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1、第六章新型模具材料第六章新型模具材料第1页，共50页，编辑于2022年，星期三 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概述概述第2页，共50页，编辑于2022年，星期三1.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5464HRC1.1概述概述第3页，共50页，编
2、辑于2022年，星期三耐磨性 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概述概述第4页，共50页，编辑于2022年，星期三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概述概述第5页，共50页，编辑于2022年，星期三模具钢的牌号简介 冷作模具用高速工具钢冷作模具用高速工具钢W6Mo5Cr4V2：外国
3、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；W6Mo5Cr4V2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概述概述第6页，共50页，编辑于2022年，星期三无磁模具用钢无磁模具用钢 1Cr18Ni9Ti：外国近似钢号：X6CrNiTi1810(ISO)、SUS321(日本JIS)、321(美国ASTM)、S32100(美国UNS)、X12CrNiTi189(德国DI
4、N)、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概述概述第7页，共50页，编辑于2022年，星期三国产冷作模具钢国产冷作模具钢 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：6CrNi
5、SiMnMoV；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概述概述第8页，共50页，编辑于2022年，星期三 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。
6、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。1.1概述概述第9页，共50页，编辑于2022年，星期三2.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%0.8
7、5%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概述概述第10页，共50页，编辑于2022年，星期三高速钢基体钢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。1.1概述概述第11页，共50页，编辑于2022年，星期三高碳中铬耐磨钢120(Cr4W2MoV)、301(x10CrNi18
8、-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概述概述第12页，共50页，编辑于2022年，星期三改良型高速钢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概述概述第13页，共50页，编辑于2022年，星期三二、热
9、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概述概述第14页，共50页，编辑于2022年，星期三1.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概述概述第15页，共50页，编辑于2022年，星期三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
10、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概述概述第16页，共50页，编辑于2022年，星期三热磨损性热作模具钢在工作条件下，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概述概述第17页，共50页，编辑于2022年，星期三2.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
11、性能，常用语锤锻模及压力机用大截面模具。1.1概述概述第18页，共50页，编辑于2022年，星期三高强韧性热作模具钢HM3(2Cr3Mo3VNb)、H10、HD(4Cr3Mo2NiVNb)、TM、Y4、H13、H11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概述概述第19页，共50页，编辑于2022年，星期三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
12、锻模、精密锻造模和热挤压模具。1.1概述概述第20页，共50页，编辑于2022年，星期三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概述概述第21页，共50页，编辑于2022年，星期三三、塑料模具钢*1.1概述概述第22页，共50页，编辑于2022年，星期三四、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概述概述第23页，共50页，编辑
13、于2022年，星期三第二节 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概述概述第24页，共50页，编辑于2022年，星期三2.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6-51.1概述概述第25页
14、，共50页，编辑于2022年，星期三（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6-81.1概述概述第26页，共50页，编辑于2022年，星期三二、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概述概述第27页，共50页，编辑于2022年，星期三2.65Nb钢的锻造工艺 65Nb
