模具材料及热处理.docx
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模具材料及热处理
模具材料及热处理
1．金属组织
金属
具有不透明、金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。
金属内部原子具有规律性排列的固体〔即晶体〕。
合金
由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。
相：
合金中成份、结构、性能相同的组成局部。
固溶体
是一个〔或几个〕组元的原子〔化合物〕溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。
固溶强化
由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，使固溶体硬度和强度升高，这种现象叫固溶强化现象。
化合物
合金组元间发生化合作用，生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构。
机械混合物
由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。
2．金属硬度
硬度
金属的硬度，是指金属外表局部体积内抵抗外物压入而引起的塑性变形的抗力，硬度越高说明金属抵抗塑性变形的能力越强，金属产生塑性变形越困难。
硬度试验方法简单易行，又无损于零件。
实际常使用的硬度试验方法有：
布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。
三种硬度试验值有大致的换算关系，见表一。
布氏硬度HB：
布氏硬度是用载荷为P的力把直接D的钢球压入金属外表，并保持一定的时间，测量金属外表上的压痕直径d，据此计算出的压痕面积AB，求出每单位面积所受力，用作金属的硬度值，叫布氏硬度，记作HB。
布氏硬度的使用上限是HB450，适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。
洛氏硬度HRA、HRC：
洛氏硬度是工业生产中最常用的硬度测量的方法，因为操作简便、迅速，可以直接读出硬度值，不损伤工件外表，可测量的硬度范围较宽。
但洛氏硬度也有一些缺点，如因压痕小，对材料有偏析及组织不均匀的情况，测量结果别离度大，再现性较差。
洛氏硬度（HR）也是用压痕的方式试验硬度。
它是用测量凹陷深度来表示硬度值。
洛氏硬度试验用的压头分硬质和软质两种。
硬质压头为顶角为120º的金刚石圆锥体，使用于淬火钢等硬的材料。
HRA硬度有效范围是>70，适用于硬质合金、外表淬火层及渗碳层;HRC硬度有效范围是20-68（相当于HB230-700,HB450-700超出了布氏硬度的使用上限），适用于淬火钢及调质钢。
洛氏硬度HRB
洛氏硬度HRB的测量采用直径（1/16"）的钢球，适用于退火钢、有色金属等，硬度有效范围是25-100〔相当于HB60-230）。
维氏硬度HV
维氏硬度也是利用压痕面积上单位应力作为硬度值计量。
维氏硬度所使用的压头是锥面夹角为136º的金刚石四方锥体。
试验时，在载荷P的作用下，在试样试验面上压出一个正方形压痕。
测量压痕两对角线的平均长度d，借以计算压痕面积AV，以P/AV的数值表示试样的硬度，以HV表示。
维氏硬度的优缺点：
维氏硬度有一个连续一致的标度；试验负荷可任意选择，所得的硬度值相同。
试验时加载的压力小，压入深度浅，对工件损伤小。
特别适用于测量零件的外表淬硬层及经过外表化学处理的硬度，精度比布氏、洛氏硬度精确。
但是维氏硬度的试验操作较麻烦，一般在生产上很少使用，多用于实验室及科研方面。
硬度值对照表：
硬度值对照表
布氏硬度
HB
洛氏硬度
HRC
维氏硬度
HV
布氏硬度
HB
洛氏硬度
HRC
维氏硬度
HV
940
415
440
920
401
425
900
388
410
767
880
375
396
757
860
363
383
745
840
352
372
733
920
341
360
722
900
331
350
710
780
321
339
698
760
311
328
684
740
302
319
682
737
293
309
670
720
285
301
656
700
277
292
653
697
269
284
647
690
262
276
638
680
255
269
630
670
248
261
627
667
241
253
620
660
235
247
601
640
229
241
578
