模具材料概论课件.ppt
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- 模具 材料 概论 课件
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1、2022-11-3模具材料概论(1)模具材料概论模具材料概论(1)模具材料概论(1)课程内容提纲课程内容提纲l第第1章章 序言序言l第第2章章 冷作模具材料及热处理冷作模具材料及热处理l第第3章章 热作模具材料及热处理热作模具材料及热处理l第第4章章 塑料模具材料及热处理塑料模具材料及热处理l第第5章章 其它模具材料及热处理其它模具材料及热处理l第第6章章 模具表面处理技术模具表面处理技术模具材料概论(1)第第1 1章章 序言序言l1.1 1.1 模具材料的分类模具材料的分类l1.2 1.2 模具的失效分析模具的失效分析l1.3 1.3 典型模具的服役条件及失效形式典型模具的服役条件及失效形式
2、l1.4 1.4 模具的使用寿命及影响因素模具的使用寿命及影响因素l1.5 1.5 模具材料的性能、选用与发展模具材料的性能、选用与发展模具材料概论(1)模具在现代工业中的作用模具在现代工业中的作用l 随着现代工业技术的发展,为提高产品质量,降低生产随着现代工业技术的发展,为提高产品质量,降低生产成本,提高生产效率和零件材料的利用率,国内外的生产成本,提高生产效率和零件材料的利用率,国内外的生产厂家都在采用各种先进的无切削或少切削加工工艺,如厂家都在采用各种先进的无切削或少切削加工工艺,如精精密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压等成形技术来代替等成形技术来代替传
3、统的切削加工工艺。而传统的切削加工工艺。而模具成形技术是首选的工艺手段模具成形技术是首选的工艺手段之之一一,在飞机、汽车、机电产品、家用电器、塑料制品、,在飞机、汽车、机电产品、家用电器、塑料制品、等行业应用广泛。等行业应用广泛。l 模具材料性能的好坏和使用寿命的长短,直接影响加工模具材料性能的好坏和使用寿命的长短,直接影响加工产品的质量和生产的效益。而模产品的质量和生产的效益。而模具材料的种类、热处理工具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素。是影响模具使用寿命的极其重要的因素。因此世界各国均致力于因此世界各国均致力于开发新型模具材料、改进模具
4、的热开发新型模具材料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、加强对模具的维护加强对模具的维护等措施来提高模具的寿命等措施来提高模具的寿命模具材料概论(1)模具在现代工业中的作用模具在现代工业中的作用l 建国以来,我国在模具材料方面有了很大的发建国以来,我国在模具材料方面有了很大的发展,初步建立起了具有我国特色的模具材料体系、展,初步建立起了具有我国特色的模具材料体系、包括包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等系等系列材料,并在模具制造业广泛使用。同时,针对列材料,并在模具制造业广泛
5、使用。同时,针对不同的工作条件与环境因素,开发了多种先进的不同的工作条件与环境因素,开发了多种先进的模具材料。模具材料。模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类根据服役条件根据服役条件,模具材料分为,模具材料分为l冷作模具材料冷作模具材料l热作模具材料热作模具材料l塑料模具材料塑料模具材料l其他模具材料其他模具材料模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类 一、冷作模具材料一、冷作模具材料l冷作模具材料应用量大使用面广,其主要性能冷作模具材料应用量大使用面广,其主要性能要求有要求有强度、硬度、韧性和耐磨性强度、硬度、韧性和耐磨性。近年来碳素。近年来碳素工具钢的使用愈来
6、愈少,而高合合钢模具所占的工具钢的使用愈来愈少,而高合合钢模具所占的比例为最高。比例为最高。l国外通用型冷作模具钢的代表钢种有低合金模具国外通用型冷作模具钢的代表钢种有低合金模具钢钢O1(9CrWMn)、中合金模具钢、中合金模具钢A2(Cr5Mo1V)和高碳高铬模具钢和高碳高铬模具钢D3(Cr12)、D2(Cr12Mo1V1)等等模具材料概论(1)钢种钢种牌号举例牌号举例碳素工具钢碳素工具钢T7、T8、T10油淬冷作模具钢油淬冷作模具钢CrWMn,9Mn2V,9SiCr,Cr2空淬冷作模具钢空淬冷作模具钢Cr5Mo1V、Cr6WV、8Cr2MnWMoVS、Cr4W2MoV高碳高铬冷作模具钢高碳
