模具材料及表面強化處理1

項目(xiàngmù)一模具鋼基礎理論任務一概述(ɡàishù)任務二模具鋼的分類、性能及主要用途任務三模具鋼的主要用途第一頁，共96頁。任務(rènwu)一概述一、模具鋼的重要性隨著工業技術的迅速發展，國內外的制造工業廣泛地采用無切削、少切削加工工藝，如用精密沖壓、精密鍛造、壓力鑄造、冷擠壓、熱擠壓及等溫超塑成形等新工藝，代替傳統的切削加工工藝。模具已成為其主要的成形工具，家用電器行業(hángyè)約80%的零部件、機電行業(hángyè)約70%的零部件均采用模具成形，塑料、橡膠、陶瓷、建材、耐火材料制品大部分也依靠模具成形。例如，一種中型載重汽車的改型，需要模具4000多套，重達2000多噸;生產一種型號的照相機，需要模具500多套。在不少行業(hángyè)中，模具費用已經占產品成本的15%~30%。因此，工業產品質量的改善、生產率的提高、成本的降低、產品更新換代的下一頁返回(fǎnhuí)第二頁，共96頁。任務(rènwu)一概述速度，在很大程度上取決于模具的制造精度和質量、制造周期、生產成本、使用壽命等因素。所以國外有人宣稱“模具是工業發展的基石”“模具是促進社會繁榮的動力”，這充分說明工業發達國家對模具生產的重視，因此其模具工業發展迅速，并成為一種新興的行業。20世紀80年代以來(yǐlái)，日本、美國、德國等工業發達國家，模具工業的產值都超過了機床工業的產值。1976-1985年的10年內，日本機械制造工業的產值增加2倍，而模具工業的產值增加3倍，到1991年，其模具工業的產值達到18330億口元。模具鋼是模具工業最重要的技術和物質基礎，近年來，隨著模具工業的迅速發展，模具鋼發展也極為迅速。世界各國都把模具鋼產量統計到合金工具鋼中，其產量約占合金上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三頁，共96頁。任務(rènwu)一概述工具鋼產量的70%~80%。目前，工業發達國家的合金工具鋼產量約占該國鋼總產量的0.1%，而口本，在1978-1990年，鋼的年產量一直在1億噸左右，而合金工具鋼熱軋鋼材的年產量卻從6.79萬噸上升到13.22萬噸，增長了將近1倍。我國主要特殊鋼廠在1986-1997年的11年間，合金模具鋼的產量每年的平均增長速率為12%，由4.88萬噸上升到11.3萬噸，其發展速度與國外一致。二、發展簡史模具是從錘、斧、鑿等手工工具逐步發展而來的。人類從鐵器時代開始，就采用鋼鐵材料制造手工工具。人們在埃及大金字塔中發現(fāxiàn)了約5000年前可能是由隕鐵制成的鐵制工具殘片。早在公元前900年，希上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四頁，共96頁。任務(rènwu)一概述臘詩人荷馬(Homer)寫的長詩《奧德賽(Odyssey)》中，就有關于鋼鐵工具淬火的記載。公元前350年，印度人制成了烏茲鋼(WootzSteel),它是先將鐵礦固態還原制成海綿鐵，然后與木炭混合、密封、加熱，通過滲碳而制成的。但是，早期的工具鋼屬于簡單普通碳素鋼。自從(zìcóng)蒸汽機問世后，工業產品由手工制造變成機器制造，切削加工的速度提高，成形負荷增大，對手工工具材料的質量、使用性能、工藝性能的要求越來越高，碳素工具鋼已無法滿足要求，為此，1868年穆施特(RobertMushet)提出一種合金工具鋼，其化學成分為20%C，20%Mn,70%W，可以空淬，被稱為穆施特鋼(MushetSteel)。幾年之后，這種鋼在英國舍菲爾德(Sheffield)的工廠投人生產，主要用于上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五頁，共96頁。任務(rènwu)一概述 制造刀具(dāojù)，由于它比當時用的碳素工具鋼耐磨性好，使用壽命長，所以成為當時應用廣泛的合金工具鋼。19世紀90年代，通過研究，將上述錳含量達2%的穆施特鋼中的錳用鉻代替，變成鉻鎢鋼。1893年布魯斯林(H.A.Brustlein)向米德沃(Midvale)公司提出的兩個鉻鎢工具鋼樣品的化學成分，如表1-1所示。1895年泰勒(F.W.Taylor)首先發現上述合金工具鋼提高淬火溫度可以得到紅硬性，使工具能在較高的切削速度下使用，提出了“高速鋼”的概念。1903年泰勒又和懷特(M.White)等推薦一種含0.7%C,14%W的合金工具鋼，1904-1906年在上述鋼中添加0.35Vo。1910年又將提高到0.7%，成為當代W18Cr4V型高速鋼的雛形。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六頁，共96頁。任務(rènwu)一概述在此期間低合金工具鋼也取得了很多成就，1895年卡本特(Carpenter)鋼公司生產成分(chéngfèn)為1.00%C,2.50%Cr的工具鋼。1897-1898年生產了含1.18%C,0.94%Cr,0.78%W的低合金工具鋼。20世紀20年代發展了一系列的合金模具鋼，主要有:(1)高碳高鉻型冷作模具鋼。(2)1%C,5%Cr并加人鑰的中合金空淬冷作模具鋼。(3)適用于制造壓鑄模具的熱作模具鋼。(4)研究了鉻鎢型高耐熱性熱作模具鋼。(5)開始進行易切削模具鋼的研究，到30~40年代發展成石墨化模具鋼和各種易切削模具鋼。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第七頁，共96頁。任務(rènwu)一概述為了進一步改善低合金冷作(lěnɡzuò)模具鋼的淬透性，減少淬火變形，從20世紀40~80年代，各國陸續發展了一批低合金微變形冷作(lěnɡzuò)模具鋼。從70年代以來，為了簡化熱處理工藝、節省能源，發展了一批火焰淬火模具鋼;為了進一步改善冷作(lěnɡzuò)模具鋼的綜合性能，國外發展了一批為8%左右，再加人Mo,V等合金元素的高韌性、高耐磨性冷作(lěnɡzuò)模具鋼。為了適應熱作模具鋼發展需要，在20世紀20~30年代發展的含鎢量高的鉻鎢系熱作模具鋼的基礎上發展了鑰系、鎢鑰系及鉻系熱作模具鋼，低碳高速鋼和基體鋼型的熱作模具鋼。20世紀50年代以后，隨著石化工業的迅速發展，塑料迅速成為一種重要的工業材料，為了滿足塑料制品成形模具的需要，各國迅速發展了上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第八頁，共96頁。任務(rènwu)一概述一批不同類型的專用塑料模具鋼，目前在不少先進工業國家已經形成專用的鋼種系列，如滲碳型、預硬型、整體淬硬型、耐蝕型、時效硬化型等塑料模具用鋼。我國是世界文明古國之一，鋼鐵生產技術始于公元前5世紀的春秋戰國時期，到西漢逐漸興盛起來。至東漢時期，我國已創造了白口鑄鐵柔化處理技術，即高韌性可鍛鑄鐵的生產技術。我國生鐵冶煉技術的發明要比歐洲早1900年，而可鍛鑄鐵生產技術更是比歐洲早2300年。我國在春秋晚期(wǎnqī)已經發明了塊煉滲碳鋼技術，如長沙楊家山出土的春秋晚期(wǎnqī)的鋼劍，就是為0.50%的中碳鋼。其生產工藝是先將鐵礦石固態還原成海綿鐵，然后進行滲碳，再經反復折疊鍛打，最后鍛打成具有多層結構的鋼制工具。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第九頁，共96頁。任務(rènwu)一概述在鋼的熱處理技術上，我國早在戰國后期已廣泛采用淬火工藝，如河北易縣燕下都44號墓出土的鋼劍和鋼戟，都經過淬火處理，呈現針狀馬氏體顯微組織。我國采用鋼鐵制造模具也是很早的。