1、模具材料模具材料湖南工程学院湖南工程学院：高为国高为国Mold Materials第六章第六章 其他模具材料及热处理其他模具材料及热处理 一、玻璃材料与玻璃制品一、玻璃材料与玻璃制品1.玻璃材料的化学组成和性质玻璃材料的化学组成和性质传统的玻璃材料通常是以传统的玻璃材料通常是以SiO4 网络骨架为基础，以硅酸网络骨架为基础，以硅酸盐为主要成分的一种非晶态物质，它从熔融状态到固体状态的盐为主要成分的一种非晶态物质，它从熔融状态到固体状态的性质转变是一个连续的、可逆的过程。除了传统的硅酸盐玻璃性质转变是一个连续的、可逆的过程。除了传统的硅酸盐玻璃以外，其他的玻璃材料还包括硼硅酸盐、磷酸盐以及纯净的
2、氧以外，其他的玻璃材料还包括硼硅酸盐、磷酸盐以及纯净的氧化物、钨酸盐、钼酸盐等。化物、钨酸盐、钼酸盐等。本章主要对工程领域应用较多的玻璃模具、陶瓷模具的服本章主要对工程领域应用较多的玻璃模具、陶瓷模具的服役条件、失效形式、材料选择及其热处理工艺进行介绍。役条件、失效形式、材料选择及其热处理工艺进行介绍。第一节第一节 塑料模具材料的主要性能要求塑料模具材料的主要性能要求 2.2.玻璃制品的类型和制造玻璃制品的类型和制造玻璃制品的类型包括传统的玻璃瓶、平板玻璃、建筑玻璃、玻璃制品的类型包括传统的玻璃瓶、平板玻璃、建筑玻璃、医用玻璃、照明玻璃、光学玻璃医用玻璃、照明玻璃、光学玻璃,以及以光纤、光波导
3、、电子玻以及以光纤、光波导、电子玻璃为代表的新型玻璃等。璃为代表的新型玻璃等。玻璃制品的制造包括玻璃原料的熔制和玻璃液的成型两个玻璃制品的制造包括玻璃原料的熔制和玻璃液的成型两个阶段。玻璃的成型是指从熔融的玻璃液转变为具有固定几何形阶段。玻璃的成型是指从熔融的玻璃液转变为具有固定几何形状玻璃制品的过程。主要的成型方法有吹制法状玻璃制品的过程。主要的成型方法有吹制法(空心玻璃制品空心玻璃制品)、压制法压制法(容器玻璃容器玻璃)、浇注法、浇注法(光学玻璃光学玻璃)、浮法、浮法(平板玻璃平板玻璃)等。等。二、玻璃模具的服役条件和失效形式二、玻璃模具的服役条件和失效形式1.玻璃模具的服役条件玻璃模具的
4、服役条件玻璃的成型过程大多属于间歇作业，熔融的玻璃向成型模玻璃的成型过程大多属于间歇作业，熔融的玻璃向成型模腔的内表面周期性地放热。此外，玻璃成型模具与高温黏滞玻腔的内表面周期性地放热。此外，玻璃成型模具与高温黏滞玻璃相接触，熔融玻璃液将对模具材料产生磨损和腐蚀。璃相接触，熔融玻璃液将对模具材料产生磨损和腐蚀。2.2.玻璃模具的失效形式玻璃模具的失效形式玻璃模具的失效形式主要有塑性变形、磨损、冷热疲劳、玻璃模具的失效形式主要有塑性变形、磨损、冷热疲劳、腐蚀、氧化（腐蚀、氧化（起皮、剥落、麻点）起皮、剥落、麻点）、开裂等。模具在服役过程、开裂等。模具在服役过程中可能同时出现多种失效形式，各种失效
5、之间又相互渗透和相中可能同时出现多种失效形式，各种失效之间又相互渗透和相互促进。互促进。三、玻璃模具材料的性能要求和类型三、玻璃模具材料的性能要求和类型1.玻璃模具材料的性能要求玻璃模具材料的性能要求材质致密，易于进行切削加工；材质致密，易于进行切削加工；高温化学稳定性好，高温化学稳定性好，耐硅酸腐蚀、抗氧化；耐硅酸腐蚀、抗氧化；较高的耐热性和热稳定性；较高的耐热性和热稳定性；较高的较高的热导率和比热容；热导率和比热容；热膨胀系数小，抗热裂性好；热膨胀系数小，抗热裂性好；较高的黏较高的黏合温度；合温度；耐磨性好；耐磨性好；在满足以上条件的前提下在满足以上条件的前提下,模具材料的模具材料的成本和