615
223
234
607
217
228
555
591
212
222
579
207
218
534
569
201
212
553
197
207
514
547
192
202
539
187
296
530
183
192
495
528
179
188
516
174
183
477
508
170
178
495
167
175
461
491
163
171
474
156
163
444
472
149
156
429
455
143
150
3．金属材料机械性能〔或称为力学性能〕
金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。
外加载荷性质不同〔例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等〕，对金属材料要求的机械性能也将不同。
常用的机械性能包括：
强度、塑性、弹性、刚度、硬度、冲击韧性、屡次冲击抗力和疲劳极限等。
下面将分别讨论各种机械性能。
强度
强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏〔过量塑性变形或断裂〕的性能。
由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。
各种强度间常有一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最根本的强度指针。
塑性
塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形〔永久变形〕而不破坏的能力。
疲劳
前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指针。
实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。
冲击韧性
以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。
弹性
金属材料在外力作用下产生不永久变形的能力称为弹性。
刚度
刚度是指金属材料抵抗弹性变形的能力。
在工程应用中绝大多数零件都在弹性状态下工作，工作过程中不允许有过多的弹性变形。
因此，对材料的刚度都有一定的要求。
4．钢的分类
钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。
钢是经济建设中极为重要的金属材料。
按化学成分，分为碳素钢〔简称碳钢〕与合金钢两大类。
碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。
碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。
因此，碳钢获得了广泛的应用。
但随着现代工业与科学技术的迅速开展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。
合金钢是在碳钢根底上，有目的地参加某些元素〔称为合金元素〕而得到的多元合金。
与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。
由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。
按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类：
按用途分类
按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。
结构钢
用作各种机器零件的钢，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。
用作工程结构的钢，包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。
工具钢
用来制造各种工具的钢。
根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。
特殊性能钢
是具有特殊物理化学性能的钢。
可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。
按化学成分分类
按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。
碳素钢
按含碳量又可分为低碳钢〔含碳量≤0.25%〕；中碳钢〔0.25%＜含碳量＜0.6%〕；高碳钢〔含碳量≥0.6%〕。