在戰國時期，就率先使用生鐵制造鑄造用的模具(鐵范)，用來澆鑄鑄鐵的斧、鑿、鐮等工具。在河北興隆縣和河南新鄭縣，先后出土了大量戰國時代的鐵范。通過鑄鐵模具的使用，不僅可以改善鑄造鐵器的質量，而且由于模具可以多次使用，能夠顯著地提高生產(shēngchǎn)效率，降低生產(shēngchǎn)成本，對社會生產(shēngchǎn)力的發展起到較大的推動作用。我國冷作模具發展也比較早，明代出版的《天工開物》一書中就記載有將鋼尺錐成線眼，將鋼條抽過線眼冷拔成鋼絲，然后將鋼絲剪斷制上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十頁，共96頁。任務(rènwu)一概述成針的工藝過程。說明當時已經采用鋼制的冷拉模具生產針用鋼絲。17世紀以來，通過產業革命，歐洲的鋼鐵生產技術得到迅速發展。而我國從19世紀以來長期受封建主義、官僚資本主義和帝國主義的統治，淪為半封建半殖民地社會，生產技術停滯不前，到1949年新中國成立前年產鋼僅15.8萬噸。基本上不能生產模具鋼，模具用鋼幾乎全部依靠進口。新中國成立后，我國模具鋼的生產技術取得了迅速發展，在1997年，僅冶金系統幾個主要特殊鋼廠的合金模具鋼產量(chǎnliàng)已達11萬噸，居于世界前列，國產模具鋼基本上能滿足國內模具行業的需要，而且還有部分出口。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十一頁，共96頁。任務(rènwu)一概述自新中國成立60年來，我國通過引進和自己研制開發，逐漸形成了我國的模具鋼鋼種系列。1952年引進蘇聯國家標準，制定了我國重工業部部頒合金工具鋼標準;1959年，根據我國資源情況，制定了冶金工業部部頒合金工具鋼標準YB7-1959。到1977年，在整頓原來的鋼種系列的基礎(jīchǔ)上，吸收我國歷年來科研開發工作的經驗，制定了我國第一個合金工具鋼國家標準GB1299-1977。1985年對該標準進行修訂，頒發了GB/T1299-1985,1999年進行再次修訂，頒發了GB/T1299-2000，從而建立了具有我國特色的、接近世界先進水平的，包括冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼和無磁模具鋼的模具鋼種系列，以適應使用部門和生產部門的需要。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十二頁，共96頁。任務(rènwu)一概述三、國外模具鋼發展概況隨著工業生產技術的發展和新材料的不斷出現，模具的工作(gōngzuò)條件口益苛刻，對模具鋼的性能、質量、品種等方面也不斷地提出更高更新的要求，為此，世界各國近年來都積極地開發了具有各種特性、適應不同要求的新型模具鋼，并在品種、質量、生產工藝和生產裝備上開展了大量的工作(gōngzuò)，取得了迅速的進步，下面分述如下:由于石化工業的發展，各種性能優越的塑料材料不斷涌現，尤其是20世紀70年代以后工程塑料品種的大量開發，塑料已經成為一種重要的工業材料，廣泛用于國民經濟的各部門。從航天器到艦艇，從建筑材上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十三頁，共96頁。任務(rènwu)一概述料到農業生產，從家用電器到兒童玩具都離不開塑料制品，而塑料制品大部分采用模具成形，為此，不少工業發達國家塑料模具的產值已經居模具產值的第一位，塑料模具鋼也迅速發展并成為(chéngwéi)一個專用鋼種系列。美國現行的ASTMA681標準中，塑料模具鋼為P系列，包括7個鋼號;日本大同特殊鋼株式會社有13個塑料模具鋼號。塑料模具鋼根據其性能和使用條件可分為:(1)小尺寸模具用中碳調質鋼。(2)大中型模具用預硬型中碳低合金模具鋼。(3)為改進切削性能的含硫、鉛預硬化易切削模具鋼。(4)時效鋼和馬氏體時效鋼用于制造復雜、精密、高鏡面模具，模具上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十四頁，共96頁。任務(rènwu)一概述在固溶態加工，時效后使用，該鋼具有高強度、高韌性、高硬度、熱處理變形小等特點。(5)高淬透性的冷作或熱作模具鋼用以制造整體淬火的高硬度模具或成形復合強化塑料(sùliào)的模具。(6)滲碳型塑料(sùliào)模具鋼(低碳合金鋼)。(7)耐蝕塑料(sùliào)模具鋼(含不銹鋼)，耐聚氯、聚氟乙烯腐蝕。(8)鏡面拋光模具鋼(超高純度鋼)，制造鏡片、鏡頭等塑料(sùliào)制品。2.研制出先進的冷、熱作模具鋼1)冷作模具鋼目前世界上通用的冷作模具鋼可分三類:低合金冷作模具鋼，以美國上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十五頁，共96頁。任務(rènwu)一概述ASTMA681標準中的O1(9CrWMV)為代表;中合金冷作模具鋼，以A2(Cr5MolV)鋼為代表;高合金冷作模具鋼，以D2(Cr12Mo1V)鋼為代表。除此之外，處于開發(kāifā)研制階段的還包括如下幾種新型冷作模具鋼:(1)高韌性、高耐磨性冷作模具鋼。有些冷作模具如冷墩模具、厚板沖剪模具對模具材料既要求有良好的耐磨性，又要求較高的韌性，通用型冷作模具鋼不能滿足需要。為此，美國、口本等在20世紀70-80年代開發(kāifā)出一批高韌性、高耐磨性冷作模具鋼，如美國的VascoDie(8Cr8Mo2V2Si),VascoWear(8Cr8Mo2VWSi)，日本的QGM-8(8Gr8Mo2SiV),DG53(Cr8Mo2SiV),TCD(Cr8V2MoTi)等。該類鋼上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十六頁，共96頁。任務(rènwu)一概述碳化物細小、彌散，抗彎強度、斷裂韌性、耐磨性、可切削性、可磨削性、抗回火穩定性高，熱處理變形小，將來有可能發展成為一種通用型冷作模具鋼。(2)火焰淬火冷作模具鋼。為簡化工藝、縮短(suōduǎn)模具制造周期，發展了一些適應火焰淬火要求的專用鋼號，如口本的SX105(7CrMnSiMoV)SX35(Cr8MoV)等，其特點是淬火溫度范圍寬，淬透性較高，以適應火焰局部加熱空冷淬火的要求，廣泛用于汽車制造業。(3)粉末冶金冷作模具鋼。用粉末冶金方法生產，在制粉過程中，由于鋼水霧化后迅速凝固，形成非常細小、彌散的碳化物，可顯著改善上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十七頁，共96頁。任務(rènwu)一概述鋼的韌性和可磨削性。粉末冶金方法可生產常規工藝難以生產的超高碳、高合金(尤其是高釩含量)、高耐磨性的模具鋼和鋼基碳化欽，如德國的X320(CrVMo135),碳含量超過(chāoguò)3%，含釩量超過(chāoguò)5%，細小、彌散分布的碳化物面積達50%,制造特種陶瓷模具的壽命高于硬質合金模具。2)熱作模具鋼熱作模具鋼主要用于制造金屬材料熱成形的模具材料，用量最大的為三類通用型熱作模具鋼:低合金熱作模具鋼，代表性鋼號為5CrMnMo和5CrNiMo;中合金熱作模具鋼，代表性鋼號為H13(4Cr5MoSiV1),H11(4Cr5MoSiV),H10(4Cr3Mo3SiV);高合金熱作模具鋼，應用上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十八頁，共96頁。任務(rènwu)一概述最廣的鋼號為H21(相當于3Cr2W8V)。