【正文】 第八章 模具材料及熱處理 第一節(jié) 模具材料概述 一、 模具的分類(lèi) 根據(jù)模具的工作條件，可將模具分為以下三大類(lèi)： 1. 冷作模具：包括冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模、拉 深模、拉絲模、滾絲模、剪切模等。 2. 熱作模具：包括熱鍛壓模（熱鍛模、高速錘鍛模、 精密鍛造模）、熱擠壓模、熱沖裁模、壓鑄模等。 3. 成形模具：包括塑料模、橡膠模、陶瓷模、玻璃 模、粉末冶金模具等。 汽車(chē)模具系列 保險(xiǎn)杠注射模 輪轂壓鑄模 輪胎橡膠模 密封圈擠出模 大型覆蓋件模 反光鏡玻璃模 絕緣陶瓷模 舉例 : 二、 模具失效的概念 1. 模具的服役：模具經(jīng)安裝、調(diào)試后，正常生產(chǎn)合格產(chǎn)品的過(guò)程稱(chēng)為模具的服役。 2. 模具的損傷：模具在使用過(guò)程中，雖然出現(xiàn)尺寸變化（變形、磨損等）、微裂紋等缺陷，但沒(méi)有喪失服役能力的狀態(tài)。 — 稱(chēng)為有病狀態(tài)，要及時(shí)維修。 3. 模具的失效：模具損壞到不可修復(fù)，且不能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的狀態(tài) ； 模具的失效 按照發(fā)生時(shí)間的早晚可分為正常失效和早期失效。 三、 常見(jiàn)的失效形式 塑性斷裂 脆性斷裂 疲勞斷裂 過(guò)量彈性變形 過(guò)量塑性變形（局部塌陷、局部鐓粗、型腔脹大） 蠕變 (金屬在高溫環(huán)境下，即使所受的力小于屈服點(diǎn)，也 會(huì)隨時(shí)間的增長(zhǎng)發(fā)生緩慢的永久變形的現(xiàn)象）超限 表面磨損（粘著、磨粒、氧化、疲勞磨損等） 3. 表面損傷 表面腐蝕（沖蝕、浸蝕、熔蝕等） 4. 疲勞及熱疲勞失效 — 疲勞裂紋 四、模具材料 五、 模具材料的性能要求 模具的工作條件復(fù)雜，工作溫度高低不一，失效形式多樣，對(duì)各類(lèi)模具性能要求不同。模具的服役條件比較惡劣，一般承受高壓、沖擊、振動(dòng)、摩擦、彎扭、拉伸等載荷；工作溫度有的很高；精度要求很高；磨損、變形、疲勞、斷裂時(shí)有發(fā)生。模具材料的性能相對(duì)一般零件為高，一般從使用性能和工藝性能二大方面考慮。 （一）使用性能要求 1. 硬度和熱硬性 ☆ 成形模具應(yīng)具有足夠高的硬度，才能確保使用壽命。 冷作模具一般要求硬度在 60HRC以上；熱作模具一般在 40～ 52HRC范圍內(nèi)，塑料模具通常在 45～ 60HRC內(nèi)考慮。 ☆ 硬度是衡量材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，是指材料抵 抗局部變形，特別是塑形變形、壓痕或劃痕的能力。它是強(qiáng)度、 塑性、韌性、耐磨性等指標(biāo)的綜合反映，因此在零件圖上常常 標(biāo)注硬度值，作為技術(shù)要求。 ☆ 熱硬性是指模具在受熱或高溫條件下保持高硬度的能 力；如熱作模具和部分冷作模具要求具有一定的熱硬性。 ☆ 材料的硬度和熱硬性主要取決于材料的成分、熱處理工 藝及表面處理工藝。 (1)布氏硬度 HB 適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。 布氏硬度計(jì) 適用范圍 : ＜ 450HBS。 ＜ 650HBW。 (2)洛氏硬度 定義：每 于洛氏 1度。 