第03章模具材料及热处理

一般冷作模具要求52-60HRC；热作模具40-52HRC。 ☆硬度是强度、塑性、韧性、耐磨性等指标的综合反映， 在图纸上一般只标注硬度要求。 ☆热硬性是指模具在受热或高温条件下保持高硬度的能 力，如热作模具和部分冷作模具要求一定的热硬性。
☆材料的硬度和热硬性主要取决于材料的成分、热处理 工艺及表面处理工艺。 （2）耐磨性—是衡量模具使用寿命的重要指标 ☆磨损形式不同，影响耐磨性的因素也不同，主要因素 是硬度和组织。 例：冲击载荷较小时，耐磨性和硬度成正比关系；
2、模具材料的工艺性能要求 1）热加工工艺性能：包括锻、轧、铸造、焊接等性能. 由模具制造工艺、材料成分、冶金质量、组织等影响. 2）冷加工工艺性能：包括切削、抛光、磨削、研磨等. 要求模具具有高的表面质量（如镜面）。 3）热处理性能：热处理变形小、淬硬性、淬透性等。 三、模具材料常见的热处理缺陷
b. 锻造时，终锻温度高、冷却时700800℃ 时间长造成石墨化
c. 多次球化退火造成石墨化； ☆改善措施：重新锻造并快冷。
6、脆性 ☆产生主要原因： a. 材料中存在严重的非金属夹杂物偏析； b. 碳化物呈网状、带状、聚集态等分布不均匀状态； c. 热处理操作不当；如A化温度过高、时间长，产生回 火脆性； ☆防止措施： a. 严格控制钢材质量； b. 进行合理的锻造、预处理等改善组织； c. 制定合理热处理工艺，操作正确；
8、裂纹 ☆产生的主要原因： a. 原材料本身存在裂纹，或在锻造时产生裂纹； b. 高碳、高合金钢导热性差，当加热、或淬火冷却时 速度较快，易产生裂纹； c. 淬火后未及时回火或回火不足； d. 模具有盲孔、或应力集中处，淬火时操作不当； ☆防止措施： a. 严格控制原料质量，避免缺陷； b. 高碳、高合金钢等导热性差的材料，采用预热或分 段加热；
4、模具结构 1）模具尺寸—大、中、小模具成本占总成本比例不同， 对模具材料的要求也不同；
2）模具形状—形状简单，公差要求低，可选高耐磨材 料；反之，形状复杂，要求材料淬透性好、变形小，易 加工；
3）模具不同组件、不同部位差异—如凸、凹模工作部 分硬度、耐磨性、抗热性等要求高；非工作部分，紧固 件、导向机构等可按结构简条件选材。
4、淬火“软点” ☆产生原因： a. 材料存在严重的成分偏析，组织不均匀； b. 加热时模具表面有锈斑、油污或局部脱碳等； c. 淬火时工件相互接触； d. 冷却介质中杂质等较多或老化，造成冷却能力不足； e. 大尺寸、复杂模具淬火操作不当，如未搅动，产生气 泡等； ☆防范措施： a. 模具材料使用前要检查夹杂和碳化物偏析（符合要 求），通过预处理进行改善；
b. 磁粉探伤、超声探伤、射线探伤等—检查表面裂纹和 内部裂纹；
9、热处理变形 ☆产生原因：残余应力（热应力和组织应力）作用的
结果。 ☆防止措施： a. 合理设计模具结构，避免过大应力集中等处； b. 合理制定进行变形校正；
☆韧性—冲击载荷下抵抗产生裂纹的特性，反映脆断抗 力。常用冲击韧性（αK）表示。 ☆材料的强度和韧性主要取决于材料的成分、冶金质量、 热处理工艺，碳化物的性质、数量、形态、分布对其有 显著的影响。 （4）疲劳抗力--反映材料在交变载荷作用下，抵抗疲劳 破坏的性能指标
例 热作模具：急冷急热的热疲劳作用。
5、模具制造工艺 考虑冷、热加工方法和工艺要求。
6、模具的设计因素 1）组合、镶嵌结构，不同目的组件，性能要求不同， 选不同材料；
2）选材和表面强化处理结合，选普通材料，工作表面 或局部表面采用表面强化处理，如堆焊、激光表面处理、 沉积技术等。
