模具失效与防护第三章

第三章 模具的选材及热处理
据调查表明，模具失效的因素中，模具的材料和热处理是 影响寿命的主要因素，其比例约占70％。
模具的失效因素
第一节 模具材料概述
一、模具材料的分类
1.按模具类别的不同分：冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、其它 模具材料。 2.按材料的类别分：
二、模具选材的一般原则
2.60Si2Mn钢（弹簧钢） 应用：它可用作加工批量小，受力小的正挤压冲模，寿命在 5000件左右。
3.CrWMn钢 应用：主要用于制造形状复杂、精度高、载荷不很大的冷挤压 凹模。
（二）Cr12型模具钢 钢号：Cr12、Cr12MoV、 Cr12Mo1V1。 应用：常用于制造冷挤压模。尤其是拉深型冷挤压模和承受较大比压的模具 零件。 （三）高速钢 钢号：主要是W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 。 应用：较大批量冷挤压铝合金、中小批量冷挤压钢料时，常选用高速钢制作 模具。
4. 各种中、大型拉深模 选材：这类模具均可选用球墨铸铁或合金铸铁制造，经表面淬火、 低温回火后使用。
5.单件、小批量生产样机拉深件模具 选材：这类模具可采用玻璃纤维增强的聚酯、环氧树脂、酚醛树
选材：用Cr12MoV钢制作模具。
拉深凸凹模 失效形式：模具在工作中，易产生拉毛和粘附。 防止措施：为了防止拉毛和粘附，应设法提高模具的表面硬度和抗粘着性能。 热处理工艺：采用1050°C加热油淬，500°C2h回火3次，再在450～480°C 低温离子渗碳5h，表面洛氏硬度达93HR15N。
2）钢结硬质合金
特点：性能介于高速钢和硬质合金之间。它既有高硬度、高耐磨性、高弹性 模量的特点，又有较高的抗压，抗弯强度和韧性，还可以进行锻造、焊接各 种机加工和热处理，能够做出较复杂的模具。
常用钢号：GT35、TLMW50、GW50等。
冷冲模常用钢结硬质合金
（二）厚板冷冲裁模 1.传统模具用钢
b. b.组织特点：热处理组织为高强韧基体和均匀分布的细小碳 化物。
c. c.性能特点：强韧性、硬度、耐磨性均优于 Cr12型模具钢。 d. 应用：可用来制造要求高耐磨同时又要求高韧性的模具。
（3）高强韧低合金模具钢 钢号：6CrNiSiMnMoV（代号GD） 应用：用这些钢制作细长或薄片凸模，复杂、大型、薄壁凸凹模 等，可有效地解决崩刃、断裂等早期失效问题，显著提高冲裁模 的使用寿命。
c.高耐磨铬钨钒钢、Cr12型模具钢
应用：要求大批量加工产品的重载冲裁模，可用W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2 钢制作凸模，用Cr12MoV 或Cr12Mo1V1钢制作凹模。
2.新型模具用钢
（1）降碳高速钢型模具钢 钢号：6W6Mo5Cr4V（代号6W6），是在高速钢W6Mo5Cr4V2的基础上降低 C、V含量得到的新钢种。
Cr2Mn2SiWMoV模具钢： 应用：主要用于制造轻载精密复杂冷冲模。
（2）高耐磨高强韧模具钢 钢号：Cr6W3Mo3V（代号GM）、 Cr8MoWV3Si（代号
ER5）。 a. 成分特点： C、Cr含量比 Cr12型模具钢有较大幅度的减少，
并加入一定量的W、Mo、V等合金元素，钢的成分配比合 理。
2）液化气钢瓶封头冷拉深模具
钢瓶拉深模具结构示意图
1－冲头 2－压料板 3－模圈 4－模圈座 5－顶柱 6－工件
选材：冲头采用冷硬铸铁或45钢制造，使用中未发生问题。拉深模圈3曾先 后采用灰铸铁、ZG35Mn、T8钢、Cr12钢等材料制造，寿命均不高（低于1 万件）。主要失效形式为磨损和粘料。
采用高强度球墨铸铁QT500-7制作模圈后，其寿命明显提高，提高幅度 与热处理工艺有关。
主要受冲击力、剪切力。而模具的刃部可看成特殊的剪刀， 承受冲击、剪切、弯曲和挤压（冲头），并产生强烈摩擦。
2.失效形式 主要为磨损、崩刃失效。
3. 性能要求 要求高的硬度、高的耐磨性，一定的韧性，较高的抗弯强
度和高的断裂抗力。
（一）薄板冷冲材模（板厚≤1.5mm） 1.传统模具材料 1）小批量（1000件以下）冲裁软料薄板
2.钢结硬质合金 钢号：GT35、TLMW50等。 应用：更多地用于制造冷挤压凸模、凹模或凹模镶块等。
三、冷镦模材料及热处理
四、冷拉深模材料及热处理 （一）冷拉深模的特点 1.工作条件
2.失效形式 在拉深外观要求光滑的各种工件时，模具主要由于咬合失效。
黏附是拉深过程中常出现的问题，是造成模具咬合失效的重要原 因。
LD钢： 成分特点：含碳量和合金元素含量高于65Nb钢，铬含量较高。 应用：适于制造各种重载冷作模具，并提高其寿命。
（3）基体钢型冷热兼用模具钢
钢号：5Cr4Mo3SiMnVAl（代号012Al）和6Cr4Mo3Ni2WV（代号CG-2）。
应用：它们用于中厚板冲裁模和和其它冷作模具，均能有效地防止脆性崩裂， 从而提高使用寿命。也可以用来制造热作模具。
