1、 模具材料及热、表处理方法选用-绪论一、模具材料在模具工业中的地位 模具是机械、电子、轻工、国防等行业生产的重要工艺装备。随着工业技术的迅速发展，现代制造业对模具的使用寿命、尺寸精度和表面粗糙度等不断提出新的更高的要求。模具材料是模具制造的基础，模具材料和热处理技术对模具的使用寿命、精度和表面粗糙度起着重要的、决定性的作用。这些产品是什么材料制做的？你是否拥有这种这些产品是什么材料制做的？你是否拥有这种材料的产品？材料的产品？根据模具的服役条件合理选用材料，采用适当的热处理工艺和表面处理充分发挥模具材料的潜力，根据模具材料的性能特点选用合理的模具结构，根据模具材料的特性采用相应的维护措施是十分
2、重要的。二、热、表处理在模具工业中的地位 现代模具量大面广，品种繁多：汽车、拖拉机和机电产品：70%塑料制品：80%-90%日用五金：60%-70%模具在提高经济效益方面起着关键性的作用，模具生产影响到产品开发、更新换代和发展速度，其使用寿命影响到产品成本。为了降低模具生产成本，增加效益，保证高质量，在采用先进设备和制造工艺，必须在提高模具寿命方面不断地努力。合理选用模具材料，合理实施热处理和表面强化工艺才能保证模具充分地利用。汽车模具系列汽车模具系列Moulding Die For AutomotiveMoulding Die For Automotive保险杠注射模保险杠注射模轮毂压铸模轮
3、毂压铸模轮胎轮胎橡胶橡胶模模密封圈密封圈挤出挤出模模大型覆盖件模大型覆盖件模反光镜玻璃模反光镜玻璃模绝缘陶瓷模绝缘陶瓷模汽车三、模具材料的发展概况 模具工业已发展成为独立的工业体系，在模具材料的研制和热处理技术方面都取得了巨大的成就）在冷作模具方面开发了一批高性能的新钢种：（7Cr7Mo2V2Si)、ER5(Cr8MoWV3Si)、GM(9Cr6W3Mo2V2)等。2）在热作模具方面，结合国内资源研制了十几种新钢种,如性能优于 5CrMnMo的4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi；热锻、热挤用的GR（4Cr3Mo3W4VNb)、H13(4Cr5MoSiV1)等，这些钢具有高的热稳定性、
4、高温强度、热疲劳性及耐磨性。3）塑料模具用钢方面，我国自主研制06Ni(06Ni6CrMoVTiAl),SMI(Y55CrNiMnMoV)、5NiSCa等，这些钢种强韧适当，热处理工艺简便，变形小，易于切削加工。4）硬质合金和钢结硬质制造模具正走向成熟。多用于拉丝模、冷冲模、冷镦模。如硬质合金制造的硅钢片高速冲模，寿命可达上亿次。四、表面处理工程发展概况 随着新的科学技术渗透到表面化技术领域，使模具的强化技术得到了迅速发展。-除了传统的渗碳、渗氮、氮碳共渗、渗硫、渗金属等广泛应用外，还发展了涂覆技术。-激光：激光、电子束用于表面加热，使表面强化技术超出了普通热处理的范畴大幅度地改变了硬化层的结
5、构和性能。-热喷涂：热喷涂技术作为一种新的表面防护和表面强化工艺在近年得到迅速发展，由单一涂层发展到包括产品失效分析、表面预处理、喷涂材料和设备选择、涂层系统设计涂层后加工等在内的热喷涂系统工程。五、本课程的性质、目的和要求 性质：本课程是模具专业的一门专业课。目的：本课程的目的是使学生较全面地了解各种模具材料的性能、生产工艺及质量要求，并能根据模具服役的具体条件，合理地选用材料。并能正确地制订生产工艺，从而提高模具的使用寿命，降低产品生产成本，提高劳动生产率。要求：1）了解当前模具材料的发展现状和发展趋势；2）明确模具材料及热、表处理与模具使用性能、使用寿命、成本之间的关系，正确选用模具材料
6、及热表处理方法；3）掌握常用冷作模具、塑料模具和热作模具材料的牌号，性能特点、工艺特点，并能合理选用。4）熟悉常见的模具热、表处理方法。六、学习方法 本门课程属于理论性和实践性都较强。本课程采用工作过程式的项目教学法。在教学中要求采用直观教学、多媒体教学和启发式教学，并培养学生的自学能力，以增加课堂的信息量和课时的利用率，并在后续课程和生产实习、课程设计、毕业设计等教学环节中反复练习。还应特别重视实践知识的学习，尽可能参观一些模具制造厂家和模具使用厂家，以增加感性知识，便于更好地学好本门课程。学习模块一 模具材料导论材料的力学性能单元一 材料力学性能 各种模具的工作条件不同，对模具材料的性能要