為適應一些熱作模具的特殊要求，研制了一些新型高性能熱作模具鋼，主要有以下幾種:(1)基體鋼。基體鋼的化學成分相當于淬火后的高速鋼基體組織的成分，所以淬火后殘留的共晶碳化物數量很少，回火后碳化物細小、彌散分布，鋼的強韌性和熱疲勞性能好。(2)低碳高速鋼。低碳高速鋼是通過將高速鋼的W。降至0.3%~0.6%得到，這樣可以(kěyǐ)減少其共晶碳化物的數量，既保持較高的紅硬性，又改善鋼的韌性和熱疲勞性能。(3)高溫熱作模具鋼。對于以馬氏體為基體的熱作模具鋼，當工作溫度超過700℃時，其高溫強度急劇下降，使模具磨損、變形而早期失上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第十九頁，共96頁。任務(rènwu)一概述效。為此，近20年來，國內外相繼開發了以奧氏體為基體組織的CrMn系和CrMnNi系熱作模具鋼，加人釩、鎢、鑰等合金元素，通過(tōngguò)時效硬化提高鋼的強度、硬度和耐磨性，以適應工作溫度為700℃~800℃熱作模具的要求。但是這類鋼的導熱性差、線(膨)脹系數大、熱疲勞性差，不宜制作激冷激熱條件下工作的高溫模具，如日本的5Mn15Cr10V2,5Mn15Ni5Cr8Mo2V2等。(4)高溫耐蝕模具鋼。為了改善模具在高溫下抗液態金屬及其他介質的沖蝕和抗高溫氧化能力，針對壓鑄模具和壓制玻璃制品的模具，發展了高溫耐蝕模具鋼，如日本三菱制鋼公司開發的用于制造玻璃成形模具的3Cr13MoV鋼。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十頁，共96頁。任務(rènwu)一概述(5)高淬透性熱作模具鋼。為適應特大型鍛模模塊用鋼的需要，在5CrNiMo鋼的基礎上增加Ni,Cr,Mo等合金元素的含量，改善鋼的淬透性、熱強性和韌性，如ISO4975-1980E標準(biāozhǔn)中的40NiCrMoV4，法國NF-35-590標準(biāozhǔn)中的40NCDA16(40Ni4Cr2Mo)等。(6)中合金高強韌性熱作模具鋼。這類鋼能夠比較合理地使用合金元素，降低了產品的生產成木，因此近幾年發展較快，如在H13鋼的基礎上降低鉻含量，提高釩含量，發展以MC型碳化物為主要強化相的鋼種，代表性的鋼A如瑞典的QRO80,QRO90M。3.模具鋼品種規格多樣化，產品精料化、制品化為了提高模具制造業的生產效率和材料利用率，縮短模具制造周期，上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十一頁，共96頁。任務(rènwu)一概述配合模具工業的標準化、系列化、設計和制造過程中CAD/CAM技術的應用，模具鋼的品種規格迅速向多樣化、精料化、制品化發展。(1)品種規格多樣化。相當部分的模具，如塑料模具、冷沖模、下料模、剪切模、壓鑄模等大部分是由幾塊扁平形部件組裝而成的，所以國外合金工具鋼鋼材產量中扁鋼和厚板占較大的份額。如口本，1990年以來，合金工具鋼熱軋鋼的扁鋼和板帶產量占總產量的40%以上。美國ASTMA681-1984合金工具鋼標準中對鍛造扁鋼、熱軋扁鋼、熱軋板材、冷拉扁鋼的技術條件都分別做了詳細的規定(guīdìng)。(2)精料化。國外模具鋼已口趨精料化，由鋼廠直接提供不同要求的、經過機械加工的、高尺寸精度、無脫碳層的精料。國外有些主要的模上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十二頁，共96頁。任務(rènwu)一概述 具鋼生產廠的模具鋼精料的比例已占60%左右，如美國，ASTMA681-1984合金工具鋼標準中對合金工具鋼精料分別就粗車棒材，冷拉棒材，無心磨削棒材，冷拉方鋼、扁鋼，精密磨削的方鋼、扁鋼等品種的技術條件做了詳細的規定。1984年已專門頒布經過機械加工的合金工具鋼扁鋼及方鋼的專用標準ASTMA685-1984。(3)制品化。由冶金廠供應經過淬回火(huíhuǒ)和精加工的模板、模塊等制品，模具廠可以直接采購標準模塊，只對模具的型腔或刃部進行精加工后即可與標準模架配套組裝后交貨。由于模具成形后不需要再進行最終熱處理就可以直接使用，所以既保證模具的使用性能，又可以避免由于熱處理而引起的模具變形、氧化、脫碳、開裂等質量問題。該上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十三頁，共96頁。任務(rènwu)一概述 類制品適宜制造形狀復雜、大型、精密、長壽命的塑料模具，深受模具制造行業的歡迎。近20年，為提高模具的質量，延長使用壽命，工業發達國家把提高模具材料的質量和性能放在重要的位置。在此，重點介紹以下三方面:(1)高純凈度模具鋼。鋼的純凈度提高到一定水平，不但可以改進鋼的原有性能，而且可以賦予鋼新的性能，日本大同特殊鋼公司(ɡōnɡsī)把SKD61鋼中,從0.03%降到0.01%以下，沖擊韌性提高一倍以上。日立金屬公司(ɡōnɡsī)把SKD61鋼中從0.03%降低到0.001%，鋼的沖擊韌性從40提高到130。德國蒂森把2344EFS鋼中上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十四頁，共96頁。任務(rènwu)一概述降低到0.003%以下，且細化晶粒，鋼的抗疲勞性能明顯提高。提高模具鋼的純凈度，將降低鋼中夾雜物的含量，從而有效地提高鋼的拋光性能和表面粗糙度，這對塑料模具鋼尤為重要。因此，日本山陽特殊鋼公司規定高純度模具鋼中的(2)等向性模具鋼。模具大部分是多向受力，因此提高模具鋼的等向性，改善鋼的橫向韌性(rènxìnɡ)和塑性，使其與縱向性能接近，就可以大幅度提高模具的使用壽命。近20年來，國外不少特殊鋼廠都采用不同的工藝措施致力于開發高等向性模具鋼，并且各自命名了一些商業品牌，如奧地利百樂鋼廠首先命名的ISODISC;口本口立金屬公司安來工廠命名的ISOTROPY;日本高周波鋼業公司命名的Microfined等。這種上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十五頁，共96頁。任務(rènwu)一概述高等向性模具鋼橫向的韌性和塑性值，可以相當于縱向性能的80%~95%。(3)生產高性能模具鋼必須采用新工藝、新技術和新裝備。生產低合金模具鋼時采用精煉、大斷面(duànmiàn)無缺陷連鑄、高剛度連軋機及高精度軋制、可控氣氛熱處理爐，不同類型的精整和精加工以及無損探傷技術。生產高合金模具鋼或性能要求很高的模具鋼還需要采用精料、雙真空冶煉、電渣重熔、鋼錠高溫均勻化處理、大壓下量多向鍛造、多向軋制、大型水壓機開坯、精鍛機組合鍛造以及真空退火等來進一步提高鋼的純度、細化組織和提高鋼的等向性能。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十六頁，共96頁。任務(rènwu)一概述新中國成立以來，我國模具鋼生產發展較快，從無到有，從仿制到自行開發，在短短的60年內，我國模具鋼產量已躍居世界前列。絕大部分國外的標準鋼號和在科研試制中的模具鋼號，我國基本上均開展生產和研制工作。通過幾次鋼種的整頓和標準修訂，已經初步形成比較完整的具有中國特色的模具鋼系列，在模具鋼的生產技術、品種質量、科技開發以及應用工作等方面都取得了較多的新成就。當然，由于發展時間較晚，我國與工業發達國家相比，在某些方面還存在一些問題(wèntí)和差距。1)鋼種系列與產品結構從我國1999年制定的國家標準GB/T1299-2000來看，鋼種系列比較上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十七頁，共96頁。