（三）精冲模 特点：工作间隙很小，坯料变形区处于很大的三向压应力状态。 因而承受的压力和摩擦力比一般冲裁模大，对模具材料的要求以 抗压强度和耐磨性为主。
常用材料：Cr12、Cr12MoV、 Cr12Mo1V1 、 Cr4W2MoV 、 W6Mo5Cr4V2。
（四）冷冲裁模的热处理工艺特点 工艺：通常采用淬火＋低温回火。 目的：以保证硬度通常在58HRC以上，同时还要配合以足够的 韧性。
2）不同部位 工作部位（型面或刃部）：硬度、耐磨性、抗热性等要求更高。
非工作部位（模体）：硬度、耐磨性、抗热性等可适当降低， 但要保证一定的强韧性，有时可采用表面强化或组合、镶嵌结 构。
（五）模具的制造工艺因素
（六）模具的设计因素 1.不同模具采用不同结构材料 2.低级材料强化处理
四、模具材料的发展趋势 1.由于压力加工工艺迅速发展、新工艺不断出现、对模具的各 种要求越来越高，所以对模具材料的性能要求也越来越高。
三、模具选材的具体考虑因素
（一）模具的工作条件因素 1.载荷的受力大小、速度（冲击状况）
受力大，材料要求强度高；冲击大，则韧性要求好。
2.工作温度 模具的工作温度不同，材料的抗热性能要求也不同。
3. 腐蚀情况 腐蚀严重时，要考虑不锈钢类材料。
（二）模具的失效因素 （三）模具所加工的产品因素 1.产品批量的大小 2.产品质量的高低 3. 产品的材质 （四）模具的结构因素 1.模具的大小 2.模具的形状 3.模具的不同组件、不同部位 1）不同组件 模具组成：工作零件与辅助零件。 工作零件：直接与加工材料接触，要求材料性能比辅助零的高。
2）生产批量较大时：可选用SiMnMo、Cr5Mo1V、Cr6WV、 Cr12MoV等钢。
3）生产批量很大时：应选用硬质合金、钢结硬质合金。
3.拉深耐热钢、不锈钢、高镍合金钢钢板的拉深模 选材：首选铝青铜；其次是Cr12、Cr12MoV、 Cr12Mo1V1 钢； 再次是T10A钢镀铬及合金铸铁淬火回火；当生产批量很大时， 可采用硬质合金。
二、冷挤压模材料及热处理 1.工作条件
工作时，物料承受强烈的三向压应力作用，金属发生剧烈 的流动，变形位移大。
2.失效形式 冷挤模主要会产生变形、磨损、冲头折断（因偏心弯曲）
等失效。
3.性能要求 要求模具有高的强度和硬度，并有一定的韧性，以防冲击折
断。 4.常用材料
（一）碳素工具钢与低合金模具钢 1.T10A钢 应用：只能用于小批量加工软料（如软铝合金）的正挤压模。
T8A、T10A钢：用于简单圆筒浅拉深件。 9Mn2V、CrWMn钢：用于成形复杂的浅拉深件。 锌合金：用于小批量加工大直径软薄板拉深件。
2）当生产批量很大时 选材：Cr12MoV钢、硬质合金、钢结硬质合金等。
2.拉深较厚钢板及变薄拉深、反拉深的拉深模 1）生产批量较小时：可选用T10A、T12A、CrWMn等钢。
4）生产批量特大时
选材：硬质合金，YG10X、YG15等。
2.新型模具用钢 （1）高耐磨微变形中铬模具钢 主要钢种： Cr5Mo1V 、Cr6MoV、 Cr4W2MoV、 Cr2Mn2SiWMoV等。
Cr5Mo1V 、Cr6MoV： 应用：广泛用于各种五金冷冲模以及承受较大冲击的大型复杂冲裁模。
Cr4W2MoV模具钢： 应用：主要用来替代Cr12型模具钢制造硅钢片冲裁模，并提高其使用寿命。
选材：碳素工具钢T8A、T10A，甚至锌合金或加镶钢皮刃口的锌合金。
2）中批量（103～105件）生产的中负荷模具
选材：低合金工具钢，如9Mn2V、9CrWMn、CrWMn、GCr15等钢种。
3）大批量（106件）
选材：可选用高耐磨的Cr12型模具钢，负荷较大的易损小冲头趋向于选用承 载能力更高的高速钢W18Cr4V 、W6Mo5Cr4V2等。
3. 性能要求 模具应具有高的强度和耐磨性，在工作时不发生黏附和划伤，
具有一定的韧性及较好的切削加工性能，并要求热处理时模具变 形小。
（二）冷拉深模选材原则 选材主要考虑：模具的工作条件、尺寸大小和生产批量。
（三）不同拉深模的选材 1.拉深铝、铜合金板料及薄钢板的拉深模 1） 当生产批量不大时 选材：碳素工具钢、低合金工具钢和锌合金。
（四）新型模具钢 钢号：高耐磨微变形中铬模具钢Cr5Mo1V、 Cr6WV、 CrW2MoV，降碳高 速钢6W6，基体钢65Nb、LD，火焰淬火模具钢CH等。
应用：用它们制造易于折断或开裂的细长冲头、顶杆和形状复杂的凹模或凹 模芯，要比采用Cr12 型模具钢或高速钢提高寿命几倍到几十倍。
（五）硬质合金与钢结硬质合金 1.硬质合金 钢号：YG15、YG20C。 应用：用它们制造的重载冷挤压模与模具钢相比，可提高寿命 几十倍。
钢号：常用传统钢种有T8A、9SiCr、60Si2Mn、5CrW2Si、6CrW2Si、 Cr12Mo1V1、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。 a.T8A 特点：强韧性和淬透性较高，但过热敏感，承载能力较低。 应用：它只能用于小批量加工软坯料中厚板的冲裁模。