15、钢属于高合金钢，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 6-131.1概述概述第28页，共50页，编辑于2022年，星期三（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概述概述第29页，共50页，编辑于2022年，星期三（三）高碳中铬耐磨钢（GM、LD）（一）GM钢GM
16、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6-91.1概述概述第30页，共50页，编辑于2022年，星期三（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6-121.1概述概述第31页，共50页，编辑于2022年，星期三四
17、、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6-193.6W6的热处理工艺 图6-13图6-181.1概述概述第32页，共50页，编辑于2022年，星期三第三节 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9001.1概述概述第33页，共50页，编辑于2022年，星期三3.热处理工艺（1）退火工
18、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概述概述第34页，共50页，编辑于2022年，星期三二、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概述概述第35页，共50页，编辑于2022年，星期三2.锻造工艺加热温度1150，
19、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概述概述第36页，共50页，编辑于2022年，星期三淬火实验 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）1.1概述概述第37页，共50页，编辑于2022年，星期三（二）H13钢（美）4Cr5MoSiV11.应用范围中温下具有高的耐磨性和韧性，具有较好的耐冷热疲劳性能。可广泛应用于制造锤锻模的锻模，热挤压模具与芯棒
20、，锻造压力机模具，精锻机用模具镶块以及铝、铜、锌及合金的压铸模。1.1概述概述第38页，共50页，编辑于2022年，星期三2.热处理工艺退火工艺（图6-31）淬火、回火工艺（表6-28 表6-29 图6-32图6-39）1.1概述概述第39页，共50页，编辑于2022年，星期三（二）012Al钢 5Cr4Mo3SiMnVAl1.性能特点及应用范围碳化物数量很少且较细小，均匀，具有较好的韧性及较高的抗热疲劳性能。不仅适用于高耐热性热作模具，而且由于有较好的综合性能，也可用于冷作模具。2.热处理工艺退火工艺 加热温度860880淬火、回火工艺 淬火加热温度10901120 回火加热温度580620
21、1.1概述概述第40页，共50页，编辑于2022年，星期三四、析出硬化型热作模具钢（PH）PH钢 2Cr3Mo2NiVSi1.特点及应用范围预硬化状态（淬火+低温回火）表层受热产生析出硬化（48HRC），心部主要为奥氏体，保证了较高的塑、韧性，达到2.热处理工艺退火工艺（图6-40 图6-41）淬火、回火工艺（表6-30表6-35 图6-42图6-45）1.1概述概述第41页，共50页，编辑于2022年，星期三第五节 粉末烧结模具材料一、钴结硬质合金以难溶金属的碳化物为硬质相，以金属钴为粘结相，用粉末冶金的方法制造的合金材料。性能特点：高硬度、高耐磨性、耐腐蚀、耐高温、线膨胀系数小，韧性和可加
22、工性差。广泛应用于制造拉丝模、冲压模等。1.1概述概述第42页，共50页，编辑于2022年，星期三牌号说明：uY-表示硬质合金：Y“硬”的汉语拼音第一个字母u硬质合金成份特性：uYG6钨钴合金及钴含量uYT14钨钴钛合金及钛含量uYW1钨钴钛钽合金uYN10钨钴镍钼合金u附加字母分别表示：uX细颗粒 C粗颗粒 N加铌元素 A加钽元素uW-通用合金u如：Y G6 X1.1概述概述第43页，共50页，编辑于2022年，星期三v钨钴类：钨钴类：YG8YG8表示表示CoCo的质量分数为的质量分数为8%8%的钨的钨钴类硬质合金钴类硬质合金v钨钴钛类：钨钴钛类：YT15YT15表示表示TiCTiC的质量分
23、数为的质量分数为15%15%的的钨钴钛类硬质合金钨钴钛类硬质合金v通用（万能）硬质合金：通用（万能）硬质合金：YW1YW1、YW2YW2第44页，共50页，编辑于2022年，星期三性能特点v高硬度（高硬度（70-75HRC70-75HRC）,高于任何一种钢，可高于任何一种钢，可加工加工50HRC50HRC左右的材料。左右的材料。v红硬性高，可达红硬性高，可达10001000。v不需热处理，也不能热处理。不需热处理，也不能热处理。v脆性大。脆性大。成型方法：成型方法：压制压制烧结烧结第45页，共50页，编辑于2022年，星期三二、钢结硬质合金用钢做粘结相性能特点：具有钢的可加工、可热处理、可焊接
24、、可锻造等性能，又具有比钢高的类似于硬质合金的硬度、耐磨性等。1.1概述概述第46页，共50页，编辑于2022年，星期三三、金属陶瓷以Ni为粘结相的碳化钛（TiC）或碳氮化钛Ti（C,N）基合金，为替代Co结硬质合金而研制的。性能特点：相对密度小、耐磨性好、耐蚀与抛光性好以及成本低。1.1概述概述第47页，共50页，编辑于2022年，星期三1.高Ni冷镦、冷冲、耐高温模具2.低Ni刀具、拉丝模1.1概述概述第48页，共50页，编辑于2022年，星期三四、粉末（烧结）高速钢用粉末冶金方法生产的高速钢。雾化高速钢冷等静压热等静压烧结性能特点：结构微细，碳化物细而均匀分布具有良好的工艺性能和力学性能，用做工、模具时有较高的耐磨性及良好的韧性配合。，磨削性好，易于加工。1.1概述概述第49页，共50页，编辑于2022年，星期三作业：1.简述GD钢的应用范围，锻造工艺和热处理工艺2.简述GM钢的应用范围，锻造工艺和热处理工艺第50页，共50页，编辑于2022年，星期三