及性能(1)淬透性与淬硬性对于较大尺寸的模具除了要求表面有较高的硬度外，还要求心部有良好的强韧性，即表面要求淬火后有一定硬度，而心部要求淬透，这样才能保证其模具整个截面尺寸均匀，满足使用要求。(2)回火稳定性模具钢在淬火后必须进行回火，以降低淬火脆
5、性及减少或消除内应力，稳定组织，稳定模具的形状、尺寸和精度。第一节模具材料的分类及性能(3)过热敏感性模具钢在热处理加热时其加热温度应控制在一定范围之内，如加热温度过高则可能引起奥氏体晶粒长大，导致随后得到粗大的马氏体，而降低模具钢的韧性，将会增加其早期断裂的危险性，加热温度高还可能导致钢的表面产生脱碳现象。(4)淬火变形与开裂倾向性模具制造工艺中要对其进行淬火处理，以得到满足要求的力学性能。第二节冷作模具钢一、冷作模具钢对钢的性能要求1.良好的耐磨性冷作模具工作时，模具与坯料之间产生很大摩擦，为防止在模具表面划出一些微观凹凸不平的痕迹，而对模具表面造成磨损破坏，应使模具表面具有良好的耐磨性。
6、2.足够的强度和一定的韧性冷作模具的设计与使用，必须保证其有一定的强度，防止由于冲击、重载荷、偏心弯曲载荷、应力集中等引起模具的破裂和折断。第二节冷作模具钢3.良好的抗疲劳性冷作模具一般是在交变载荷下工作的，所以所发生的破坏多为疲劳破坏，即工作载荷在材料的屈服强度以内，加工一定数量的坯料后也可能发生破坏，因此要求其工作应力应在材料的疲劳强度以内。4.抗咬合粘结能力模具工作时模具表面与坯料直接接触，接触处应力高，摩擦力大，坯料可能被模具“冷焊”在模具型腔表面而形成金属瘤，因而在以后的坯料成型中在工件表面产生划痕。二、常用冷作模具钢的分类、常用钢号及含义表2-2冷作模具钢分类第二节冷作模具钢表2-
7、2冷作模具钢分类第二节冷作模具钢表2-2冷作模具钢分类1.低淬透性冷作模具钢低淬透性冷作模具钢应用较多的有碳素工具钢和滚动轴承钢。(1)碳素工具钢碳素工具钢主要有T7A、T10A和T11A等几种，其中又以T10A应用最普遍。第二节冷作模具钢(2)滚动轴承钢滚动轴承钢主要用于制造各种滚动轴承零件的专用钢，由于其有优良的性能，广泛地用在落料模、冷挤压模和成型模等冷作模具中。2.低变形冷作模具钢低变形冷作模具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素发展而来的。第二节冷作模具钢3.高耐磨微变形冷作模具钢低变形冷作模具钢的性能优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性等要求仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的需要
8、，为此发展了高耐磨微变形冷作模具钢，这类钢的使用量较大，典型的钢种主要为Cr12型高碳高铬钢，如Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo12V1及Cr4W2MoV。(1)Cr12、Cr12MoV这类钢含铬质量分数为12%，含碳质量分数为1.2%2.3%。第二节冷作模具钢(2)Cr4W2MoV型钢碳化物不均匀性比较严重，钢的脆性较大，使其在使用中受到一定限制，Cr4W2MoV钢是代替Cr12型钢而研制的一种高碳中铬钢，其成分特点是铬的质量分数减少了2/3，钨、钼的含量稍多，从而在一定程度上改善了钢中碳化物的不均匀性。4.高强度高耐磨性冷作模具钢对于某些冷挤压模具，承受巨大的外力作用，工作条件十分严
9、峻，对模具材料的要求比较高。第二节冷作模具钢5.高强韧性冷作模具钢随着低合金钢、不锈钢和滚动轴承钢冷挤压技术的发展，对冷作模具提出了高硬度、高耐磨性和高韧性的要求。6.高耐磨性、高强韧性冷作模具钢高强韧性钢由于钢中含碳质量分数的减少，其耐磨性不如高铬钢和高速钢。7.特殊用途冷作模具钢特殊用途冷作模具钢主要有两类：一类为耐蚀性冷作模具钢，如9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo。第三节热作模具钢一、热作模具对钢的性能要求1.高的强度、韧性及一定的耐磨性热作模具工作时承受较大的载荷，要求模具材料有较高的强度，由于热作模具工作时除受到毛坯变形时产生的摩擦磨损之外，还受高温氧化腐蚀和氧化铁屑的研磨，