四、模具选材的一般原则 1）使用性能足够：根据模具工作条件、主要失效形式、 寿命要求、可靠性等对模具材料提出主要使用性能指标。 2）工艺性能良好，便于制造。 3）供应上保证，品种、规格尽量减少、便于采购。 4）经济合理性：要综合考虑成本、性能价格比等因素. 五、影响模具选材考虑的因素 1、模具工作条件 1）承载能力大小、速度、冲击状况等；--受力大，强度 要求高；冲击大，韧性要求好。
2）工作温度---热作模具等，考虑材料抗热性能。 3）腐蚀情况---如有腐蚀性气体的塑料模具，选不锈钢. 2、模具的主要失效形式
针对现有模具的主要失效形式，提出解决问题的 主要性能指标。
3、制件分析 1）制件批量大、小—决定模具寿命； 2）制件质量要求高低—决定模具制造精度、表面质量 等； 3）制件材料---影响变形抗力；
7、表面腐蚀（出现麻点） ☆ 产生原因： a. 埋箱保护加热时，保护剂使用不当； b. 盐浴加热时，介质中含有腐蚀性夹杂；
c. 硝盐回火时，温度过高及Cl-的电化学腐蚀； d. 盐浴和硝盐浴处理后，未及时清理； ☆ 防止措施： a. 固体保护剂要烘干，盐浴介质要及时脱氧、捞渣； b. 硝盐使用温度不要过高 c. 热处理后，工件要及时清理；
钢的组织中，马氏体和下贝氏体耐磨性较好； 钢中碳化物的性质、数量、形态、分布对钢的耐磨 性有显著的影响。 （3）强度和韧性 ☆强度—衡量材料变形抗力和断裂抗力的性能指标；
例： 冷作模具：变形抗力—屈服强度，断裂抗力—抗拉 强度、抗弯强度等；
热作模具：变形抗力—高温屈服强度，断裂抗力— 抗拉强度，断裂韧性等；
1.氧化和脱碳 氧化：氧化气氛中加热（＞570℃），表面产生氧化皮 →影响淬火冷却能力和冷却均匀性。 脱碳：表面碳含量降低→淬火后硬度不足，出现“淬火 软点”，淬火层产生较大的残余应力等。
改善措施：采用盐浴炉加热；或采用保护气氛，或固体
保护剂埋箱加热（小批量、小件）。
常用保护剂：木炭，生铁，旧渗碳剂，石英砂，氧化铝 粉等。
b. 要清除材料表面氧化皮和铁锈； c. 采用保护加热，防止氧化、脱碳； d. 淬火冷却介质要定期清理和及时更换； e. 热处理操作要正确，避免工件相互接触； 5、黑色断口：高碳工具钢中由于石墨化，造成淬火硬 度不足、不均匀甚至产生裂纹，断口呈黑色。 ☆产生原因：a. 冶炼时，采用过多的Al，Si脱氧；
c. 模具上存在凹槽、丝孔、尖角等应力集中处，热处理 操作要正确；如耐火泥、石棉绳堵塞、包裹等处理；
d. 大截面、复杂形状等模具，淬火时要合理选择淬火介 质、预冷却、分级淬火或分液淬火等；
e. 模具淬火后要及时回火，高碳高合金钢淬火后要多次 回火；
☆裂纹常用检测方法：
a. 肉眼观察—裂纹多集中在应力集中处，有时淬火后有 锈斑、油污痕迹等；
2、过热和过烧 过热：加热温度过高或时间过长，造成A晶粒粗大，淬 火后组织粗大、性能显著降低的现象。 →可通过重新热 处理进行修正（如正火，细化晶粒→正常淬火+回火） 过烧：加热温度过高，导致局部晶界熔化、氧化，淬火 后性能严重恶化。 →无法修复，只能报废。
3、淬火硬度不足 ☆产生原因： a. 原材料中存在组织缺陷，如游离炭等 b. A化温度低、保温时间不足； c. 淬火冷却速度不够—出现非马氏体组织； d. 加热时产生氧化、脱碳现象； e. 回火温度过高； ☆防范措施： a. 碳素钢不易采用多次高温退火，防止石墨化； b. 严格控制淬火、回火工艺； c. 保证足够的冷却速度； d. 保护加热，防止氧化、脱碳现象；
第三章 模具材料及热处理
模具材料概述 冷作模具钢及热处理 热作模具钢及热处理 塑料模具钢及热处理 其它模具材料及热处理
第一节 模具材料概述
一、模具材料分类
二、模具材料的主要性能指标
模具材料的成分、组织、质量及性能对模具的承载 能力、使用寿命、加工精度、制造成本等有显著的影响.
1、模具材料的力学性能指标 （1）硬度和热硬性 ☆成形模具应具有足够高的硬度，才能确保使用寿命。