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模具材料  

2009-03-05 16:03:01|  分类: 材料知识 |  标签: |举报 |字号 订阅

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制造冷冲压模具的材料主要是金属,凸、凹模所使用的模具钢有碳素工具钢;低合金工具钢,中、高合金工具钢,高速工具钢;基体钢;硬质合金和钢结硬质合金等。

一、常用优选模具钢模具材料 - 胡思乱想 - 刚柔相济

1. 高速工具钢

高速钢主要钢号有W18Cr4V、W12Cr4V4Mo、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V3、W6Mo5Cr4V3、W6Mo5Cr4V5SiNbAl(B201)、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V(6W6)等。其中最常用的是W18Cr4V和含钨量较少的钼高速钢W6Mo5Cr4V2、6W6MoSCr4V。它们具有高强度、高硬度、高耐磨性、高韧性等性能,是制造高精密、高耐磨的高级模具材料,但价格较贵,因此适用于小件的冲模或用于大型冲模的嵌镶部分。由于高速钢在高温状态下能保持高的硬度和耐磨性,所以又是制造温挤、热挤等模具的极好材料。其中6W6Mo5Cr4V有更高的韧性,虽然耐磨性略差,但可用低温氮碳共渗来提高其表面硬度和耐磨性,主要用于制作易于脆断或劈裂的冷挤压或冷镦凸模,可成倍提高使用寿命,用于大规格的圆钢下料剪刃,可提高寿命数十倍。

2. 基体钢

基体钢是以高速钢成分为基体,具有高速钢正常淬火后的基本成分,碳的质量分数一般在0.5%左右,合金元素的质量分数在10%~12%范围内,故而得名。这类钢不仅具有高速钢的特点,而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢,材料成本比高速钢低。有很高的抗压强度和耐磨性,在高温条件下使用时,其红硬性很好。耐磨性比高速钢和高铬合金钢差,多用于热处理中容易开裂的冲模,经淬火、回火、低温氮碳共渗处理后,用作冷挤压凸模比高速钢寿命高。

我国试用的新钢种有65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、7Cr7Mo3V2Si(LD)、6Cr4Mo3Ni2WV(CG2)及5Cr4Mo3SiMnVAl(012A1)等,采用新钢种制造冲裁模的凸、凹模,可大大提高模具的使用寿命(见表9—16)。对其它模具来说,65Nb钢适用于加工形状复杂的有色金属的冷挤压模具和单位压力为2450MPa左右的黑色金屑冷挤压模具以及轴承、汽车、标准件行业的冷镦模等。LD钢有良好的韧性及耐磨性,可用于制造冷挤压、冷镦模。CG2和012A1钢是冷热模具兼用钢,它们主要用于冷镦用的凸、凹模,冲头,搓丝板,多工位自动冷镦机上生产螺柱用的切边模,内六角冲头等,其寿命比Crl2MoV钢大幅度提高。

3. 硬质合金和钢结硬质合金

硬质合金是以硬而难熔金属碳化物(碳化钨、碳化钛、碳化铬等)粉末为基体,以铁族金属(主要是钴)作粘结剂,混合加压成形,再经烧结而成的一种粉末冶金多相组合材料。硬质合金的种类有钨钴类(YG)、钨钴钛类(YT)、通用合金类(YW)、碳化钛基类(YN)等。冲模常采用钨钴类硬质合金(YG)制作。

硬质合金与其他模具钢比较,具有更高的硬度和耐磨性,但抗弯强度和韧性差,所以,一般都选用含钴量多、韧性大的牌号。对冲击大、工作压力大的模具,如冷挤压模可选用含钴量较高的YG20、YG25等牌号;YGl5、YG20用于冲裁模;YG6、YG8、YG11用于拉深模。用硬质合金比一般工具钢制模具寿命可高出5~100倍。

用硬质合金作模具材料,硬度和耐磨性比较理想,但韧性差,加工困难。而钢结硬质合金却可取长补短。钢结硬质合金是一种新型的模具材料,是以一种或几种碳化物(碳化钛、碳化钨)为硬质相,以合金钢(如高速钢、铬钼钢)粉末为粘结剂,经配料、混料、压制、烧结而成的粉末冶金材料。其性能介于钢与硬质合金之间。它既有高的强、韧性又可进行各种机械加工及热加工,并具有硬质合金的高硬度(经淬火、回火后可达(68~73)HRC、高耐磨性,因此,极适于制造各种模具。但由于硬质合金和钢结硬质合金价格贵,且又韧性差,因此宜用镶嵌件形式在模具中出现,以提高模具的使用寿命、节约材料、降低成本。