洛氏硬度常用標(biāo)尺有：B、 C、 A三種 ① HRB 輕金屬，未淬火鋼 ② HRC 較硬，淬硬鋼制品 ③ HRA 硬、薄試件 h1h0 洛氏硬度測(cè)試示意圖 洛氏硬度計(jì) 10HRC≈HBS (3)維氏硬度 維氏硬度的壓力一般可選5， 10， 20， 30， 50， 100，120kg等 ， 小于 10kg的壓力可以測(cè)定顯微組織硬度 。 適用范圍 : ? 測(cè)量薄板類(lèi) 。 ? HV≈HBS 。 圖 81 硬度對(duì)三種冷作模具鋼抗壓屈服強(qiáng)度的影響 1W6Mo5Cr4V2鋼 。 2Cr12MoV鋼 。 3Cr5Mo1V鋼 2. 耐磨性 — 材料抵抗磨損的能力，它是衡量模具使用壽命的重要指標(biāo)。 ☆ 磨損形式不同，影響耐磨性的因素也不同，主要因素是硬度和組織。 如：沖擊載荷較小時(shí)，耐磨性和硬度成正比關(guān)系； 鋼的組織中，馬氏體和下貝氏體耐磨性較好； 鋼中碳化物的性質(zhì)、數(shù)量、形態(tài)、分布對(duì)鋼的耐磨性有顯著的影響。 圖 82所示為用不同鋼種制作的標(biāo)準(zhǔn)沖孔模對(duì)冷軋硅鋼片進(jìn)行 沖孔的試驗(yàn)結(jié)果，可反映各鋼種的耐磨水平 ； 試驗(yàn)以 Cr12MoV 鋼為基準(zhǔn)（ ε =）。圖 83所示是標(biāo)準(zhǔn)模具進(jìn)行耐磨性試驗(yàn) 的結(jié)果，較好地反映了工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性。 圖 82 五種模具鋼模擬沖裁試驗(yàn)其耐磨性 圖 83 工模具鋼的磨粒磨損抗力 1高碳高釩高速鋼 。2高碳高釩鋼 。 3低合金模具鋼及碳素工具鋼 3. 強(qiáng)度和韌性 ☆ 強(qiáng)度 — 材料在靜載荷作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，是衡量材料變形抗力和斷裂抗力的性能指標(biāo)； 如：冷作模具 :變形抗力 — 屈服強(qiáng)度，斷裂抗力 — 抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度等； 熱作模具 :變形抗力 — 高溫屈服強(qiáng)度，斷裂抗力 — 抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性等； ☆ 韌性 — 在沖擊載荷下抵抗產(chǎn)生裂紋的特性，反映了材料的脆斷抗力，常用沖擊韌性（ α K）表示。 ☆ 材料的強(qiáng)度和韌性主要取決于材料的成分、冶金質(zhì)量、熱處理工藝，碳化物的性質(zhì)、數(shù)量、形態(tài)、分布對(duì)其也有顯著的影響。 圓形截面的拉伸試樣 4. 疲勞抗力 反映材料在交變載荷作用下，抵抗疲勞破 壞的性能指標(biāo)。 熱作模具常常是在急冷急熱的條件下工作，必定發(fā)生不同 程度的冷熱疲勞現(xiàn)象，出現(xiàn)龜裂，因此希望有高的冷熱疲勞抗 力，以免早期失效。 Titanic沉沒(méi)原因 ?Titanic —— 含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當(dāng)好的韌性。 Titanic 號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果 （二）工藝性能要求 1. 熱加工工藝性能 包括鍛軋、鑄造、焊接等性能。