任務(rènwu)一概述 完整，既包括了國內外通用的性能較好的模具鋼，也納人了一些國內研制的、在生產(shēngchǎn)應用中取得良好使用效果的新鋼種，基本上可以滿足模具制造業的需要。但是在鋼種系列，產品的結構和應用方面還存在著一些問題，主要有:(1)鋼種系列有待進一步完善，如用量很大的塑料模具鋼，在GB/T12992000中只納人了3Gr2Mo(相當于美國鋼號P20)和3Gr2NiMnMo(相當于瑞典ASSAB718)兩個鋼號，顯然不能滿足各種不同類型的塑料模具的要求。此外，陶瓷、玻璃、耐火磚等非金屬制品成形模具也有待于發展先進的模具鋼。(2)鋼種產品結構的選擇不合理，如塑料模具產量很大，但目前90%上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十八頁，共96頁。任務(rènwu)一概述 左右的塑料模具均采用碳素結構鋼制造，模具的使用壽命短、質量差，因此壓制的塑料制品質量不高。冷作模具鋼的鋼號系列比較完整，但目前占產量70%左右的是Cr12,Cr12MoV,CrWMn三個鋼號。世界上用量較大、綜合性能較好的A2(Cr5Mo1V)鋼，雖然已納人國家標準，但產量很少，高耐磨的D2(Cr12Mo1V1)鋼，用量也不高。熱作模具鋼的產品結構要好一些，通過10余年(yúnián)的大力推廣，世界上應用最廣、綜合性能較好的中合金鉻鑰系熱作模具鋼4Cr5MoSiV1(H13)的產量已居國產模具鋼的首位。2)鋼材品種在我國模具鋼生產中，有相當一部分中大型鍛造模塊已經采用快鍛水上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第二十九頁，共96頁。任務(rènwu)一概述 壓機多向鍛造，用大型帶鋸鋸切成形，冶煉采用爐外精煉和真空脫氣工藝，產品質量可以與國外進口模塊相媲美。大型棒材也已部分采用精鍛機或大型軋機生產，尺寸精度較好。但是鋼材的品種單一，90%左右是黑皮圓棒材，精料和制品的比例很低。國內中小型模塊，都是由模具制造廠將圓鋼鋸切改鍛成扁鋼或模塊，由于采用自由鍛錘改鍛，加工余量大，材料利用率低，嚴重地影響了模具的制造周期(zhōuqī)。3)生產工藝和裝備為了提高模具鋼的質量，從20世紀70年代以來，國內陸續推廣了爐外精煉、電渣重熔、快鍛、精鍛、可控氣氛熱處理等新工藝技術，采用新技術生產的模具鋼產品質量與國外實物質量水平相當。在一些鋼上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十頁，共96頁。任務(rènwu)一概述 廠相應地建成了一批先進的工藝裝備，特別是“八五”期間建成和在建的模具鋼扁鋼和厚板生產線，投產以后(yǐhòu)對改善我國模具鋼的品種、規格起到了比較大的作用。但由于發展歷史短，很多方面處于初創階段，還需要一定的時間進行配套、掌握、適應和完善。特別是后步工序和質量檢驗手段落后，缺乏深度加工設備和在線質量檢測設備，在不少工廠中仍然采用20世紀勸年代水平的工藝裝備進行生產。所以總體而言，我國模具鋼在生產效率，產品的內在質量，特別是尺寸精度和表面質量方面，與國外產品比較尚存在一定的差距。4)專業化生產我國模具鋼分散在10多個特殊鋼廠生產，生產分散，先進的生產設備上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十一頁，共96頁。任務(rènwu)一概述不配套，影響國產模具鋼質量的提高和產品的開發。為此，應建設幾個具有世界先進水平的模具鋼專業生產廠。完善模具鋼精料產品生產線，提供冷拉材、剝皮材、磨削和拋光鋼材以及經機加工并淬火、回火的模塊和模板等制品。通過技術改革，提高普通鋼廠模具鋼特厚板產品質量;采用(cǎiyòng)精料，真空冶金、電渣重熔、多向鍛造、多向軋制、真空熱處理等生產工藝生產高級模具鋼，從而增加品種、提高質量、降低成本，使我國模具鋼產品迅速達到世界先進水平。上一頁返回(fǎnhuí)第三十二頁，共96頁。任務(rènwu)二模具鋼的分類、性能及主要用途一、分類由于各種模具的工作條件(tiáojiàn)差別很大，所以從化學成分來看，模具鋼的范圍很廣，有從一般的碳素結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、合金結構鋼、高速工具鋼，到滿足特殊模具要求的奧氏體無磁模具鋼、耐蝕模具鋼、馬氏體時效鋼、高溫合金、難熔合金、硬質合金及一些采用粉末冶金工藝生產的專用高合金模具材料等。冷作模具鋼主要用于制造在室溫條件(tiáojiàn)下進行壓制成形的模具，如冷沖壓模具、冷拉仲模具、冷墩模具、冷擠壓模具、壓印模具、輥壓模具等。冷作模具品種多、應用范圍廣，其產值占模具總產值的下一頁返回(fǎnhuí)第三十三頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途 30%~40%。可采用的鋼號很多，一般采用高碳過共析鋼和萊氏體鋼，如碳素工具鋼、低合金油淬冷作模具鋼、空淬冷作模具鋼、高碳高鉻型冷作模具鋼、高速鋼、低碳高速鋼和基體鋼，及用粉末冶金工藝生產的高合金模具材料等。常用鋼號及化學成分見表1-2所列。熱作模具鋼主要用于制造對高溫狀態的金屬進行熱成形的模具。如熱鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱剪切模具等。這類鋼W。一般為0.3%~0.5%，添加提高高溫性能的W,Mo,Cr,V等合金元素，又可以分為鍛造模塊(mókuài)用鋼、鉻鑰系熱作模具鋼、鉻鎢系熱作模具鋼、奧氏體高溫熱作模具鋼等。特殊要求的熱作模具有時采用高溫合金和難熔合金制造，常用熱作模具鋼化學成分見表1-3所列。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十四頁，共96頁。任務(rènwu)二模具鋼的分類、性能及主要用途近40年來，隨著石油化工工業的迅速發展，塑料已成為重要的工業原材料。因此，塑料制品成形用的模具需要量迅速增長，不少工業發達國家塑料模具的產值已經超過冷作模具的產值，在模具制造業中居首位。由于不同類型(lèixíng)的塑料制品對模具鋼的性能要求有差異，因此在不少國家已經形成范圍很廣的專用塑料模具用鋼系列，包括碳素結構鋼，滲碳型塑料模具鋼，預硬型塑料模具鋼，時效硬化型、耐蝕型、易切削型、馬氏體時效型塑料模具鋼以及適應低表面粗糙度塑料制品模具用的鏡面拋光型塑料模具用鋼。常用塑料模具鋼的化學成分見表1-4所列。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十五頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途二、性能要求在選擇模具鋼時，首先必須考慮材料的使用性能和工藝性能，具體如下。(1)硬度。硬度是模具鋼的主要技術指標，模具在高應力作用下欲保持其形狀尺寸不變，必須具有足夠高的硬度。冷作模具鋼在室溫條件下一般硬度保持在60HRC左右，熱作模具鋼根據其工作條件一般要求保持在40~55HRC范圍內。對于同一鋼種而言，在一定的硬度范圍內，硬度與變形抗力成正比;但具有同一硬度值而成分(chéngfèn)及組織不同的鋼種之間，其塑性變形抗力可能有明顯差別，如圖1-1所示。因此，單純用硬度指標不能充分反應模具鋼的變形抗力。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十六頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途(2)紅硬性。