10、故要求其模具材料有一定的硬度和耐磨性。2.高的回火稳定性模具的型腔与炽热的金属接触，要求模具在高温下仍能保持高的力学性能，即热作模具材料在高温下不发生软化，具有高的热稳定性，否则模具会发生塑性变形而失效。第三节热作模具钢3.优良的抗热疲劳性热作模具工作时，反复受热受冷，模具在这种反复加热与冷却的环境下，易使表面产生网状裂纹，即产生“热疲劳”。4.高的淬透性热作模具一般尺寸较大，为了使整个截面有均匀的力学性能，要求其有较高的淬透性。5.良好的导热性热作模具钢工作时应使型腔中的热量能迅速扩散开，减小模具内部的温差，不使模具温度过高，导致其力学性能的下降而影响热作模具的使用。6.良好的工艺性能有些热
11、作模具的形状比较复杂，为此要求其有良好的工艺性能，以便于加工。第三节热作模具钢二、常用热作模具钢的分类、常用钢号及含义1.热作模具钢的分类方法(1)按用途分类热锻模用钢。(2)按工作温度分类低耐热钢，耐热温度350370。(3)按性能分类高韧性热作模具钢。2.三类热作模具钢常用钢号见表2-3。表2-3热作模具常用钢号第三节热作模具钢表2-3热作模具常用钢号(1)热锻模用钢热锻模用钢要求一定的硬度、较高的韧性，因此含碳质量分数不宜过高，一般在0.45%0.60%之间。第三节热作模具钢(2)热挤压模用钢热挤压模既承受压缩应力和弯曲应力，又在脱模时承受一定的拉应力，同时还受到冲击载荷的作用。1)铬系
12、热作模具钢：常用铬系热作模具钢有4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1，这两种钢含碳的质量分数均属于中碳钢范围。2)钨系热作模具钢：常用的钨系热作模具钢有3Cr2W8V，这种钢的耐热性较铬系热作模具钢好，属高耐热模具钢。(3)压铸模用钢压铸模用钢主要用于制造压力铸造和挤压铸造的模具。第三节热作模具钢(4)热冲裁模用钢热冲裁模的工作温度相对较低，因此对材料的要求也相对较低，除了应具有较高的耐磨性以及加工工艺性能外，几乎所有的热作模具钢均能满足热冲裁模的工作条件。第四节塑料模具钢一、塑料模具对钢性能的要求1.塑料模具的分类、塑料模具的工作条件及失效形式塑料模具的使用寿命取决于模具的工作条件及失效
13、形式，不同类型的模具在不同的工作条件下，其失效形式各不相同，对模具的性能要求也不完全一样。(1)塑料模具的分类塑料是以合成树脂为主要成分的高分子有机化合物，它具有很好的成型加工性能，在适当的温度及压力下，可用注射、挤压、浇铸等模具制造方法进行成型，制成各种几何形状的制品，其成型工艺简便，生产效率高。第四节塑料模具钢(2)塑料模具的工作条件及失效形式热固性塑料压缩模的工作温度一般为160250，工作时模腔承受应力，一般为160200MPa，最高可达600MPa，塑料模型工作时承受一定的冲击载荷，其腔面易受腐蚀和易磨损。2.对塑料模具材料的性能要求(1)足够的强度和韧性以保证模具工作时能承受一定的
14、载荷和在使用过程中不致早期开裂。(2)较高的硬度和耐磨性以使模具工作时型腔的抛光表面粗糙度和尺寸精度应能长期保持，不致于很快磨损。第四节塑料模具钢(3)良好的耐热性、耐腐蚀性和尺寸稳定性以使模具能在较高的温度下长期工作，对于塑料成型时产生的腐蚀性气体有抵抗能力，保证模具材料有较低的膨胀系数和稳定组织。(4)良好的导热性以使塑料制件能尽快地在模具中冷却成型。(5)满足工艺要求为使模具易于制造应使模具材料具有一定的可锻性能、机械加工性能、焊接性能及热处理工艺性能。二、常用塑料模具钢的分类、常用钢号及含义第四节塑料模具钢表2-4常用塑料模具钢分类表表2-4常用塑料模具钢分类表1.渗碳型塑料模具用钢冷
15、挤压成形的塑料模具，为了便于模具的制造，须使模具材料在退火状态具有高的塑性和低的变形抗力。第四节塑料模具钢(1)12CrNi3A这种钢是传统的中淬透性合金渗碳钢，该钢含碳的质量分数为0.09%0.16%，铬的质量分数为0.6%0.9%，因该钢为高级优质钢，其硫、磷质量分数均小于0.25%。(2)0Cr4NiMoV(LJ)这种钢碳的质量分数小于0.08%，主加元素为铬，其含铬质量分数为3.6%4.2%，辅加元素为镍、钼、钒等，其质量分数均小于1%，合金元素在钢中的主要作用是提高钢的淬透性及提高钢的渗碳能力，增加渗碳层的硬度和耐磨性及心部的强韧性。第四节塑料模具钢2.淬硬型塑料模具用钢对于承受载荷