7、高铬冷作模具钢Cr12MoV、Cr12、Cr12MoV1基体钢和低碳高速钢基体钢和低碳高速钢6W6Mo5Cr4V,6Cr4W3Mo2VNb、7W7Cr4MoV硬质合金硬质合金YG6、YG8N、YG8C、YG15、YG25钢结硬质合金钢结硬质合金GT35、TLMW50常用冷作模具材料常用冷作模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类一般指其成分与高速钢淬火组织一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢中基体化学成分相同的钢一种多相结合材料,耐磨性、硬一种多相结合材料,耐磨性、硬度、机械化强度都较高。不能进度、机械化强度都较高。不能进行切削加工。行切削加工。以高熔点碳化物以高熔点碳化物W
8、C、TiC为硬质相,以碳素工为硬质相,以碳素工具钢、合金工具钢或不锈钢为粘结相通过粉末具钢、合金工具钢或不锈钢为粘结相通过粉末冶金真空烧结轧制而成。既具有合金钢的可锻冶金真空烧结轧制而成。既具有合金钢的可锻造、切削加工、焊接及热处理性能,又具有硬造、切削加工、焊接及热处理性能,又具有硬质合金的高硬度、高耐磨性的特点质合金的高硬度、高耐磨性的特点模具材料概论(1)l 冷作模具钢以高碳合金钢为主,均属热处理强化型钢,冷作模具钢以高碳合金钢为主,均属热处理强化型钢,使用硬度高于使用硬度高于58HRC。l9CrWMn为典型代表的低合金冷作模具钢,仅用于小为典型代表的低合金冷作模具钢,仅用于小批量生产中
9、的简易型模具和承受冲击力较小的试制模批量生产中的简易型模具和承受冲击力较小的试制模具;具;lCrl2型高碳合金钢是大多数模具的选用材料,这类钢型高碳合金钢是大多数模具的选用材料,这类钢的强度和耐磨性较高,韧性较低;的强度和耐磨性较高,韧性较低;l在对模具综合力学性能要求更高的场合,常用的替代在对模具综合力学性能要求更高的场合,常用的替代钢种是钢种是W6Mo5Cr4V2高速钢和基体钢。高速钢和基体钢。1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l由于温度和冷却条件由于温度和冷却条件(有无冷却、如何冷却有无冷却、如何冷却)这两个因这两个因素,热作模具的工作条件远比冷作模具复杂,因而热素,
10、热作模具的工作条件远比冷作模具复杂,因而热作模具用材的系列化,除少数外不如冷作模具用材系作模具用材的系列化,除少数外不如冷作模具用材系列完整。列完整。l热作模具用材的选择,在力学性能方面要兼顾热作模具用材的选择,在力学性能方面要兼顾热强性热强性(热耐磨性热耐磨性)和抗裂纹性能。和抗裂纹性能。但由于加工对象但由于加工对象(热金属热金属)本本身强度不高,故对热作模具材料的屈服强度要求并不身强度不高,故对热作模具材料的屈服强度要求并不高,而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的高,而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的局部急热急冷特性,对局部急热急冷特性,对韧性韧性提出了较高要求。提出了较高要
11、求。二、热作模具材料二、热作模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类3Cr2W8V,广泛用于制造黑,广泛用于制造黑色和有色金属热挤压模及色和有色金属热挤压模及Cu、Al合金的压铸模,但热稳定性合金的压铸模,但热稳定性差差4Cr5MoSiV1,具有良好的,具有良好的冷热疲劳性,在使用温度不冷热疲劳性,在使用温度不超过超过600时代替时代替H21模具材料概论(1)l 由于塑料模具的工作条件由于塑料模具的工作条件(加工对象加工对象)、制造、制造方法、精度及对耐久性要求的多样性,所以塑方法、精度及对耐久性要求的多样性,所以塑料模具用钢的成分范围
12、很大,各种优质钢都有料模具用钢的成分范围很大,各种优质钢都有可用之处,且形成了范围很广的塑料模具用材可用之处,且形成了范围很广的塑料模具用材料系列。料系列。1.1 模具材料的分类模具材料的分类三、塑料模具材料三、塑料模具材料模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类为避免大、中型精密塑料模具热处理后的变形,为避免大、中型精密塑料模具热处理后的变形,保证模具的精度和使用性能而开发的模具材料。保证模具的精度和使用性能而开发的模具材料。在钢厂经过充分锻打后制成模块预先调质要求的在钢厂经过充分锻打后制成模块预先调质要求的硬度(硬度(3035HRC)后供使用单位制造模具,切)后供使用单位制造