在高溫狀態下工作的熱作模具，要求保持其組織和性能的穩定，從而保持足夠高的硬度，這種性能稱為紅硬性。碳素工具鋼、低合金工具鋼通常只能在180℃~250℃的溫度范圍內保持這種性能，而鉻鑰熱作模具鋼一般能在550℃~600℃的溫度范圍內保持這種性能。鋼的紅硬性主要取決于鋼的化學成分和熱處理工藝。(3)抗壓屈服強度和抗壓彎曲強度。模具在使用過程中經常受到強度較高的壓力和彎曲的作用，因此要求模具材料(cáiliào)應具有一定的抗壓強度和抗彎強度。在很多情況下，進行抗壓試驗和抗彎試驗的條件接近于模具的實際工作條件(例如，所測得的模具鋼的抗壓屈服強度與沖頭工作時所表現出來的變形抗力較為吻合)。抗彎試驗的另一個優點是上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十七頁，共96頁。任務(rènwu)二模具鋼的分類、性能及主要用途 應變量的絕對值大，能較靈敏地反映出不同鋼種之間以及在不同熱處理和組織狀態下材料變形抗力的差別。(4)韌性。在工作過程中，模具承受著沖擊載荷，為了減少在使用過程中的折斷、崩刃等形式的損壞，要求模具鋼具有一定的韌性。模具鋼的化學成分、晶粒度、純凈度、碳化物和夾雜物等的數量、形貌、尺寸大小和分布情況，以及模具鋼的熱處理工藝和熱處理后得到的金相組織等因素都對鋼的韌性具有很大的影響。特別是鋼的純凈度和熱加工變形情況對其橫向韌性的影響最為明顯。鋼的韌性、強度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此，要合理地選擇(xuǎnzé)鋼的化學成分并且采用合理的精煉、熱加工和熱處理工藝，從而使模具材料的耐磨性、強度和上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十八頁，共96頁。任務(rènwu)二模具鋼的分類、性能及主要用途 韌性達到最佳的配合。沖擊(chōngjī)韌性系表征材料在一次沖擊(chōngjī)過程中試樣在整個斷裂過程中吸收的總能量。但是很多工具是在不同工作條件下疲勞斷裂的，因此，常規的沖擊(chōngjī)韌性不能全面地反映模具鋼的斷裂性能。小能量多次沖擊(chōngjī)斷裂功或多次斷裂壽命和疲勞壽命等試驗技術正在被采用。(5)耐磨性。決定模具使用壽命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相當大的壓應力和摩擦力，要求模具能夠在強烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨損主要是機械磨損、氧化磨損和熔融磨損三種類型。為了改善模具鋼的耐磨性，就要求其既保持高的硬度，又要保證鋼中碳化物或其他硬化相的組成、形貌和分布比較上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第三十九頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途 合理。對于重載、高速磨損條件下服役的模具，要求模具鋼表面能形成薄而致密，且茹附性好的氧化膜，保持潤滑作用，減少模具和工件之間產生砧咬、焊合等熔融磨損，又能減少模具表面進一步氧化造成氧化磨損。所以模具的工作條件對鋼的磨損有較大的影響。耐磨性可用模擬的試驗方法測出相對的耐磨指數，作為表征不同化學成分及組織狀態下的耐磨性水平的參數。圖1-2所示為用不同鋼種制作的標準沖孔模對冷軋硅鋼片進行沖孔的試驗結果，以呈現規定毛刺高度前的壽命，反映各種鋼種的耐磨水平;試驗以Cr12MoV鋼為基準(jīzhǔn)(=1)進行對比。圖1-3所示是用標準磨具進行耐磨性試驗的結果，較好地反映工模具鋼在磨粒磨損條件下的耐磨性水平。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途(6)抗熱疲勞性能。熱作模具鋼在服役條件下除了承受載荷的周期性變化(biànhuà)之外，還受到高溫及周期性的急冷急熱的作用，因此，評價熱作模具鋼的斷裂抗力應重視材料熱疲勞性能。熱機械疲勞是一種綜合性能指標，它包括熱疲勞性能、機械疲勞裂紋擴展速率和斷裂韌性三個方面。熱疲勞性能反映材料在熱疲勞裂紋萌生之前的工作壽命，抗熱疲勞性能高的材料，萌生熱疲勞裂紋的熱循環次數較多，機械疲勞裂紋擴展速率反映材料在熱疲勞裂紋萌生之后，在鍛壓力的作用下裂紋向內部擴展時，每一應力循環的擴展量;斷裂韌性反映材料對已存在的裂紋發生失穩擴展的抗力。斷裂韌性高的材料，其中的裂紋如要發生失穩擴展，必須在裂紋尖端具有足夠高的應力強度因子，也就是必上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十一頁，共96頁。任務(rènwu)二模具鋼的分類、性能及主要用途 須有較大的應力(yìnglì)或較大的裂紋長度。在應力(yìnglì)恒定的前提下，在一種模具中已經存在一條疲勞裂紋，如果模具材料的斷裂韌性值較高，則裂紋必須擴展得更深，才能發生失穩擴展。也就是說，抗熱疲勞性能決定了疲勞裂紋萌生前的那部分壽命;而裂紋擴展速率和斷裂韌性，可以決定當裂紋萌生后發生亞臨界擴展的那部分壽命。因此，熱作模具如要獲得高的壽命，模具材料應具備高的抗熱疲勞性能、低的裂紋擴展速率和高的斷裂韌性值。抗熱疲勞性能的指標可以用萌生熱疲勞裂紋的熱循環數，也可以用經過一定的熱循環后所出現的疲勞裂紋的條數及平均的深度或長度來衡量。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十二頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途(7)咬合抗力。咬合抗力實際就是對發生“冷焊”時的抵抗力。該性能對于模具材料較為重要。試驗時通常在干摩擦條件下，把被試驗的工具鋼試樣與具有咬合傾向的材料(如奧氏體鋼)進行恒速對偶摩擦運動(yùndòng)，以一定的速度逐漸增大載荷，此時，轉矩也相應增大，當載荷加大到某一臨界數值時，轉矩突然急劇增大，該載荷稱為“咬合臨界載荷”臨界載荷越高，標志著咬合抗力越強。表1-5列出了幾種工模具鋼及其表面強化工藝的咬合臨界載荷。在模具生產成本中，材料費用一般占10%~20%，而機械加工、熱處理、裝配和管理費用占80%以上。所以模具的工藝性能是影響模具的上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十三頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途 生產成本高低和制造難易程度的主要因素(yīnsù)之一，模具鋼的工藝性能主要有如下幾點:1)可加工性(1)熱加工性能指熱塑性、加工溫度范圍等。(2)冷加工性能指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。冷作模具鋼大多屬于過共析鋼和萊氏體鋼，熱加工和冷加工性能都不好，因此必須嚴格控制熱加工和冷加工的工藝參數，以避免產生缺陷和廢品。另一方面，通過提高鋼的純凈度，減少有害雜質的含量，改善鋼的組織狀態，從而改善鋼的熱加工和冷加工性能，最終降低模具的生產成本。為改善模具鋼的冷加工性能，自20世紀30年代開始，上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十四頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途 向模具鋼中加入S,Pb,Ca等易切削加工元素或導致模具鋼中碳石墨(shímò)化的元素，發展了各種易切削模具鋼，以進一步改善其切削性能和磨削性能，減少刀具磨損消耗，降低成本。