合金钢
按合金元素含量又可分为低合金钢〔合金元素总含量≤5%〕；中合金钢〔合金元素总含量5%--10%〕；高合金钢〔合金元素总含量＞10%〕。
此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。
按质量分类
按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢〔含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%〕；优质钢〔磷、硫含量均≤0.040%〕；高级优质钢〔含磷量≤0.035%、含硫量≤0.030%〕。
按冶炼炉的种类
将钢分为平炉钢〔酸性平炉、碱性平炉〕，空气转炉钢〔酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢〕与电炉钢。
按冶炼时脱氧程度
将钢分为沸腾钢〔脱氧不完全〕，镇静钢〔脱氧比拟完全〕及半镇静钢。
钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。
如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。
5.模具零件及其材料
模具由模架和模芯及相关配件组成，模架和配件由专业的厂家按常用的系列规格做好供选择，模具工厂一般只做模芯加工和装配。
模具的各种不同主要是在模芯，针对不同形状的产品，模具设计人员把模芯设计成各种形式，如：
点进料、直进料、潜进料、滑块、抽芯、直顶出、推板顶出、二次顶出、热流道、气体辅助等，其目的是为了能按产品设计要求成型和方便完整地脱出模具，同时也要考虑到模芯在加工时的易加工性及模具使用的寿命。
模具各局部用的钢材各有不同，模架一般用中碳钢45#或50#，配件用高碳钢加热处理，模芯的钢材用成分较复杂的合金钢，有预硬钢和热处理钢及镜面钢等，其不同的国家用的牌号各不相同，如：
NAK80、718、SKD61〔日本〕P20、H13、〔美国〕2344、2738〔德国〕S136、8407〔瑞士〕等。
现在通常说模具质量的好坏，主要区别在模芯的加工精密程度和模具的反复使用寿命，这又很大程度上依靠精密的加工设备和合理的模具结构设计，当然模具的制造周期也是一个很重要的考虑因素，模具制造的周期因模芯的复杂性由30天到90天不等〔在中国〕，欧洲有的要120天到180天。
德国在模具上现有的优势在设备精密、钢材的优良，缺乏是劳动力本钱高，制造周期长，中国的优势在劳动力本钱低，制造周期短，缺乏是设备不够精良，加工精密度相对较低。
模具标准件材料
模具标准件材料主要有SKD61、SKD61-F、CH13、SKS3、SKH51、FDAC、SUJ2〔以上均为日本JIS标准〕
模具成型件材料
NAK80、718、SKD61〔日本〕P20、H13、〔美国〕2344、2738〔德国〕S136、8407〔瑞士〕等。
6．国内外模具钢材生产情况
国产模具钢材介绍：
国产塑料模具钢
类别\牌号
中国
美国
日本
瑞典
德国
用途
塑料模具钢
B30
2738
用于制造生产批量小，模具载面积不大，尺寸精度及外表粗糙度要求不高的塑料成形模具或模架
B20
50
1050
S50C
C50
45
1045
S48C
C45
45
1045
S45C
C45
B610SM1
40Cr
G51400
SCr440
高级镜面模具钢
3-4Cr13
420
S-136
2083
用于制造PVC等腐蚀性较强的塑料模具，透明塑胶及抛光性要求较高的塑料膜。
3Cr2Mo
P20
40CrMo74
钢的纯度高，具有良好的切削加工性能，制成工模具精度高，永不变形。
较高的强韧性，适合做大型复杂模具。
P4410
P20tNi
PDS5S
718
2738
国产冷作模具钢
类别\牌号
中国
美国
日本
瑞典
德国
用途
冷作模具钢
T7A-T12A
W1-7W1
SK7-SK2
C70W1C125W
形状简单小型工模具，可选用此材，可保证高强度，耐磨性，足够的韧性及耐用性。
GCr15
E52100
SUJ2
SKF3
100cr6
60si2Mn
SUP6
60si7
16Mn
电机轴
CrWMn
SKS31
105WCr6
下料模、冲头、成形模、搓丝板顶出杆及小型塑料压模等。
Cr12
D3
SKD1
X210Cr12
应用于小动载条件下要求高耐磨形状简单的拉伸和冲载模。
Cr12MoV
X165CrMov12
下料模、冲头、滚丝轮、剪刀片、冷镦模、陶土模及热固塑料成形模等。
Cr12Mo1V1
D2
SKD11
XW-42
X155CrVMo121
