模具材料及热处理

模具材料及热处理

1．金属组织

1.1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）。 1.2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、性能相同的组成部分。 1.3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。 1.4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。 1.5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。 1.6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

2.1硬度

金属的硬度，是指金属表面局部体积内抵抗外物压入而引起的塑性变形的抗力，硬度越高表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的钢球压入金属表面，并保持一定的时间，测量金属表面上的压痕直径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。 2.1.1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，不损伤工件表面，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，测量结果分离度大，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、表面淬火层及渗碳层;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。 2.1.2洛氏硬度HRB

洛氏硬度HRB的测量采用直径1.588mm(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)。 2.1.3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表面淬硬层及经过表面化学处理的硬度，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。

2.1.4硬度值对照表：

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硬度值对照表

布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 HB HRC HV HB HRC HV 68.0 940 415 44.5 440 67.5 920 401 43.1 425 67.0 900 388 41.8 410 767 66.4 880 375 40.4 396 757 65.9 860 363 39.1 383 745 65.3 840 352 37.9 372 733 64.7 920 341 36.6 360 722 64.0 900 331 35.5 350 710 63.3 780 321 34.3 339 698 62.5 760 311 33.1 328 684 61.8 740 302 32.1 319 682 61.7 737 293 30.9 309 670 61.0 720 285 29.9 301 656 60.1 700 277 28.8 292 653 60.0 697 269 27.6 284 647 59.7 690 262 26.6 276 638 59.2 680 255 25.4 269 630 58.8 670 248 24.2 261 627 58.7 667 241 22.8 253 620 58.3 660 235 21.7 247 601 57.3 640 229 20.5 241 578 56.0 615 223 234 55.6 607 217 228 555 54.7 591 212 222 54.0 579 207 218 534 53.5 569 201 212 52.5 553 197 207 514 52.1 547 192 202 51.6 539 187 296 51.1 530 183 192 495 51.0 528 179 188 50.3 516 174 183 477 49.6 508 170 178 48.8 495 167 175 461 48.5 491 163 171 47.2 474 156 163 444 47.1 472 149 156 429 45.7 455 143 150 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、

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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、多次冲击抗力和疲劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。 3.1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基本的强度指针。 3.2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。 3.3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。 3.4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。 3.5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发展，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。合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些元素（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： 4.1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。 4.1.1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。 4.1.2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。 4.1.3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。 4.2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。 4.2.1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。 4.3按质量分类

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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%）。 4.4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。

4.5按冶炼时脱氧程度

将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）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。

模具各部分用的钢材各有不同，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，不足是劳动力成本高，制造周期长，中国的优势在劳动力成本低，制造周期短，不足是设备不够精良，加工精密度相对较低。 5.1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） 5.2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

6.1国产模具钢材介绍：

国产塑料模具钢

类别\\牌号 中国 B30 B20 50 塑料模具钢 45 45 B610SM1 40Cr 3-4Cr13 高级镜面模具钢 3Cr2Mo P4410

P20 P20tNi PDS5S 718 美国 1050 1045 1045 日本 S50C S48C S45C 瑞典 S-136 德国 2738 C50 C45 C45 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。 用于制造生产批量小，模具载面积不大，尺寸精度及表面粗糙度要求不高的塑料成形模具或模架 用途 G51400 SCr440 420 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2738 4

不变形。较高的强韧性，适合做大型复杂模具。