2)淬透性和淬硬性淬透性主要取決于鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態;淬硬性則主要取決于鋼中的碳含量。對于大部分的冷作模具鋼，淬硬性往往是主要的考慮因素之一;對于熱作模具鋼和塑料模具鋼，一般模具尺寸較大，尤其是制造大型模具，其淬透性更為重要。另外，對于形狀復雜、容易產生熱處理變形的各種模具，為了減少淬火變形，往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質，如空冷、油冷或鹽浴冷卻，為了得上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十五頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途到要求的硬度和淬硬層深度，就需要采用淬透性較好的模具鋼。3)淬火溫度和熱處理變形為了便于生產，要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬(fànɡkuān)一些，特別是當模具采用火焰加熱局部淬火時，由于難以準確地測量和控制溫度，就要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。模具在熱處理時，尤其是在淬火過程中，要產生體積變化、形狀翹曲、畸變等，為保證模具質量，要求模具鋼的熱處理變形小。特別是對于形狀復雜的精密模具，淬火后難以修整，對熱處理變形程度的要求更為苛刻，應該選用微變形模具鋼制造。4)氧化、脫碳敏感性上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十六頁，共96頁。任務二模具鋼的分類(fēnlèi)、性能及主要用途模具在加熱過程中，如果發生氧化、脫碳現象，就會使其硬度、耐磨性等使用性能降低，并縮短使用壽命。因此，要求模具鋼的氧化、脫碳敏感性好。對于含鑰量較高的模具鋼，由于氧化、脫碳敏感性強，需采用特種熱處理，如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。在選擇模具鋼時，除了必須考慮使用性能和工藝性能之外，還必須考慮模具鋼的通用性和鋼材的價格。模具鋼一般用量不大，為了便于備料，應盡可能地考慮鋼的通用性，盡量利用大量生產的通用型模具鋼，以便于采購、備料和材料管理。另外，還必須從經濟上進行綜合(zōnghé)分析，考慮模具的制造費用、工件的生產批量和分攤到每一個工件上的模具費用。從技術、經濟方面進行全面分析，以最終選定合理的模具材料。上一頁返回(fǎnhuí)第四十七頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途以下分別(fēnbié)就冷作模具(包括下料模具、沖孔模具、沖壓成形模具、拉仲模具、冷嫩模具、壓印模具、冷擠壓模具、滾絲模具等)，熱作模具及塑料模具三類進行敘述。一、冷作模具用鋼主要用于制造對金屬或非金屬板材進行下料、沖孔用的凸模和凹模。當薄板放在凸模、凹模之間進行沖裁時，薄板在最初階段產生變形，隨著變形量的增加，薄板的下側表面因受到大的拉應力而產生開裂。在使用過程中，隨著凹模和凸模磨損量的增加，其刃部的尖角逐漸變為圓角，導致薄板下側產生的拉應力降低，薄板厚度方向受到壓縮，下一頁返回(fǎnhuí)第四十八頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途增加了被沖裁板料的加工硬化和變形，延遲了板料產生裂紋的時間。坯料切斷后，其斷口周圍產生毛刺，隨著模具磨損量的增加，工件的毛刺高度增加，當毛刺高度超過規定要求時，模具就需要更換或返修下料沖孔模具用鋼，一般根據被加工工件的材料種類、厚度、生產工件的批量和模具的尺寸精度、形狀復雜程度等因素選擇鋼材。當沖壓低硬度的紙板，塑料板，鋁、鎂合金板，銅合金板時，如果沖裁產品批量不大，可選用(xuǎnyòng)碳素工具鋼;批量較多時，可選用(xuǎnyòng)CrWMn,9CrWMn,7CrSiMnMoV等低合金鋼，淬回火硬度為62~64HRC;生產批量達到100萬件，可選用(xuǎnyòng)Cr12,Cr12MoV,Cr5Mo1V等鋼號，淬回火硬度為61~63HRC;當生產批量超過100萬件時，可選用(xuǎnyòng)高速鋼、上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第四十九頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 超硬高速鋼或硬質合金制造模具;當沖壓強度高、變形抗力大的碳素鋼板、硅鋼鋼板、不銹鋼板時，要根據材料的強度、厚度、變形抗力，選擇合金含量更高、耐磨性更好的高一檔模具鋼;對截面尺寸較大的模具，要選用合金元素含量較高、淬透性好的模具鋼;當被加工材料厚度增加時，也需要考慮選擇高一檔的模具鋼。推薦的沖壓模具用鋼見表1-6所列。很多緊固件是采用冷鐓模具成形的。冷鐓模具承受劇烈的沖壓載荷，其凹模表面承受很高的壓應力。要求模具材料具有較高的強度、韌性(rènxìnɡ)和耐磨性。冷鐓模具在熱處理后，表面必須具有高的硬度，并且芯部上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途必須具有良好的韌性。這樣，表面有一定壓應力可以抵消在冷鐓過程中承受的應力。用于生產工件批量不大的冷鐓模具，一般選擇碳素工具鋼或低合金冷作模具鋼，對模具型腔表面進行局部淬火，使型腔表面硬度達到60HRC左右，而模具芯部硬度為35~45HRC左右。根據模具的截面尺寸，選擇具有一定淬透性的模具鋼，以得到比較理想(lǐxiǎng)的淬硬層深度。淬硬層過淺，可能造成使用過程中型腔塌陷;硬化層過深，可能造成模具在使用過程中出現開裂現象。對于要求使用壽命長的冷鐓模具，則采用高合金模具鋼(如Cr12,Cr12MoV,Cr5Mo1V等)、高速鋼、粉末高速鋼等鋼結硬質合金或鉆含量較高、韌性好的硬質合金制造。為了使模具能承受較高的沖擊載荷，一般采用鑲塊式模具結上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十一頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途構。模具(mújù)外套采用高韌性的合金結構鋼或H13等熱作模具(mújù)鋼制造，熱處理后的硬度為45HRC左右。高硬度冷鐓模具(mújù)鑲塊采用高合金模具(mújù)材料制造，用冷壓或熱壓法鑲人外套，使之緊密接觸，外套對內套造成一定的壓應力，以改善模具(mújù)的服役條件，延長模具(mújù)的使用壽命。推薦的冷鐓模具(mújù)用鋼見表1-7所列。在冷擠壓過程中凹模經常承受外套的預壓應力和擠壓過程中的拉仲應力，凸模則承受巨大的壓應力。工件在變形過程中所產生的熱量也部分地被模具(mújù)吸收，所以模具(mújù)材料還需要具有一定的高溫硬度和熱穩定性。另外，模具(mújù)表面往往會產生磨損和擠傷，從而造成工件的尺寸、上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十二頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 形狀變化，表面粗糙度上升，使得模具失效。