常用的钢结硬质合金牌号有GT35、TLW50、TLMW50、GW50和DT等。

4. 调质预硬钢

这类钢是合金结构钢,属于热作模具钢种,但由于这类钢有一定的淬透性,经过调质处理后即可用于冷作模具,因此近些年来许多冲模都用这类钢制造。既便于切削加工,又简化了热处理工艺,降低了模具成本,并提高了制造精度。这类钢可用于制造小批量的成形模,拉深模的凸、凹模,各种模具的卸料板、凸模座、凸模衬套、凹模衬套、凸模板、凹模板及垫板等。常用的预硬钢牌号有35Cr、35CrMo、40Cr、42CrMo等。

5. 火焰淬火钢   

为适应机电产品结构不断变化,更新换代迅速,制造模具方便,研究开发了火焰淬火冷作模具钢。   

火焰淬火是在刃口或需要硬度和耐磨性高的部位用氧——乙炔火焰加热至淬火温度,在空气中冷却,即可达到火焰淬火的目的。由于火焰淬火温度区域宽,所以操作方便,变形小,整个凸模或凹模均可采用分段淬硬。  

由于火焰淬火钢制造模具,各机械加工工序均在火焰淬火之前完成,材料处于低硬度下加工,故加工容易,且能保证精度。由于火焰淬火只淬刃口部分,基体硬度较低,如遇有加工遗漏,设计更改,尺寸变动,都具有重新改制加工的余地。对于多孔位的冲模或复杂型腔的零部件,刃口表面火焰淬火,型腔和孔距变形小,因此简化了制造工艺,从而降低了成本。此外,这类钢还具有良好的焊接性能,对在使用中崩刃的模具可进行焊补。 

火焰淬火钢可用于薄板冲孔模、整形模、切边模、拉深模及冷挤压模的型腔面。

我国开发的火焰淬火新型模具钢有7CrSiMnMoV(CH—1)、6CrNiMnSiMoV(GD)。与常用模具钢9Mn2V、CrWMn、Crl2MoV相比,CH—1钢的强韧性更高。是适用于火焰表面加热淬火的专用钢,表面加热后空冷淬火可获得58HRC以上的硬度和一定的淬透深度。但因其成分设计者首先考虑的是满足火焰淬火的目的,故其韧性和脱碳敏感性尚不够理想。GD钢是高强韧低

合金冷作模具钢,淬火加热温度低,区间宽,可采用油淬、风冷及火焰加热淬火。可用它代替CrWMnCrl2型、GCrl5、9SiCr、9Mn2V、6CrW2Si等材料制作各类易崩刃、易断裂模具,可不同程度提高模具寿命。

6. 真空淬火钢

真空淬火的优点是被加工工件表面无氧化和脱碳现象,并具有精力工的光泽,热处理变形极小,一般选用Crl2MoV钢及其他的基体钢进行真空淬火处理。高速工具钢不宜于真空淬火处理,淬火温度低的低合金钢,由于需经油冷淬硬,也不宜真空淬火。火焰淬火钢CH—1和GD钢均可采用真空淬火处理,其淬火温度为880~920℃可得到60HRC以上的硬度。热处理后变形小,强度、硬度及耐磨性均好。

7. 高耐磨、高强韧性钢

高铬、高速钢耐磨性高,但易脆断。为此研究了高耐磨、高韧性的冷作模具钢GM钢和ER5钢。

GM钢在成分设计时,考虑了避免产生粗大的一次碳化物,在强韧性好的基础上弥散分布细小、均匀的碳化物,使其具有最佳的二次碳化能力和磨损抗力。GM钢的硬度指标远高于基体钢和高铬工具钢,而十分接近高速钢,耐磨性高。在韧性和强度方面GM钢优于高速钢和高铬工具钢,耐磨性与强韧性得到了最佳配合。GM钢作为一种新型耐磨钢在冷作模具材料领域替代C12系列钢种,有广阔的应用前景。已在高速冲床多工位级进模、滚丝模、切边模上应用,比65Nb、Crl2MoV钢的寿命提高2~6倍以上。ER5钢在强度、韧性、耐磨性等方面均优于Crl2型钢,而且在锻造、热处理、机加工、电加工等方面无特殊要求,生产加工工艺简单可行,材料成本适中,适用于制作大型重载冷镦模、精密冷冲模以及其它冷冲、冷成型模具。