重型落料模、冷挤压模、深拉伸模、滚丝模、剪刀片、冷镦模、陶土模等。
国产热作模具钢
类别\牌号
中国
美国
日本
瑞典
德国
用途
热作模具钢
5CrMnMo
用于制造形状简单，厚度小于250毫米的小型锤锻模。
5CrNiMo
L6
用于制造商形状简单，工作温度一般，厚度在250～350毫米之间的中型热锤锻模块。
5CrNiMoV
SKT4
56CrNiMoV7
用于制造厚度＞350毫米，型腔复杂，受力载荷较大的大型锤锻模或锻造压力机热锻模。
4Cr5MoSiV1
H13
SKD61
8407
X40CrMoV51
用于制造冲击载荷较大，型腔复杂的长寿命锤锻模或锻造压力机用模具或镶块；以及铝合金挤压模，铝镁锌等金属长寿命压铸模具，局部高寿命高耐磨塑料模具。
5Cr2NiMovSi
用于锻锤模具钢具有良好的韧性，强度和耐磨性，淬透性，适用于制作工作。
大面积复杂形状，承受冲击负荷重的大、中型，锤锻模用材，5CrNiMo。
5CrMnMo、H13等热模钢1.5倍～2.5倍。
55NiCrMoV6
2713钢
45Cr2NiMoVSi
局部进口钢材介绍：
HITACHI
钢材
[YSS]
日立金属所出产之安来钢YSS，是同精选之高纯度的“真砂铁矿砂〞通过自创的“低温复原法〞精练，成功创出YSS海棉铁作为原铁，令钢中杂质含量减到极少。
并使用高质电熔炉及精密仪器提练，所有练制步骤〔如热作、冷作、热处理〕均经严格控制。
高质量之水平可在钢材身上反映出来。
我们并能为顾客生产特别要求之钢材，我们之品质保证系统及技术支援效劳使YSS钢材在世界不同市场上赢取到极高之信誉。
[各项同性]
我们称这新技术研究成果为“各向同性〞钢材。
“各向同性〞工具钢和可塑性钢之名称是因其能减少纵向锻炼间之机械性能差异，使其质量更普通钢材。
其所制造之产品，均能到达更稳定之机械特性及更长之使用寿命。
故此，这种新钢材已得到曾经使用过之客户极高评价。
HPM7新型预硬P20塑料模钢
出厂硬度
特征
用途
预硬处理HB300-330
切削性、焊接性优越钢材；洁净度高，具有良好的镜面精加工性能；严格挑选化学成分，经新技术特别提炼后，能提高钢材本质延伸性、韧性、及溶接性、不易爆裂；大尺寸模具中心部位也同样有相对硬度。
因设计变硬，而需要焊接频繁模具；汽车部件如尾灯、表盘；家电如电视机体、空调机壳和等；其它：
大型日用品、胶卷、容器、导管等。
HPM50卓越外表质量P21塑料模具钢
出厂硬度
特征
用途
预硬处理HBC36-41
最适用于镜面抛光加工的预硬化钢；放电加工特性佳：
经处理后的外表非常好，可取代蚀花加工、在进行放电〔电火花〕加工后，外表硬度不会增加，可简化其后的加工工序；组织均匀，最适用于精密蚀花加工；焊接性佳，外表不会硬化；韧性优良，机械特性卓越。
镜面抛光模具：
防尘盖、电视机滤光板、化装品盒、家电等；精密皱纹加工模具：
办公室自动化设备、汽车零件等。
HPM38高优质镜面塑料模具钢（420ESR）
出厂硬度
特征
用途
预硬处理HB300-330
镜面抛光特性极佳；耐腐蚀性优良的电渣重熔13铬钼不锈钢，不需镀铬；热处理变形极少，是精密模具最正确选择；防锈性高，不需担忧模具保管问题；热处理硬度可达HRC50-56。
适用于透明、热固和耐热树脂用模具：
如化装品盒、雷射碟片、卡式录音带盒、各种镜片、医疗设备、家电、食品容器等。
DAC特种热压合金模钢（SKD61）
出厂硬度
特征
用途
处理退火至约HB185
用途广泛的通用热加工用工具钢。
可抵受溶铝、镁、锌之腐蚀作用及热度之急剧变动。
适宜制造铝、镁、锌合金压铸模热或热冲铸工作及热铰刀、轧刀、铰刀、切槽刀、剪刀及热锻冲头等。
SLD高耐磨冷作工具铬钢（SLD11）
出厂硬度
特征
用途
软性退火至约HB210
高耐磨性的通用冷作模具钢；淬火性佳，热处理变形少。
此钢易于车削，并宜制锋利刀口、剪刀、圆锯、冷或热作修整模、滚筒边、螺丝纹、线模、铣刀、冲唧模。
圆形滚筒，制电力变压器心衡模、切割钢皮轧刀、钢管成型滚筒、特殊成型滚筒、精密规、形状繁杂的冷压工具、心轴、冶金、锡作模、塑料模、螺钉头模等。
SGT不变形耐磨油钢（SKS3）
出厂硬度
特征
用途
软性退火至约HB190
切削性优异的通用冷模。
注意大型加工品的淬火唧钢丝电火花加工。
此钢热处理后，具有不变形之特性，适宜制造精密工具、精密仪器、精密测定工具，并宜制造铰刀、铣刀、滚筒，冷作拉线模、样板样模、冲孔器、冷作切器、剪刀、木用工具、螺丝模、手盘、各种冲模等。
ACD37冷加工用工具钢
出厂硬度
特征
用途
软性退火至约HB190-220
气冷、真空淬火钢。
改善了SGT的淬火性及钢丝电火花加工件。
此钢热处理后，变形度极低，适宜制造高精密工具、仪器、摩打、各种刀具、板金用模、样板等。