冷擠壓模具所承受的載荷取決于被擠壓工件的材料強度、加工硬化程度，以及工件擠壓過程中的變形度。擠壓較軟的鋁合金工件用的小型模具，其凹模可以采用碳素工具鋼制造;擠壓高強度鋁合金、碳素鋼和低合金鋼工件的冷擠壓凹模，一般采用中合金模具鋼制造(如Cr5Mo1V)等;硬度為56~58HRC、生產批量不大的冷擠壓凸模和頂桿材料，一般采用中合金冷作模具鋼制造;對于生產大批量工件的冷擠壓凸模，為了提高其抗壓強度和耐磨性，一般選用高合金模具鋼(如Cr12MoV,Cr12Mo1V1，7Cr7Mo2V2Si等)、高速鋼、低碳高速鋼或基體鋼(如W6Mo5Cr4V2,6W6Mo5Cr4V2等)制造。良好的潤滑條件(tiáojiàn)是減少冷擠壓模具磨損的上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十三頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 主要(zhǔyào)措施。對于黑色金屬冷擠壓產品，常采用磷化加皂化處理來改善潤滑條件。在實際生產中，潤滑條件不當將造成冷擠壓模具早期失效。當擠壓工件批量很大時，如擠壓鋼件超過10萬件，擠壓輕合金工件超過勸萬件時，有時采用硬質合金制造模具鑲塊。當擠壓變形抗力很高的合金鋼工件或反擠壓大型環形的工件時，也可以采用硬質合金制造冷擠壓凸模的鑲塊，凸模的外套一般選用高強結構鋼制造(熱處理硬度為55~58HRC)。推薦的冷擠壓模具用鋼見表1-8所列。冷擠壓拉仲模具用鋼見表1-9所列。沖壓成形是通過彎曲或少量的延仲，將金屬薄板壓制成與模具輪廓相上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十四頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 近的工件。沖壓成形模具鋼的選用(xuǎnyòng)要根據成形工件的生產批量、工件的材料和厚度、形狀、尺寸、要求的精度等因素決定。沖壓模具的正常失效，主要是由于磨損。軟的、薄的和強度低的工件所需的成形壓力低、磨損少，反之，模具磨損就會加速。對于小型沖壓成形模具，一般多采用高合金模具鋼Cr12MoV或Cr12Mo1V1制造(硬度為58~62HRC);對于易產生表面擦傷的模具可以進行氮化處理;對于大型工件沖壓用的大型模具，凸模也往往采用Cr12MoV或Cr12Mo1V1鋼制造(硬度為58~62HRC)，凹模本體用鑄鐵制造，僅在易磨損處采用淬硬的Cr5Mo1V,Cr12MoV,Cr12Mo1V1鋼鑲塊。為了簡化工藝，也可以采用經局部淬硬的7CrSiMnMoV鋼鑲塊。生產形狀復雜的、較厚工件上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十五頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 的模具可采用高一檔的模具鋼;而形狀簡單、較薄的工件的成形模具，可選擇低一檔的模具材料。硬質合金具有很高的耐磨性和抗擦傷性能，但是成本高、脆、不易加工，一般僅用于制造重要模具的鑲塊。近幾年來發展的鋼結硬質合金，粉末(fěnmò)高合金耐磨鋼，如空冷高耐磨粉末(fěnmò)模具鋼CPM10V(2.45%C,5.0%Cr,9.75%V,1.25%Mo)具有高耐磨性和高韌性，是很有發展前途的冷作模具材料，用以制造模具鑲塊。推薦選用的沖壓成形模具用鋼見表1-10所列。拉仲模具是使金屬薄板在凸模和凹模之間被拉仲變形，形成與凸模形狀近似的杯狀工件。拉仲模具主要要求抗磨損和抗咬合性能。模具的上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十六頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 使用壽命與被拉仲薄板的材質、厚度，模具的尺寸、形狀、材質、硬度、表面狀態、制造工藝、拉仲變形程度、潤滑方式等有關。當拉仲有色金屬、碳素鋼薄板時，根據工件的生產(shēngchǎn)批量，可分別選用碳素工具鋼、低合金冷作模具鋼和中合金模具鋼，并根據需要，對部分模具表面進行鍍鉻或氮化處理，從而防止咬合。當拉仲奧氏體不銹鋼或高鎳合金鋼時，為了防止咬合，除對模具進行氮化處理外，有時采用鋁青銅制造凹模或采用硬質合金制造凹模鑲塊。推薦的拉仲模具鋼見表1-11所列。在壓印加工過程中，工件坯料和模具間的相對滑動較小，模具失效主上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十七頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 要有磨損和型面凹陷、龜裂等原因。當壓印模具尺寸不大，生產工件批量較小時，可采用碳素工具鋼作為模具材料;當模具尺寸較大、形狀復雜或生產工件批量大，或進行不銹鋼等難變形材料壓印時，則可分別選用低合金冷作模具鋼、空淬微變形鋼、Cr5Mo1V,Cr12MoV,Cr12Mo1V1和7Cr7Mo2V2Si等中高合金冷作模具鋼或高速鋼制造，熱處理硬度為59~61HRCo當采用高合金冷作模具鋼或高速鋼制造壓印模具時，可根據需要對模具進行鍍鉻處理或采用鑲塊模具。對于使用過程中易于產生裂紋(lièwén)的壓印模具，也可以采用4Cr5MoSiV1熱作模具用鋼制造，從而提高其韌性，硬度為50~54HRCo粉末高速鋼和高合金粉末冶金模具鋼也可以用作長壽命壓印模具鑲塊材料。推薦的壓印模具用鋼見表1-12所列。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十八頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途二、熱作模具用鋼用于熱模鍛壓力機和模鍛錘上的熱鍛模具，包括模塊、鑲塊及切邊模具。模鍛錘受強烈的沖擊載荷;模鍛壓力機速度緩慢，沖擊載荷較小，但由于模具與熱坯接觸時間長，工作溫度較高，熱疲勞(píláo)也較嚴重。模具失效的主要原因是受力過大、過熱、磨損和熱疲勞(píláo)。對于大多數模鍛錘和模鍛壓力機用的鍛模模塊，其工作硬度一般不大于50HRC;而在模鍛壓力機上進行高溫合金鍛造用的模具，由于被鍛造材料熱強性高，往往采用鉻鑰系合金模具鋼;鍛造模具一般截面較大，應選用淬透性較高的鋼種，以提高模塊芯部的性能。模鍛壓力機承受的沖擊上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第五十九頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 載荷較小，但往往承受較高的工作溫度，所以模鍛壓力機用模具一般采用熱強性較高、合金含量較高的熱作模具鋼，其工作硬度也較高;而模鍛錘用的鍛模，承受沖擊載荷較大，工作溫度較低，所以多選用合金含量較低、沖擊韌性高的鋼種，相應地多采用較低的工作硬度。與模鍛關聯的修整工序，當進行熱修整時，往往采用4Cr5MoSiV或8Cr3制造修整用的模具;當進行冷修整時，則采用Cr5Mo1V，Cr12Mo1V1或6Cr3VSi鋼制造修整模具。大型熱鍛模具要消耗很多的模具材料，其材料費用在模具成本中占較高的比例，因此鋼種選擇時，應慎重考慮模具材料的費用。為了(wèile)延長熱作模具的使用壽命，往往選擇純凈度高、等向性好，且經過爐外精煉、電渣重熔和多向鍛造的高質量模具鋼。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途鍛模模塊和鑲塊用鋼的選擇見表1-13所列，切邊模具用鋼見表1-14所列。