8. 热处理微变形钢

减小热处理变形,对于形状复杂,精密的模具十分重要。我国研制的Cr2Mn2SiWMoV钢,热处理变形率低于±0.004%,比正常热处理变形率±01%~±0.2%低得多。生产实践证明:在100mm的矩形凹模上,长和宽的尺寸变化为±0.01mm。

二、模具钢的分类模具材料 - 胡思乱想 - 刚柔相济

模具钢是制造模具的主要材料。按工作条件的不同,一般把模具钢分为三类,即冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。冷作模具钢用于制造冲裁模、挤压模、拉深模、冷镦模、弯曲模、成形模、剪切模、滚丝模和拉丝模等模具。钢材品种繁多,按工艺性能和承载能力可将冷作模具钢分类如表9—1所示。

常用模具钢的分类如表9—2所示。

表9—1  冷作模具钢分类

类    型

         钢      号

低淬透性

T7A、T8A、T9A、T10A、T11A、T12A、8MnSi

冷模具钢

Cr2、9Cr2、Cr06、W、GCr15、V、CrW5

低变形冷模具钢

9Mn2V、CrWMn、9 CrWMn、9Mn2、MnCrWV、SiMnMo、CrWMo

高耐磨微变形冷模具钢

Cr12、Cr12Mo1V1、Cr12MoV、Cr5Mo1V、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr6WV、Cr6W3Mo2.5V2.5

高强度高耐磨冷模具钢

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V2

高强韧冷模具钢

6W6Mo5Cr4V、6Cr4W3Mo2VN6、7Cr7Mo3V2Si、65Nb、LD、7CrSiMnMoV、6CrNiMnSiMoV、8Cr2MnWMoVS

抗冲击冷模具钢

4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si、9CrSi、60Si2Mn、5CrMnMo、5CrSiMo、5SiMnMoV

高耐磨、高韧性冷模具钢

GM、ER5

易切削精密冷模具钢

8Cr2MnWMoVS

火焰淬火冷模具钢

7CrSiMnMoV(CH—1)、6CrNiMnSiMoV(GD)

特殊用  冷模具钢

9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo4、1Cr18Ni9Ti、5Cr21Mn9Ni4W、7Mn15Cr2Al3V2WMo

1. W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2是常用的、具有代表性的高速钢、GB9943—1998所列的14种高速钢可选用。

2.此四种钢为典型耐蚀模具。

3.此三种钢为无磁模具钢。

表9—2  常用模具钢的分类

序号

模具材料名称

简 要 说 明

钢 号 举 例

1

普通碳素钢

用于不需要经过热处理加工的模具零件。或比较不精密的模具淬硬零件。

45钢

55钢

 

2

 碳素工具钢

用于简单的模具零件或产量小,精度要求不高的模具。该钢种价格便宜,但耐磨性差,淬火容易变形和开裂。

T7A、T8A、T10A、T12A

 

3

 

 低合金工具钢

低合金钢含合金元素的总质量分数不超过5%,由于多种钢种均含有Cr、W、Mo等元素,所以比较耐磨,淬火变形小,使用寿命长,是常用的中档模具钢。

CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCrl5、9CrWMn、7CrSiMnMoV(CH—1)、6CrNiMnSiMoV(GD)、6Cr3VSi5CrW2Si、

4

中合金工具钢

其合金元素的总质量分数大于5%,小于10%。由于合金元素的增加,模具钢的耐磨性、耐冲击性等进一步增加,是中上等模具钢。

Cr4W2MoV、Cr4WV、

Cr6Wv、

Cr2Mn2SiWMoV

5

高合金工具钢

其合金元素的总质量分数大于10%,由于淬火硬度高,淬透性好,淬火变形小等特点,适用于制造精密、耐磨性好的模具。

Cr12、Cr12Mo1V1、Cr12MoV、3Cr2W8、4Cr5MoSiV、9Cr6W3Mo2V

6

高速工具钢

它是比高合金工具钢更好的模具钢,但价格昂贵,用于制造高精度、高效率、高寿命的三高模具。

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Cr4V3、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V(6W6)