16、较大的热固性塑料模具和注射模具，根据其工作条件要求其模具基体应具有较高的强度、硬度和韧性，以防止或减小模具在使用中产生塌陷、变形和开裂，型腔表面应具有高的硬度和耐磨性。3.预硬型塑料模具钢预硬型塑料模具钢是在供应状态时已进行了热处理，其硬度已达到模具使用要求，模具加工成形不再进行热处理而直接使用的模具钢，这样可保证模具的制造精度。第四节塑料模具钢(1)3Cr2Mo钢这种钢属中碳低合金钢，多采用电炉熔炼、真空除气和特殊的脱氧处理，钢材洁净度高，镜面抛光性好，力学性能均匀。(2)8Cr2MnWMoVS钢这种钢具有高的强韧性、良好的切削加工性、表面处理性能及镜面抛光性，但其抗腐蚀性较差，该钢经预硬处
17、理后可制作精密塑料模和胶木模型腔，亦可作高强韧性冷作模具。第四节塑料模具钢(3)SM1钢SM1钢是一种含硫元素的易切削塑料模具钢，在3540HRC预硬状态下供货，因钢中含有硫，故在此硬度下仍具有较好的切削加工性，这种钢加工成模具后不再进行热处理而直接使用，根据需要这种钢也可进行渗氮等表面处理，以进一步提高其表面硬度。4.时效硬化型塑料模具钢这类钢的含碳量较低，合金元素含量较高，经高温淬火后，钢处于软化状态，其组织为单一的过饱和固溶体，称为固溶处理。第四节塑料模具钢(1)18Ni类钢这类钢属于马氏体时效钢，其屈服强度有1400MPa、1700MPa、2100MPa等级别，分别用18Ni140级、
18、18Ni170级、18Ni210级表示。(2)10Ni3MnCuAl(PMS)钢这是一种镍铜铝系时效硬化型塑料模具钢，其淬透性好，热处理变形小，热处理工艺简便，能进行表面强化处理，热处理后的组织为贝氏体和马氏体双相组织，具有良好的冷热加工性和综合力学性能。5.耐蚀塑料模具钢塑料模具钢的工作温度较高，有时工作中产生的气体、液体等对模具有一定的腐蚀作用，为此须采用耐蚀性的材料。第四节塑料模具钢(1)马氏体型不锈钢常用的马氏体型不锈钢，如2Cr13、3Cr13等，其含碳质量分数为0.1%0.45%，含铬质量分数为12%14%，属铬不锈钢，这种钢随含碳质量分数的增加，其强度、硬度和耐磨性提高，但耐蚀性
19、下降，因碳与铬形成碳化铬，相当于降低了钢中的含铬质量分数，从而影响了钢的耐蚀性。(2)奥氏体型不锈钢这类钢属镍铬钢，其应用较为广泛，如典型的18-8不锈钢1Cr18Ni9，这种钢含碳质量分数较低，含铬质量分数为17%19%，含镍质量分数为8%11%。第四节塑料模具钢(3)0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢这是一种马氏体沉淀硬化型不锈钢，因含碳质量分数很低，其耐蚀性和焊接性能均优于马氏体型不锈钢，而接近于奥氏体型不锈钢。1.试述模具材料的分类方式和常用模具钢的编号方法。2.模具材料所要求的力学性能指标和工艺性能指标有哪些?3.冷作模具钢应具备哪些性能要求?4.试述冷作模具钢的分类方法。5.低
20、淬透性冷作模具钢与低变形冷作模具钢在性能及应用上有何区别?第四节塑料模具钢6.试从工艺性能和承载能力方面分析下列钢号属于哪类冷作模具钢?7.试述高耐磨性微变形冷作模具钢的成分特点和常用钢号。8.试述热作模具钢的工作条件及失效形式。9.试述热作模具钢的分类方法。10.热锻模用钢对钢的力学性能指标有哪些要求?列出12个热锻模用钢的牌号。11.热挤压模对所使用的材料性能主要有哪些要求?12.热挤压模用钢有哪些系列?列举出各系列的典型钢号。第四节塑料模具钢13.选择压铸模材料的依据有哪些?比较压铸模用钢3Cr2W8V与4Cr5MoSiV的成分、性能特点。14.试述塑料模具的工作条件及失效形式。15.试述塑料模具材料的分类及常用钢号。16.试述预硬型塑料模具用钢的成分，性能及应用特点。17.试述时效硬化型塑料模具用钢的性能及应用特点。18.选择塑料模具的依据有哪些?试为下列工作条件下的塑料模选择模具材料。(1)形状简单、精度要求不高、批量不大的塑料模。(2)高耐磨、高精度、形状复杂的塑料模。第四节塑料模具钢(3)大型、复杂、产品批量大的塑料注射模。(4)耐蚀、高精度塑料模具。