很多有色金屬和鋼的型材、管材和異型材是采用熱擠壓工藝成形的。熱擠壓模具是在高溫、高壓、磨損和熱疲勞等惡劣(èliè)條件下工作的。熱擠壓是塑性的金屬坯在壓力的作用下通過擠壓模具型腔形成所要求形狀的型材或管材的過程。常用金屬熱擠壓坯料的溫度見表1-15所列。熱擠壓模具主要由擠壓簡、壓頭、擠壓頂頭、墊塊、凹模和心棒(用于擠壓管材)等主要部件組成。熱擠壓模具的失效，主要是由破裂、磨損、沖刷腐蝕、過熱和熱疲勞裂紋等原因造成的。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十一頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 進行輕合金擠壓時，凹模、墊塊和心軸材料主要采用鉻鑰系中合金熱作模具鋼4Cr5MoSiV,4Cr5MoSiV1鋼等，熱處理硬度為45~50HRC。心棒頭和鑲塊則采用通用高速鋼W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2等，熱處理硬度為55~60HRC。壓力簡一般采用中碳合金結構鋼，硬度為35~40HRC。壓力簡內襯材料則采用4Cr5MoSiV,4Cr5MoSiV1等，熱處理硬度為42~47HRC。銅和銅合金熱擠壓模具，凹模和墊塊材料則采用4Cr5MoSiV,4Cr5MoSiV1,3Cr2W8V等鋼種，心棒材料仍采用4Cr5MoSiV,4Cr5MoSiV1鋼種。當擠壓含鎳量較高的銅鎳合金時，心棒頭及鑲塊墊塊有時(yǒushí)采用鎳基高溫合金制造，擠壓簡內襯有時(yǒushí)采用鐵基高溫合金制造。熱擠壓鋼的模具材料，凹模選用上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十二頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 4Cr5MoSiV1加3Cr2W8V鑲塊，墊塊則選用4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1,3Cr2W8V或鎳基高溫合金。心棒仍用4Cr5MoSiV,4Cr5MoSiV1等鋼種，擠壓簡和內襯材料則選用4Cr5MoSiV,4Cr5MoSiV1鋼種。擠壓模具(mújù)的壽命與所擠壓的材料、擠壓比密切相關，當加工變形拉力大的金屬材料或在高擠壓比的情況下，凹模和心棒的壽命大大縮短。模具(mújù)的潤滑條件和冷卻條件對模具(mújù)壽命有很大的影響。另外，對在高溫條件下磨損情況嚴重的熱擠壓模具(mújù)，特別是擠壓復雜形狀工件的模具(mújù)，有時采用高熱強性的奧氏體熱強模具(mújù)鋼以及特種材料的鑲塊摸具，特種鑲塊材料包括特種硬質合金、氧化鋁及氧化錯陶瓷材料等。熱擠壓模具(mújù)用鋼的選擇見表1-16所列。上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十三頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途壓鑄模具在工作條件下不斷承受高速、高壓噴射金屬的沖刷腐蝕和加熱作用，因此要求模具材料應具有良好的抗熱疲勞性、紅硬性和抗高溫液態金屬的沖刷、腐蝕性能，而且應具有較好的工藝性能。壓鑄模具材料，主要是根據壓鑄工件材料、壓鑄模的工作溫度和浸蝕程度進行選擇。當壓鑄鋅合金時，由于模具的工作溫度較低，一般采用預硬態(約300HB)的塑料(sùliào)成形用模具鋼3Cr2Mo。當生產批量較大時，則采用4Cr5MoSiV1，其使用硬度為45HRC左右。鋁鎂等輕合金壓鑄模具，一般采用4Cr5MoSiV1鋼，熱處理硬度為45~50HRC。銅合金壓鑄模具，由于工作溫度較高，則采用高合金上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十四頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 熱作模具鋼3Cr2W8V,3Cr3Mo3W2V，熱處理硬度為45HRC左右。為了提高(tígāo)模具的抗腐蝕性能，模具可采用氮化處理，或采用耐蝕模具鋼。為了減少模具的磨損和避免模具在使用過程中過熱，適當的潤滑和通水冷卻也是提高(tígāo)模具使用壽命的有效措施。為了減少模具的熱疲勞損壞，有時采用馬氏體時效鋼制造壓鑄模的型芯。壓鑄模具用鋼的選擇可參考表1-17所列。當利用金屬的超塑性進行壓力成形時，特別是用于熱強性高的難成形材料，如欽合金、鎳基高溫合金的超塑成形時，就需要將模具在加工上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十五頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 過程中加熱并精確保持在與鍛件相同的超塑性溫度范圍內，進行(jìnxíng)等溫鍛造。此時模具承受的變形抗力較小，并且可以得到尺寸精度很高的工件。等溫鍛造欽合金的超塑性溫度為900℃~980℃,鎳基合金的超塑性溫度為950℃-1100℃。由于模具的工作溫度很高，要求模具材料具有很高的熱強性、抗氧化性能和抗熱疲勞性能。欽合金超塑成形模具，一般采用鎳基高溫合金制造，如IN-100高溫合金等。鎳基高溫合金的超塑成形溫度往往在1000℃以上，開始多采用難熔合金并含少量欽、錯的鑰基合金TZM制造，但是鑰基合金在高溫下極易氧化，要求在真空下進行(jìnxíng)鍛造，這就使得鍛造工藝和裝備極為復雜，需要大量投資，而且生產率很低。近幾年來日本日立金屬株式會社成功地研上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十六頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 究了用于鎳基合金等溫鍛造的鎳基鑄造模具材料(cáiliào)Nimowal，其在1050℃的高溫強度與鑰基難熔合金相近，而且抗氧化性良好，可以在大氣下對IN-100鎳基高溫合金進行等溫鍛造。三、塑料模具用鋼在塑料零件成形模具中，被壓制的塑料種類、生產的批量、工件的復雜程度、尺寸精度和表面粗糙度等要求是決定塑料模具用鋼選擇的主要因素。塑料大致分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩大類，每類又分為不同的品種。由于壓制塑料的品種不同，以及對塑料制品的尺寸、形狀、精度、表面粗糙度等的不同要求，對塑料模具用鋼的耐磨性、抗腐蝕性、耐上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十七頁，共96頁。任務(rènwu)三模具鋼的主要用途 熱性、耐壓性、磁學性能、微變形和鏡面拋光性能等有不同的要求。根據其用途的差異(chāyì)，大致分為如下幾種類型:(1)通用型塑料模具用鋼。通用型塑料模具用鋼用于生產通用型塑料(如聚乙烯、聚丙烯)工件的模具。當生產批量較小，尺寸精度和表面粗糙度無特殊要求而且模具截面不大時，可以采用碳素結構鋼50、55鋼或低碳鋼10、20鋼制造，前者采用調質或正火處理，后者采用滲碳加淬回火處理。低碳鋼由于變形抗力低、塑性好，主要適用于采用冷擠壓成形的方法壓制模具型腔制造模具。當生產批量較大、模具尺寸較大、形狀復雜、精度要求高的工件，則采用淬透性較高的合金模具鋼，如3Cr2Mo(P20),3Cr2NiMnMo,上一頁下一頁返回(fǎnhuí)第六十八