7

 超高强度基体钢

这类钢具有高速钢基体的淬火性质,耐磨性好,强度高,而且韧性好、价格便宜,性能略次于(某些方面)高速钢。

65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、

6Cr4Mo3Ni2WV(CG2)、

7Cr7Mo3V2Si(LD)、

8

钢结硬质合金

钢结硬质合金是用粉末冶金的方法制造的铬钼合金钢,其中钢为粘结相,WC或TiC为硬质相。它的性能介于钢与硬质合金之间,可进行淬火等热处理,因此加工硬质合金方便,而硬度比钢却高得多。

 

GT35、TLMW50、TMW50、GW50、DT

9

硬质合金

硬质合金是以难熔的金属碳化物(如碳化钨、碳化钛等)为基体,用钴或镍为粘结剂,用粉末冶金法生产的组合材料,硬质合金硬度高,耐磨性好,红硬性好,其缺点是脆性大;是高级制模材料,用于批量大的生产。

 

YG8、YG8C、YG11、YG11C、YG15、YG20、YG20C、YG25

三、常用模具钢的化学成分及用途模具材料 - 胡思乱想 - 刚柔相济

常用模具钢的牌号、化学成分及用途见表9—3。(查看表9-3  模具材料 - 胡思乱想 - 刚柔相济  )

四、硬质合金及钢结硬质合金的化学成分和力学性能模具材料 - 胡思乱想 - 刚柔相济

(1)  硬质合金的化学成分和力学性能  (表9—4)

(2)  钢结硬质合金的化学成分和力学性能  (表9—5)

(3)  超细粒度硬质合金参数  (表9—6)

表9—4  硬质合金化学成分和力学性能模具材料 - 胡思乱想 - 刚柔相济

1. 低熔点合金

长期以来冲压模具一直采用钢材制造,由于钢制冲压模具结构复杂,加工困难,制造周期长,费用高,不适用于小批量生产和新产品的试制要求。为此,发展了低熔点合金模和锌基合金模等简易模具。

低熔点合金系指熔点在300℃以下的合金,采用的元素有Bi、Sb、Cd、Sn、Zn等。对其性能的影响见表9—7,常用的低熔点合金的成分及性能见表9—8。

低熔点合金主要用于制造拉深模、成形模。用来浇固凸模在固定板上。固定凹模拼块、固定导套、浇铸卸料板的导向部分及浇铸成形模的工作部分等。

用低熔点合金浇固模具、浇固部分可以粗加工,省工时,生产周期短,并能得到准确的配合,从而提高模具质量。但对>2mm板料冲裁的卸料力大而很少采用。

表9—7  合金元素对低熔点合金性能的影响

元素名称

化学符号

HBS

冷凝膨胀率

对低熔点合金的影响

备注

 

Bi

Sn

Cd

Sb

 

Pb

Zn

 

5

20

3.32%

 

0.03%

0.95%

1.提高强度2.降低熔点3.提高流动性

1.提高伸长率2.降低熔点3.提高流动性

1.提高强度和伸长率2.降低熔点3.提高填充性

1.提高强度与硬度2.降低冲击值3.降低熔点4.提高填充性能

 

提高伸长率

来源较困难

微毒

氧画镉有毒

有毒

 

氧化铅有毒

表9—8  常用低熔点合金的成分及性能

分类

化学成分(质量分数%)

熔点

力 学 性 能

冷凝时膨胀或收缩

备 注

Bi

Sn

Sb

Pb

Zn

Al

Cd

Cu

Mg

硬度

HBS

 

强度极限

伸长率

/MPa

58

42

138

24.6

57.2

11.35%

膨胀

 

70

 

10

20

143

57

42

1

136

22.5

76

 

成形模材料

56

42

2

135

17.4

72

5%

 

成形模材料

50

13.3

26.7

10

70

9

41

 

弯管填料

44

50

6

170

25.1

95.4

收缩

成形模材料

50

12.5

25

12.5

68

 

 

48

12.77

25.63

4

9.6

65

 

 

44.7

11.3

22.6

16.1

5.3

47

 