7、求也不同。为了使所选用的模具材料满足模具的使用要求，应对模具材料的性能及其影响因素有比较全面的了解。零件生产过程 破坏形式 解决方法任务一、强度强度是表征材料变形抗力和断裂抗力的指标。常见模具强度性能的评价指标冷作模具：冷作模具材料塑性变形抗力的指标主要是常温下的屈服点s或屈服强度0.2。热作模具：热作模具材料塑性变形抗力的指标应为高温屈服点或高温屈服强度。1.1.拉伸曲线拉伸曲线拉伸试样拉伸试样拉伸试验拉伸试验机机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象F(N)FbFsFeL%2.2.拉伸试验拉伸试验材料：低碳钢变换：变换：F/SF/S0 0=(MPaMPa)S S0 0 为试样原始截面为试样原
8、始截面积积(mmmm2 2)L/L L/L0 0=（%）L L0 0 为试样标距长度为试样标距长度转化：转化：纵坐标：以应力纵坐标：以应力表示，横坐标：以表示，横坐标：以应变应变表示，表示，怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？怎样比较不同材料抵抗外力能力的大小？oeoe为纯弹性变形阶段为纯弹性变形阶段 外力去除后试样完全恢复原状e e以上为弹塑性变形阶段以上为弹塑性变形阶段eses为屈服阶段为屈服阶段 外力不增加，试样明显伸长sbsb为大量塑性变形阶段为大量塑性变形阶段 外力增加不多，试样明显伸长bkbk为缩颈阶段为缩颈阶段 试样出现集中变形，抵抗外力能力下降ob为均匀变形变形过程：强度指标：
9、应力：应力：材料单位截面上所受的内力称为应力材料单位截面上所受的内力称为应力 p p =F Fp p/S/So o (MPMPa a)弹性极限：弹性极限：保持纯弹性变形的最大应力保持纯弹性变形的最大应力 e e =F=Fe e/S/So o （比比p p稍大，弹性零件，一般不提此要求）稍大，弹性零件，一般不提此要求）屈服强度：屈服强度：产生屈服时的应力（屈服点）产生屈服时的应力（屈服点）s s =F=Fs s/S/So o （用于有明显屈服现象的材料）（用于有明显屈服现象的材料）条件屈服强度：条件屈服强度：产生产生0.2%0.2%残余伸长率时的残余伸长率时的应力应力 0.20.2抗拉强度：抗拉
10、强度：断裂前最大载荷时的应力（强断裂前最大载荷时的应力（强度极限）度极限）b b=F Fb b/S/So o 屈服点和屈服强度是工程上极为重要的力学性能指标之一，是大多数机械零件设计和选材的依 据，是评定金属材料性能的重要参数。零件在工作中所承受的应力，超过屈服点或屈服强度时，会因过量的塑性变形而失效。任务二任务二.塑性塑性 产生塑性变形而不被破坏的能力产生塑性变形而不被破坏的能力2.2.断面收缩率断面收缩率 =(S =(S0 0-S Sk k)/S)/S0 0 100%100%1.伸长率：伸长率：=(L=(L1 1-L-L0 0)/L)/L0 0 100%100%和和越大，材料的塑性越好越大
11、，材料的塑性越好 2 5%10%10%属塑性材料属塑性材料塑性直接影响到零件的成形加工及使用塑性直接影响到零件的成形加工及使用1.1.提高安全性：机械零件突然超载的情况下，能避提高安全性：机械零件突然超载的情况下，能避免突然断裂；免突然断裂；2.2.2.2.低碳钢的塑性好，便于压力加工成型低碳钢的塑性好，便于压力加工成型 （板金（板金件加工成型）。件加工成型）。塑性对材料的意义：塑性对材料的意义：根据模具工作状态，要求：1.为了确保模具在使用过程中，不会发生过量的塑性变形失效，模具材料的屈服点必须大于模具的工作应力；2.热作模具的加工对象是高温软化状态的坯料，故所受的工作应力要比冷作模具小得多
12、。但热作模具与高温坯料接触的部分会受热而软化，因此，模具的表面层须有足够的高温强度。热作模具：3.热作模具的断裂失效，不完全由于模具材料抗拉强度不足所致，大多数热作模具在发生断裂之前，已由于冷热疲劳而出现许多表面裂纹。4.大部分热作模具都是在周期性的温度急剧变化下服役的,在模具表产生应力。为防止模具表面产生热疲劳裂纹,要求模具材料具有良好的热疲劳抗力。冷作模具材料的断裂抗力指标是室温下的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。冷作模具：塑料模具材料的使用性能与冷作和热作模具材料相比，要求并不太高。塑料模：任务三：硬度硬度：是衡量材料软硬程度的性能指标。实际上它是表征着材料的弹性、塑性、形变强化、强度和
13、韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。硬度值是通过试验测得的。目前，应用最广的方法是：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等试验。1.布氏硬度：布氏硬度计布氏硬度计 适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;原理原理HBSHBS（HBWHBW）=F/S=2F/DD-(D2-d2)1/2=F/S=2F/DD-(D2-d2)1/2 不写单位：不写单位：kgf/mm2kgf/mm2 采用淬火钢球时，记为采用淬火钢球时，记为HBS适于测量硬度值小于适于测量硬度值小于450的材料的材料 采用硬质合金钢球时，记为采用硬质合金钢球时，记为 HBW,适于测量硬度适于测量硬度值小于值小于650的材料