13、模具,切削加工成形后不再进行热处理直接使用削加工成形后不再进行热处理直接使用为避免形状复杂、精密、要长寿为避免形状复杂、精密、要长寿命的塑料模具在热处理过程中变命的塑料模具在热处理过程中变形,这类钢在固溶处理后进行切形,这类钢在固溶处理后进行切削加工,现进行低温时效硬化处削加工,现进行低温时效硬化处理获得要求的力学性能,时效处理获得要求的力学性能,时效处理后不再进行切削加工即可得到理后不再进行切削加工即可得到精度很高的模具成品精度很高的模具成品模具材料概论(1)l在三大类模具材料之外,还有在三大类模具材料之外,还有铸造模具钢铸造模具钢、有有色合金模具材料、玻璃模具材料等,陶瓷模具、色合金模具材
14、料、玻璃模具材料等,陶瓷模具、建材成型模具建材成型模具。另外我国还开发研制了特种新。另外我国还开发研制了特种新型模具用材。型模具用材。四、其他模具材料四、其他模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l通过精密铸造工艺直接得到形状复杂的模具铸通过精密铸造工艺直接得到形状复杂的模具铸件,与传统的模具生产工艺比较可以节省加工件,与传统的模具生产工艺比较可以节省加工工时,降低金属消耗,缩短模具制造周期,降工时,降低金属消耗,缩短模具制造周期,降低模具制造费用。低模具制造费用。l如美国如美国ASTM一一A597铸造工具钢标准中包括铸造工具钢标准中包括7个钢号。其中冷作模具钢个钢号。
15、其中冷作模具钢4种、热作模具钢种、热作模具钢2种、耐冲击工具钢种、耐冲击工具钢1种。种。(一一)铸造模具钢铸造模具钢1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l我国不少部门也开始研制并采用我国不少部门也开始研制并采用精密铸造工艺精密铸造工艺生产模具,生产模具,如东风汽车公司冲模厂已经采用火焰淬火冷作模具钢如东风汽车公司冲模厂已经采用火焰淬火冷作模具钢ZG7CrSiMnMov实型铸造工艺,生产出汽车大型覆盖件冲实型铸造工艺,生产出汽车大型覆盖件冲模的刃口镶块模,取得了良好的使用效果和经济效益。模的刃口镶块模,取得了良好的使用效果和经济效益。东风汽车模具有限公司东风汽车模具有限公司1.
16、1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 我国研制的铸造热锻模用钢我国研制的铸造热锻模用钢JCD钢已经试用于钢已经试用于小型热锻模块,代替小型热锻模块,代替5CrMnMo钢锻造模具。钢锻造模具。l我国研制的铸造锻模钢我国研制的铸造锻模钢ZDM2(3Cr3MoWVSi)钢,采用陶瓷型精密铸造工艺,通过几十种锻模钢,采用陶瓷型精密铸造工艺,通过几十种锻模的生产试用,代替传统的的生产试用,代替传统的5CrNiMo和和3Cr2W8V锻模,取得了较好的使用效果和经济效益。锻模,取得了较好的使用效果和经济效益。1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 随着工业产品的多样化和中小
17、批量生产的增加,随着工业产品的多样化和中小批量生产的增加,一些一些低成本、易加工、制造周期短低成本、易加工、制造周期短以及具有特殊性能以及具有特殊性能的有色金属材料模具也逐渐增多,使用较多的是的有色金属材料模具也逐渐增多,使用较多的是铜、铜、铝、锌铝、锌合金。合金。l 铜铜合金模具的合金模具的抗粘着性和热导件好抗粘着性和热导件好,常用作不锈钢,常用作不锈钢和表面处理钢板的和表面处理钢板的拉伸模和弯曲模具拉伸模和弯曲模具,近年来也用于,近年来也用于注射模。常用作模具的是铍青铜,由于铍是公害元素,注射模。常用作模具的是铍青铜,由于铍是公害元素,最近国外又开发出了含最近国外又开发出了含Ni-Si的的
18、Corson铜合金,这种铜合金,这种析出硬化型合金的特点是高强度和高热导性。析出硬化型合金的特点是高强度和高热导性。(二二)有色合金模具材料有色合金模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 铝合金除用于模具的导板、导柱等构件外,现在铝合金除用于模具的导板、导柱等构件外,现在5000系和系和7000系铝合金也应用于一些小批量生产的系铝合金也应用于一些小批量生产的试制模具,如薄板拉伸、塑料成型、发泡塑料等模具。试制模具,如薄板拉伸、塑料成型、发泡塑料等模具。l 锌合金的熔点较低,易于熔化和铸造锌合金的熔点较低,易于熔化和铸造,切削加工性,切削加工性能好,且可反复回收使用,常
19、常被能好,且可反复回收使用,常常被用作试制模具用作试制模具,主,主要用于薄板拉伸模、弯曲模和铝合金挤压模等。日本要用于薄板拉伸模、弯曲模和铝合金挤压模等。日本近几年又在传统制模用的锌合金基础上,添加近几年又在传统制模用的锌合金基础上,添加Cu、Al、Ti、Be等元素,开发出了新型的锌合金材料。等元素,开发出了新型的锌合金材料。1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l玻璃模具是玻璃制品的主要成型工艺装备。在玻玻璃模具是玻璃制品的主要成型工艺装备。在玻璃制品成型过程中,模具频繁地与璃制品成型过程中,模具频繁地与1100以上以上的熔融玻璃液接触,经受氧化、生长和热疲劳作的熔融玻璃液接