 

锡基合金

30

70

170

 

 

42

58

139

 

 

46

52

2

152

22.5

78

收缩

成形模材料

铅基合金

13.5

86.5

245

 

 

12.5

37.5

50

178

 

 

34.9

20.1

35.5

80

 

 

用低熔点合金铸造成形模,制造周期短,成本低。适用于新产品试制和小批量、多品种生产,寿命一般在万件以下。

2. 锌基合金

锌基合金是指以锌为基体的Zn、A1、Cu三种元素加入微量Mg组成的合金。采取熔化浇铸的方式制造模具,其熔点为380℃,密度为6.7g/cm 。性能相当于低碳钢,加工性质类似青铜铸件。

(1)锌基合金的化学成分及力学性能  一般模具用锌基合金是采用 、 、 的电解铜和 按比例配制而成。使用这样高纯度的材料,对提高锌基合金的力学性能起到了良好的作用。

锌基合金的化学成分及力学性能  (表9—9)。

表9—9  锌基合金化学成分及力学性能

代号

化学成分(质量分数)

热处理规范

力 学 性 能

抗拉强度 /MPa

伸长率δ×100

硬度HB

62-1

92.12

3.42

3.56

0.04

 

268

1.6

124

62-2

91.97

3.64

3.53

0.04

铸造冷凝后,冷至250℃,再水冷,人工时效 (118℃下10h)

278

0.83

108.5

250℃硝盐炉加热1h,淬火(水温54℃)自然时效100h

267

0.88

118.3

(2)锌基合金的熔炼工艺  锌基合金的熔炼工艺有两种:直接熔炼法与中间合金熔炼法。直接熔炼法是将Zn、Cu、A1按其成分比例倒人坩锅直接进行熔炼的方法。中间合金熔炼法是先将铜、铝熔炼成中间合金,然后将锌与中间合金配制成锌合金。此方法可减少合金元素的氧化、烧损和金属熔液过热,便于控制合金化学成分、节约能源,缩短熔炼周期。

(3)模具用锌基合金特点

1) 熔点低。熔点为380℃,可用简单设备和一般技术进行熔化,浇铸温度为420~450℃可用砂型、金属型进行铸造。

2) 模具复制性好。

3) 强度接近于低碳钢。

4) 切削性能好,易于机械加工和修饰加工。

5) 铸件气孔、针孔少,且可用气焊修补。  

6) 具有独特的润滑性和耐烧结性,用锌基合金(如拉深)冲压工件表面不易出现缺陷。

7) 锌基合金可重熔再用,节约原材料,降低成本。

8) 可用经过修整的凸模作型芯直接铸出精度好的凹模。

9) 冷固时产生收缩,铸造时可将需要镶人的钢制件直接铸人。

由于锌基合金具有上述特点,使锌基合金模设计简单、制造容易,不需要专门的模具加工设备,省工、省料、节省模具的储存面积。适用于制造中、小批冲裁模、成形模、拉深模及弯曲模。作冲裁模时,凸模采用淬硬的工具钢。

锌基合金硬度低,为弥补不足可采用镀铬后再使用,可大大提高模具寿命。用锌基合金模具时要考虑坯料的种类和尺寸,在轻合金薄板拉深或成形时寿命可达万件。

3. 铝青铜   

不锈钢、耐热钢等高韧性材料成形加工时,用工具钢模具易发生烧伤和擦伤。用铝青铜模具可防止此缺陷,因为铝青铜导热性好,能得到光滑的加工面,是摩擦热积蓄少的合金。表9—10列出铸造模具的铝青铜化学成分和力学性能。

表9—10  铝青铜成分和性能

序号

化学成分(质量分数%)

抗拉强度/MPa

伸长率

/(δ×100)

硬度HB

Cu

Al

Fe

Ni

Mn

杂质

1

2

>78

>78

8.0~11.0

8.5~11.5

2.5~6.0

2.5~6.0

1.0~3.0

2.5~6.0

<3.5

<3.5

<0.5

<0.5

>490

>588

>20

>15

>120

>150

铝青铜铸造和机械加工较为困难,一般采用工具钢制作凸模,铝青铜制作凹模。铝青铜模具在对钛、钽、钼等新材料的廊形中效果较好。铝青铜模具寿命一般不超过1万次。

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