6、模具的加工费用要低廉。成本和模具的加工费用要低廉。2.2.玻璃模具材料的类型玻璃模具材料的类型玻璃模具材料以各类铸铁为主玻璃模具材料以各类铸铁为主,其次为耐热钢。除铸铁外其次为耐热钢。除铸铁外,玻璃模具的常用材料还包括耐蚀型马氏体不锈钢，如玻璃模具的常用材料还包括耐蚀型马氏体不锈钢，如12Cr13、30Cr13、40Cr13、40Cr13Ni 等等,以及以及3Cr2W8V、3Cr3Mo3V、3Cr3Mo3Co3V 等热作模具钢。等热作模具钢。四、玻璃模具材料的热处理四、玻璃模具材料的热处理1.铸铁材料的热处理铸铁材料的热处理铸铁材料通常要进行时效退火，以降低其残余应力。铸铁铸铁材料通常要进行时
7、效退火，以降低其残余应力。铸铁的时效温度一般的时效温度一般为为550700。温度过低，。温度过低，时效不彻底；温度时效不彻底；温度过高，则模具的硬度下降较大。过高，则模具的硬度下降较大。含有稀土元素的铸铁玻璃模具，一般选择含有稀土元素的铸铁玻璃模具，一般选择760780进行进行时效退火；球墨铸铁模具也可以在时效退火；球墨铸铁模具也可以在750800进行正火处理，进行正火处理，以提高其强度、硬度和耐磨性。以提高其强度、硬度和耐磨性。2.2.耐热不锈钢耐热不锈钢的热处理的热处理玻璃模具用马氏体耐蚀不锈钢有玻璃模具用马氏体耐蚀不锈钢有12Cr13、30Cr13、40Cr13、40Cr13Ni 等，淬
8、透性较好，通常采用调质处理工艺，即等，淬透性较好，通常采用调质处理工艺，即10001050加热，保温后加热，保温后 油冷或空冷淬火，然后在油冷或空冷淬火，然后在600800 进行进行高温回火。高温回火。玻璃模具也可采用玻璃模具也可采用ZG12Cr13、ZG40Cr13、ZG3Cr2W8V、ZGW18Cr4V等铸钢制造，并进行较高温度的淬火和较高温度等铸钢制造，并进行较高温度的淬火和较高温度的多次回火。的多次回火。3.激光合金化热处理激光合金化热处理激光合金化热处理是指以激光为热源，在模具表面涂覆上激光合金化热处理是指以激光为热源，在模具表面涂覆上合金粉末，然后进行表面合金化的复合强化技术。合金
9、粉末，然后进行表面合金化的复合强化技术。处理前，先除去铸铁处理前，先除去铸铁HT200 上的铁锈上的铁锈,而后在模具表面涂而后在模具表面涂上上Ni-Cr-B-Si 合金粉，再采用合理的参数进行激光扫描。合金粉，再采用合理的参数进行激光扫描。4.4.热喷焊表面强化热处理热喷焊表面强化热处理采用热喷焊工艺进行表面强化，具有喷焊层组织致密、采用热喷焊工艺进行表面强化，具有喷焊层组织致密、无孔、表面光滑、结合强度高、喷焊层厚度可根据实际要求无孔、表面光滑、结合强度高、喷焊层厚度可根据实际要求在在0.23mm 范围内调整等特点，适用于几乎所有的玻璃模具范围内调整等特点，适用于几乎所有的玻璃模具材料。材料
10、。喷焊工艺：模具表面处理喷焊工艺：模具表面处理预热预热喷敷喷敷重熔重熔冷却。冷却。3Cr2W8V 钢玻璃模具的热喷焊工艺：采用钢玻璃模具的热喷焊工艺：采用NiCr-12 自熔自熔合金粉末作为喷焊材料，合金粉末的熔点为合金粉末作为喷焊材料，合金粉末的熔点为1070，线膨胀，线膨胀系数为系数为14 16m/(m)，喷焊层的硬度为喷焊层的硬度为42HRC。为使焊料在模具表面正常铺展，喷焊前需要将模具预热为使焊料在模具表面正常铺展，喷焊前需要将模具预热到到200250，对合金粉末也要加热到，对合金粉末也要加热到150 进行烘干进行烘干处理。处理。5.5.玻璃模具材料及热处理工艺实例玻璃模具材料及热处理