14、的材料 ）F.试验力（N)D-压头直径（mm）d压痕直径（mm)试中：布氏硬度测试特点及范围：1.布氏硬度压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成部分的平均性能，因此试验结果较准确。2.由于布氏硬度试验留下的压痕较大，不适宜用来检验薄件和成品件，也不宜于检测太硬的材料，HBS适于测量布氏硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小于650的材料。材 料硬度HBS试样厚度/mmP/D2D/mmP/N（kgf）载荷保持时间/s钢铁材料14045063422301052.529 400(3 000)7 350(750)1837.5(187.5)106636636633101052.52 450(2
15、50)12.5(62.5)152.88(15.6)60表表1-1 布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范 2.洛氏硬度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度特点洛氏硬度特点洛氏硬度测量的优点：操作简便，压痕小可用品和薄洛氏硬度测量的优点：操作简便，压痕小可用品和薄形件形件 缺点：测量数值分散缺点：测量数值分散HRCHRC洛氏硬度适用于：淬火钢，调质钢生产零件洛氏硬度适用于：淬火钢，调质钢生产零件 ,当当HRC20-70 HRC20-70 时有效时有效3.维氏硬度 如图所示。将相对面夹角为136的金刚石正四棱锥体压头按选定的试验力压入试样表面 将压头在选择的试验力作
16、用下压入被测材料表面，保持一定时间后卸载荷，然后再测量压痕两对角线平均长d，计算出压痕的表面积，最后求出压痕表面积上的平均压力F/S。以此作为被测材料的维氏硬度值，用符号HV表示 2021891.068sin2dFdFSFHV式中，F-压力（N）d-平均长度（mm）1、硬度是模具材料的主要技术性能指标，模具在作时必须具有高的硬度，才能保持其原来的形状和尺寸。一般，冷作模具钢要求为60HRC左右，热作模具钢为4550HRC左右，并且要求热作模具材料在其工作温度下仍保持一定的硬度。结论：2、热硬性是指模具在高温工作条件下，保持其组织和性能稳定的能力，这是热作模具和重载快速冷作模具的重要指标。一般在
17、500 600条件下，仍能保持足够的硬度。3、模具的硬度对模具寿命影响很大，并不是硬度越高，寿命越长。如采用T10钢制作硅钢片冲裁模，硬度为5356HRC时，只冲几千次，模具便产生磨损，冲件毛刺就很大；若将硬度提高到6063HRC，刃磨寿命可达23万次；但如果继续提高硬度，则会使模具出现早期断裂。模具的硬度应根据其具体的工作状况及主要的失效形式进行合理选择。4、模具工作时，其表面往往要与工件产生多次强烈的摩擦，模具必须在此情况下仍能保持其尺寸精度和表面粗糙度，即要求模具材料具有足够的耐磨性。模具材料的耐磨性往往是决定模具使用寿命的重要因素。5、硬度是表征着材料的弹性、塑性、强度和韧性等一系列不
18、同物理量的组合的一种综合性能指标。作为成形用的模具（尤其是高精度模具），一般应有较高和很高的硬度，才能确保其使用性能和寿命。插入一些模具图片任务四：冲击韧度 模具在服役中承受拉压、冲击、振动、扭转和弯曲等应力，重负荷的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具局部塌陷、崩刃和断裂而发生早期失效。对于受强烈冲击载荷的模具，如冷作模具的冲头、锤用热锻模具、冷镦模具、热镦锻模具等，模具材料的韧性是十分重要的考虑因素 1、冲击载荷：是指在短时间内以很大的速度作用于零件或工具上的载荷。对于承受冲击载荷作用载荷的能力的零件，除了具有足够的静载荷作用下的力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击的能力插入冲压过