20、触,经受氧化、生长和热疲劳作用。根据玻璃模具的服役条件和失效形式,对模用。根据玻璃模具的服役条件和失效形式,对模具材料的要求具材料的要求以抗氧以抗氧化为最主要指标。通常采化为最主要指标。通常采用用耐热合金耐热合金钢,如钢,如3Cr2W8V、5CrNiMo以及合金以及合金铸铁等。铸铁等。三三)玻璃模具材料玻璃模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 除了上述几类模具材料外,还开发研制了特除了上述几类模具材料外,还开发研制了特种模具用材,如种模具用材,如CrMnN系系无磁模具钢无磁模具钢(用于电用于电子产品的无磁模具子产品的无磁模具)、高温玻璃模具钢、高温玻璃模具钢(用于高
21、用于高温餐具、高透光度的车灯、显像管玻璃模壳模温餐具、高透光度的车灯、显像管玻璃模壳模具具)、陶瓷模具、复合材料模具陶瓷模具、复合材料模具等。等。四四)特种新型模具材料特种新型模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)1.2 模具的失效分析模具的失效分析l模具失效是指模具模具失效是指模具丧失正常的使用功能丧失正常的使用功能,其生产出的,其生产出的产品已成为废品,模具不能通过一般的修复方法产品已成为废品,模具不能通过一般的修复方法(如刃如刃脚、抛磨等脚、抛磨等)使其重新服役的现象。使其重新服役的现象。l1、模具失效既有达到预定寿命的、模具失效既有达到预定寿命的正常失效正常失效
22、,也有远,也有远低于预定寿命的低于预定寿命的非正常失效非正常失效(早期失效早期失效)。非正常失效。非正常失效常常造成人身或设备的恶性事故,并造成经济上的损常常造成人身或设备的恶性事故,并造成经济上的损失,因此应尽量加以避免。失,因此应尽量加以避免。l失效分析的任务失效分析的任务:通过对模具失效进行分析,找出模:通过对模具失效进行分析,找出模具失效的具体原因,则可以采取相应的措施加以改进,具失效的具体原因,则可以采取相应的措施加以改进,以提高模具的使用寿命。以提高模具的使用寿命。模具材料概论(1)l 模具使用寿命是指模具在正常失效前生产出模具使用寿命是指模具在正常失效前生产出的合格产品的数目,若
23、其亦使用过程中经过多的合格产品的数目,若其亦使用过程中经过多次修模,则次修模,则模具的使用寿命为首次寿命与各次模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。修模寿命的总和。l模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维护等各项指标的综合体现,在一定程度上反映护等各项指标的综合体现,在一定程度上反映了一个国家或地区的冶金、机械制造等工业水了一个国家或地区的冶金、机械制造等工业水平。平。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 要研究模具的失效问题,就要了解各类模具要
24、研究模具的失效问题,就要了解各类模具的服役条件和失效形式,以便分析其失效原因,的服役条件和失效形式,以便分析其失效原因,合理地选择模具材料,改进模具的设计、加工合理地选择模具材料,改进模具的设计、加工和热处理工艺,提出预防或推迟失效的措施,和热处理工艺,提出预防或推迟失效的措施,不断提高模具的使用寿命。不断提高模具的使用寿命。一、模具主要失效形式一、模具主要失效形式1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l模具的基本失效形式是模具的基本失效形式是断裂及开裂、磨损、疲劳及冷断裂及开裂、磨损、疲劳及冷热疲劳、变形、腐蚀。热疲劳、变形、腐蚀。l模具在工作过程中可能同时出现多种损坏形式,
25、各种模具在工作过程中可能同时出现多种损坏形式,各种损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展,而当某损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展,而当某种损坏的发展导致模具失去正常功能,则模具失效。种损坏的发展导致模具失去正常功能,则模具失效。l 图图11举出了几种常见的模具失效形式。对不同类举出了几种常见的模具失效形式。对不同类型模具,损伤主要形式不同模具出现的损坏形式也在型模具,损伤主要形式不同模具出现的损坏形式也在变化,如冷作模具变化,如冷作模具脆断,热作模具脆断,热作模具冷热疲劳、冷热疲劳、裂纹及变形,而冷、热作模具都可能因磨损而失效。裂纹及变形,而冷、热作模具都可能因磨损而失效。1.2 模具的
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