11、工艺实例（1）玻壳模具材料及其热处理）玻壳模具材料及其热处理玻壳模具始终在周期性的急冷急热状态下工作，将导致模玻壳模具始终在周期性的急冷急热状态下工作，将导致模具表面在交变热应力的作用下出现热疲劳裂纹。具表面在交变热应力的作用下出现热疲劳裂纹。根据玻壳模具的使用条件，一般可选用根据玻壳模具的使用条件，一般可选用16Cr25Ni20Si2、12Cr18Ni9、12Cr13、30Cr13、40Cr13、40Cr13Ni、10Cr17、14Cr17Ni2 等不锈钢，以及等不锈钢，以及3Cr2W8V、3Cr3Mo3Co3V3、3Cr3Mo3V等热作模具钢，并进行相应的热处理。等热作模具钢，并进行相应的
12、热处理。模具材料的热处理可以选择在铸造后立即进行回火处理或模具材料的热处理可以选择在铸造后立即进行回火处理或者经高温淬火后再进行回火处理。例如，者经高温淬火后再进行回火处理。例如，40Cr13Ni 钢玻壳模钢玻壳模具可在铸造后立即在具可在铸造后立即在700 回火两次，或将铸造模具重新加热回火两次，或将铸造模具重新加热到到1000 淬火后，再进行淬火后，再进行700 回火两次。回火两次。（2）玻璃瓶模具材料及其热处理）玻璃瓶模具材料及其热处理玻璃模具的工作温度一般为玻璃模具的工作温度一般为5001000 或更高，在压制或更高，在压制玻璃制品时，模具型腔内表面周期性地承受骤冷、骤热，还要玻璃制品时
13、，模具型腔内表面周期性地承受骤冷、骤热，还要承受熔融玻璃液体对模具表面的冲刷与腐蚀作用。在这样的工承受熔融玻璃液体对模具表面的冲刷与腐蚀作用。在这样的工作条件下作条件下,玻璃瓶成型模具的主要失效形式有氧化（玻璃瓶成型模具的主要失效形式有氧化（起皮、剥起皮、剥落、麻点）、倒棱和变形。落、麻点）、倒棱和变形。当玻璃模具的工作温度在当玻璃模具的工作温度在700 以下时，通常选用灰铸铁以下时，通常选用灰铸铁材料制造；工作温度为材料制造；工作温度为700 900 时，采用合金铸铁制造；时，采用合金铸铁制造；工作温度超过工作温度超过1000 时，则采用铸造不锈钢制造。时，则采用铸造不锈钢制造。为提高灰铸铁
14、为提高灰铸铁HT200 的耐磨性，的耐磨性，一般进行正火处理，即一般进行正火处理，即加热到加热到850900，保温，保温13h，出炉后空冷。对于形状复杂，出炉后空冷。对于形状复杂的模具，有时还需要在的模具，有时还需要在550 600 进行去应力退火，以消除进行去应力退火，以消除其在正火时产生的内应力。其在正火时产生的内应力。一、陶瓷材料与成型方法一、陶瓷材料与成型方法1.陶瓷原料组成陶瓷原料组成陶瓷是指以天然或人造非金属物质为原料，经成型和烧结陶瓷是指以天然或人造非金属物质为原料，经成型和烧结而成的固体物质。普通陶瓷的主要原料为石英而成的固体物质。普通陶瓷的主要原料为石英(SiO2)、黏土、长