19、程动画2、冲击韧度：金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度3、冲击实验：断口处单位面积上所消耗的冲击吸收功断口处单位面积上所消耗的冲击吸收功,即为即为材料的冲击韧性。材料的冲击韧性。k k =A =Ak k/S/S0 0 （J/cm2）A Ak k 冲击吸收功冲击吸收功 （J）（摆锤冲断试样所失去的能量，即对（摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功）试样断裂所作的功）S S0 0 试样缺口处截面试样缺口处截面FhHGFAaKK)(1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂结论：1、韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一个特性，反映了模具的脆断抗力；2、韧性不是单
20、一的性能指标，而是强度和塑性的综合表现。实际上，零件很少是受一次冲击就破坏的，大多数情况下是承受小能量、多次重复的冲击载荷。在这种情况下，以冲击韧度作为性能指标来选择材料就不合适了 3、工作时，承受巨大冲击载荷的模具，须把冲击韧性作为一项重要的性能指标。如通常要求锤锻模具用钢的ak值不应低于30J/cm2。4、冷作模具材料因多在高硬度状态下使用，在此状态下，ak值很小，很难相互比较，因而常根据静弯曲挠度的大小，比较其韧性的高低5、冲击吸收功对材料的意义：1.Ak 对材料内部缺陷很敏感，可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量2.Ak 随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象3.（寒冷地区的机械）
21、任务五：疲劳强度1、疲劳现象：许多机械零件都是在循环载荷作用下工作的，如曲轴、齿轮、各种滚动轴承等。循环载荷：是指大小、方向都随时间发生周期性变化的载荷。承受循环载荷作用的零件，在工作过程中，常常在工作应力远低于制作材料的屈服点或屈服强度的情况下，仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，不管是韧性材料还是脆性材料，疲劳断裂都是突然发生的。2、疲劳强度 疲劳强度是指材料经受无数次的应力循环仍不断裂的最大应力，表示材料抵抗疲劳断裂的能力。对称循环应力的疲劳强度用-1表示 测定材料的疲劳强度是在不同交变载荷下进行试验，通过试验可测得材料承受的交变应力和断裂前应力循环次数N
22、之间的关系曲线，即疲劳曲线，如图所示。实践证明当钢铁材料的应力循环次数达到107次时，零件仍不断裂，此时的最大应力可作为材料的疲劳强度 有色金属和某些超高强度钢，如图中的2曲线，工程上规定应力循环次数为108次时，所对应的最大应力作为它们的疲劳强度。影响因素：疲劳断裂一般是由于材料内部有组织缺陷，如气孔、夹杂物等、表面有裂纹、刀痕及其它能引起应集中的缺陷而导致产生微裂纹。这种裂纹随着应力循环次数的增加而逐渐扩展，最后导致材料断裂。为了提高机械零件的疲劳强度，金属材料的疲劳曲线延长其使用寿命，除改善内部组织和外部结构形状（即避免尖角），避免应力集中外，还可以通过提高零件表面粗糙度，减少表面刀痕、
23、碰伤和各种化的方法如表面淬火、喷丸处理、涂敷表面涂层来提高疲劳强度。措施：模具工作时，承受着机械冲击和热冲击的交变应力，热作模具在服役过程中，热交变应力更明显地导致模具热裂。受应力和温度梯度的影响而引起裂纹，往往是在形腔表面形成浅而细的裂纹，它的迅速传播和扩展导致灾难性事故而使模具报废。结论：提高材料的耐疲劳性，可有效地推迟疲劳裂纹的形成与扩展。任务六：材料的高温性能 热作模具、部分成型模具或冷作模具等，由于工作温度较高，通常需要考虑模具材料的耐热性。材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使所受到的应力小于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形的现象称为蠕变。蠕变是在高温条件下金属材料力学行为的重要特点。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。蠕变极限是反映材料在长时间高温作用下的塑性变形抗力的指标。持久强度是指材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力 结论：1、热作模具要求材料在模具的服役温度下,仍保持一定的强度,并且具有良好的热稳定性,以防止模具发生变形。3、大部分热作模具都是在周期性的温度急剧变化下服役的,在模具表产生应力。为防止模具表面产生热疲劳裂纹,要求模具材料具有良好的热疲劳抗力。2、红硬性是指模具材料在一定温度下保持其组织和硬度稳定的能力。对于热作模具材料和部分重载荷冷作模具材料，是重要的性能指标。