根據(jù)模具的不同制造工 藝，可提出不同的加工性能要求，這些性能要求受到模具材料 的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)等因素的影響。 2. 冷加工工藝性能 包括切削、拋光、研磨、冷擠壓和冷拉等性能。模具制品 有時(shí)要求很高的表面質(zhì)量、低的表面粗糙度及高的精度，所以 對(duì)切削性能和拋光性能均有較高要求。 3. 熱處理工藝性能 實(shí)際上它是一種熱加工工藝性能，在模具失效事故中，熱 處理所造成的因素占總失效的 52%左右，熱處理工藝性能的好 壞對(duì)模具質(zhì)量有較大影響。它要求熱處理變形小、淬火溫度范 圍寬、過(guò)熱敏感性小，脫碳敏感性低、淬火開(kāi)裂傾向低等，特 別要求要有足夠的淬硬性和淬透性。 六、模具選材的一般原則 模具的選材和其他零件選材一樣，都要符合選材的一般原則，它要求所選材料應(yīng)滿(mǎn)足： （一）使用性能足夠 根據(jù)工作條件、失效形式、壽命要求、可靠性的高低等提出材料的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等使用性能要求，提出時(shí)要考慮尺寸效應(yīng)及主要的、關(guān)鍵的性能指標(biāo)，使所選材料足夠滿(mǎn)足性能要求。 (二）工藝性能良好 根據(jù)制造工藝方法不同使所選材料具有良好的工藝性能，首 先是能制造出來(lái)，在批量大時(shí)，對(duì)便于制造顯得更為突出。 （三）供應(yīng)上能保證 所選材料應(yīng)考慮我國(guó)資源和現(xiàn)實(shí)供應(yīng)情況，盡量少用進(jìn)口 材料，并且品種規(guī)格應(yīng)盡量少而集中，以便于采購(gòu)管理。 （四）經(jīng)濟(jì)性合理 要求所選材料生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單、成品率高、成本低，在滿(mǎn)足 性能、壽命等要求下，盡可能選用價(jià)格低的材料，以降低成本。 七、模具選材的具體考慮因素 在模具實(shí)際的設(shè)計(jì)與制造中，具體選材時(shí)，應(yīng)綜合分析， 考慮以下多方面因素。 （一 )模具的工作條件因素 1. 承載受力的大小、速度（沖擊狀況） 受力大，材料要求強(qiáng)度高；沖擊大，則韌性要求好。 2. 工作溫度 冷作、塑料、熱作三類(lèi)模具因?yàn)楣ぷ鳒囟扔泻艽髤^(qū)別，所 以材料的抗熱性能要求有很大不同 。 3. 腐蝕情況 腐蝕嚴(yán)重時(shí)要考慮不銹鋼類(lèi)的材料，例如加工易產(chǎn)生腐蝕 性體氣的塑料件時(shí)，可采用不銹鋼類(lèi)型的模具材料 . （二）模具的失效因素 根據(jù)模具的失效分析，找出失效原因，提出解決問(wèn)題的主 要性能指標(biāo)，有針對(duì)性的進(jìn)行選材。 （三）模具所加工的產(chǎn)品因素 1. 產(chǎn)品批量的大小 批量大時(shí)采用材質(zhì)高、性能好的材料制模具；批量小時(shí)， 可用性能較差、壽命較短、加工簡(jiǎn)便的材料制模具。 2. 產(chǎn)品質(zhì)量的高低 精度要求高、表面粗糙度值要求低、則所選材料要從成分、 材質(zhì)上保證模具制造時(shí)有較好切削、拋光等性能，制成模具后 有好的尺寸形狀的穩(wěn)定性或高的精度與低的表面粗糙度值。 3. 產(chǎn)品的材質(zhì) 所加工產(chǎn)品是金屬材料還是非金屬材料，對(duì)不同原材料進(jìn) 行加工，其變形抗力、工作溫度都有很大的不同，模具的工作 條件差異很大，所選模具材料就很不一樣。 （四）模具的結(jié)構(gòu)因素 1. 模具的大小 大、中、小型的不同模具應(yīng)選用不同的材質(zhì)，一般大、中型模具（＞ 200mm）的材料費(fèi)為模具總費(fèi)用的 50%，小型模具的材料費(fèi)不超過(guò)總成本的 5%～ 10%。 2. 模具的形狀 形狀簡(jiǎn)單、公差要求不嚴(yán)的，可選不易變形的高耐磨性材料；形狀復(fù)雜模具，應(yīng)選淬透性好的，采用緩冷淬火劑以免變形開(kāi)裂，同時(shí)還應(yīng)選易加工材料。 3. 模具的不同組件、不同部位 模具組成主要可分成工作零件和輔助零件。前者直接與加工 材 料接觸，要求材料性能比后者高。如凸、凹模工作部位（型 面或刃部）硬度、耐磨性、抗熱性等要求高；非工作部位可適 當(dāng)降低，但要保證一定強(qiáng)韌性。對(duì)于模具的輔助零件，包括緊 固件、導(dǎo)向零件等，可按其性能要求進(jìn)行選材。 （五）模具的制造工藝因素 應(yīng)考慮制造時(shí)所采用的冷加工（切削、拋光、研磨）、熱 加工（鍛、鑄、焊）的不同加工方法和工藝，選擇適當(dāng)?shù)牟牧? 與其相適應(yīng)。對(duì)手工與機(jī)械不同方法制造模具，選材應(yīng)有所區(qū) 別，手工制模具成本高，應(yīng)盡量選較好的材料。 （六）模具的設(shè)計(jì)因素 根據(jù)具體情況可考慮采用： 1. 不同模具采用不同結(jié)構(gòu)材料 對(duì)大型、復(fù)雜模具可應(yīng)用組合或鑲嵌結(jié)構(gòu)，在刃部、型面部 分或某些經(jīng)受強(qiáng)烈磨損、沖擊或高溫的部位采用貴重的高性能材 料，其他的模體部分，性能要求不高，可采用普通材料。 2. 普通材料強(qiáng)化處理 選用普通低價(jià)材料，用表面強(qiáng)化方法在型面或局部進(jìn)行離子 滲入、堆焊、氣相沉積及其他涂覆處理以獲得高性能的表層。 第二節(jié) 冷作模具材料及其熱處理 冷作模具是在常溫下對(duì)材料進(jìn)行壓力加工或其他加工所使用 的模具，它主要分為沖裁模、拉拔及成形模、冷鐓模和冷擠模。 一、 各類(lèi)冷作模具的特點(diǎn) （一）沖裁模 它是帶有刃口、工作時(shí)沖切、分離材料（主要是板材）而獲 得一定形狀、尺寸工件的模具。包括落料模、沖孔模、切邊模等。 它的硬度要求見(jiàn)表 81。 1. 工作條件 主要承受沖擊力、剪切力。而模具的刃部（工作部位 )可 看成特殊的剪刀，承受沖擊、剪切、彎曲和擠壓（沖頭），同 時(shí)，板料與刃口部位產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦。 2. 失效形式 主要為磨損、崩刃失效。 3. 性能要求 要求高的硬度、高的耐磨性，一定的韌性，較高的抗彎強(qiáng) 度和高的斷裂抗力。 ▲ 沖壓常用設(shè)備：剪床和沖床等。 剪床為沖床備料，將板料切成條料；而沖壓加工主要在各類(lèi)沖床上進(jìn)行。 對(duì)于薄板 (板厚 ≤ mm)，沖裁模以高耐磨性、高精度要求為主； 對(duì)于厚板 (板厚 )，除要求高耐磨性外，還應(yīng)具有良好的強(qiáng)韌性； 另外，模具的功能不同，對(duì)性能要求也不同。 表 81 沖裁模的硬度要求 （ HRC） 名稱(chēng) 單式、復(fù)式硅鋼片沖模 級(jí)進(jìn)式硅鋼片沖模 薄鋼板沖模 厚鋼板 沖模 切邊模 剪刀 沖頭 ￠ 5mm以下的小沖頭 凸模 5862 5660 5660 5658 50