15、、黏土、长石英等，现代精细陶瓷的原料则包括纯净的氧化物、碳化物、石英等，现代精细陶瓷的原料则包括纯净的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等。氮化物、硼化物等。2.2.陶瓷制品的成型方法陶瓷制品的成型方法与金属模具密切相关的成型方法包括压制成型等。所谓压与金属模具密切相关的成型方法包括压制成型等。所谓压制成型是指在坯料中加入少量水分或塑化剂，然后在金属模具制成型是指在坯料中加入少量水分或塑化剂，然后在金属模具中经较高压力压制成型的工艺过程，包括干压成型、半干压成中经较高压力压制成型的工艺过程，包括干压成型、半干压成型、等静压成型等。除此之外，常见的成型方法还包括压制法、型、等静压成型等。除此之外，常
16、见的成型方法还包括压制法、压铸法、注浆法、滚压法等。压铸法、注浆法、滚压法等。第二节第二节 陶瓷模具材料及热处理陶瓷模具材料及热处理二、陶瓷模具材料的服役条件、类型及热处理二、陶瓷模具材料的服役条件、类型及热处理1.1.陶瓷模具的服役条件陶瓷模具的服役条件制造陶瓷制品所用的金属模具，尤其是凹模工作时需要承制造陶瓷制品所用的金属模具，尤其是凹模工作时需要承担较大压力，同时还要承受陶瓷粉末的反复研磨作用，对于高担较大压力，同时还要承受陶瓷粉末的反复研磨作用，对于高温压制的产品，模具长期在高温下工作，还必须考虑材料在高温压制的产品，模具长期在高温下工作，还必须考虑材料在高温下抗蠕变和抗氧化的能力。温
17、下抗蠕变和抗氧化的能力。2.2.陶瓷模具材料的类型陶瓷模具材料的类型根据陶瓷生产批量和陶瓷原料类型，陶瓷模具材料可以采根据陶瓷生产批量和陶瓷原料类型，陶瓷模具材料可以采用碳素调质钢如用碳素调质钢如45、50钢等；合金调质钢如钢等；合金调质钢如40Cr、40CrNi 钢钢等；合金工具钢如等；合金工具钢如CrWMn、H13、Cr12、Cr12MoV 钢等；硬钢等；硬质合金如质合金如YG15、YG8、YT15、GT35、GJW50 等。等。3.3.陶瓷模具材料的热处理陶瓷模具材料的热处理（1 1）调质钢的热处理调质钢的热处理陶瓷模具若选用碳素调质钢和合金调质钢如陶瓷模具若选用碳素调质钢和合金调质钢如
18、45、40Cr 钢等，钢等，一般采用调质处理，处理后的硬度为一般采用调质处理，处理后的硬度为2428HRC。45 钢的调质工艺规范为钢的调质工艺规范为830840 水冷淬火，水冷淬火，580640 回火后空冷；回火后空冷；40Cr 钢的调质工艺规范为：钢的调质工艺规范为：850 油冷淬火，油冷淬火，500 回火后油冷。回火后油冷。这类模具适用于压制批量小、陶瓷原料硬度较低或黏结剂这类模具适用于压制批量小、陶瓷原料硬度较低或黏结剂较多的陶瓷制品。较多的陶瓷制品。（2）合金工具钢的热处理合金工具钢的热处理陶瓷模具往往需要得到较高的硬度，而合金工具钢热处理陶瓷模具往往需要得到较高的硬度，而合金工具钢
19、热处理后的硬度可达到后的硬度可达到5060HRC，选用一般的热处理工艺即可。，选用一般的热处理工艺即可。（3 3）硬质合金的热处理硬质合金的热处理陶瓷模具所用的普通硬质合金材料如陶瓷模具所用的普通硬质合金材料如YG8、YG15、YT15 等，一般不进行热处理，而是在烧结状态下使用。等，一般不进行热处理，而是在烧结状态下使用。如使用的模具材料是钢结硬质合金如如使用的模具材料是钢结硬质合金如GT35、GJW50 等，等，则需要进行适当的热处理，以提高模具的硬度、强度、耐磨性则需要进行适当的热处理，以提高模具的硬度、强度、耐磨性和耐蚀性。和耐蚀性。钢结硬质合金淬火、回火后的显微组织为钢结硬质合金淬火、回火后的显微组织为TiC（或（或WC）+回火马氏体回火马氏体+碳化物。碳化物。