CENAI抗腐蚀性及易切削性塑料模具钢（P21）
出厂硬度
特征
用途
预硬处理HRC40
解决了模具腐蚀问题；预硬度高达40HRC的易切削性模具钢；具有极优良抛光，蚀纹及放电加工特性。
重视镜面，蚀纹加工性、放电加工性的模具钢、办公室自动化电器用品、通信机器用品、家庭电器用品、汽车用品、化装品盒、重视长寿命的泛用模具钢、食品容器、橡胶模具。
FDAC快削预硬压铸合金模钢（SLD61）
出厂硬度
特征
用途
预硬处理HRC38-42
出厂硬度高达HRC40，在加工模后且不用热处理可直接生产，增加含硫量令切削性更佳。
塑料模插压销，特别交货期极短的压铸零件模具。
一胜百钢材
一胜百之瑞典工厂生产的钢材以其质量享誉全球，718模具钢几乎成了塑料模具最常用的型腔材料，最新生产的HOTVAR热作钢在HRC54-56时能适合在650摄氏度工作。
钢材编号
标准
出厂
硬度
钢材特性
主要成份
一般用途
C
Cr
Ni
W
Mo
V
Mn
Si
S
718
P20改进型
HB190-330
预加硬纯洁均匀，含Ni约1.0%
-
-
-
高抛光度及高要求内模件
，适合PA、POM、PS、PE、PP、
ABS塑料
718H
S136
420ESR
HB<215
高纯度，高镜面度，抛光性能好、抗锈防酸能力极佳，热处理变形少
-
-
-
-
镜面模及防酸性高，可保证冷却管道不受锈蚀，适合PVC、PP、EP、PC、PMMA塑料，食品工业机械构件
S136H
HRC31-35
618
P20改进型
HB280-320
真空除气制炼之合金钢，纯度高，金相结构均匀，抛光容易
-
-
-
-
有好的机械强度和可机加工性预硬钢，用于冷作钢支承板与支撑物，塑料模架以及要求不高的型腔和型芯。
8407
H13改进型
HB<180
性能优越的热作钢。
优秀的韧性和抗龟裂
-
-
-
适宜作压铸模和其他热作模
具。
另外，是多用途的有很好的抗磨损性，可抛光性和成型性的模具钢。
DF-2
2510
HB<190
冷作钢
-
-
-
-
多用途冷作钢，适宜作冲头和凹模。
日本大同优质钢材
DAIDO
大同
JIS
日本
GB/YB
中国
DIN
德国
ALSL
美国
主要用途
塑
料
模
具
钢
PXZ
——
——
——
——
通用大型蚀花模具。
汽车保险杠。
仪外表板。
家电外壳。
浴槽
PX4
——
——
——
P20
量产用大型镜面模具。
汽车尾灯。
镜壳。
前挡板。
透明胶片等
PX5
——
——
——
P20
NAK55
——
——
——
——
高精度镜面模具。
。
摄相机。
音响。
化装容器。
透明罩。
透明胶片等
NAK80
——
——
——
——
S-STAR
SUS420J2
3CR13
X40CR13
420
超镜面抗蚀精密模具。
照相机部件。
激光唱片。
表壳
G-STAR
——
——
X36CRMO17
——
耐蚀模胚用
冷
作
模
具
钢
YX30
SKS93
——
——
02
冲压模。
量规。
裁纸刀。
辅助工具。
拉模。
穿孔冲头
GOA
SKS3
9CRWMN
——
01
DC11
SKD11
CR12MOV
X165CRMOV12
D2
冲压模。
冷作成型模。
冷拉模。
成型扎轮。
冲头
DC53
SKDII
———
——
D2
热
作
模
具
钢
DHA1
SKD61
4CR5MOSIV1
X40CRMOV51
H13
压铸模。
压铸模关连部件。
热挤压模。
热剪切刀片
DH21
——
——
——
—
长寿命压铸模
DH31-S
——
——
——
—
大型压铸模
DH2F
——
——
——
—
压铸模。
塑料模
DH42
——
——
——
—
钢合金压铸模。
铜热挤压模
GFA
SKT4
5CRNIMO
55NICRMOV6
L6
煅造模。
挤压工具。
煅锤。
剪切刀片
高
速
工
具
钢
MH51
SKH51
W6MO5CR4V2
S-6-5-2
M2
钻头。
绞刀。
丝锥。
冲头
MH55
SKH55
W6MO5CR4V2CO5
S-6-5-2-5
M36
滚刀。
拉刀。
端铣刀
MH8
SKH57
——
——
——
难切削用车刀。
端铣刀
DEX20
——
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冲压模。
模具部件。
刀具。
钻头。
丝锥。
切齿工具
DEX40
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拉刀。
端铣刀。
切齿工具。
各种刀具。
模具部件。
冷扎轮
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