3、冷作模具材料及热处理3.1 冷作模具材料的分类及选用3.2 冷作模具材料的热处理3.3 新型冷作模具钢热处理案例教学要求、重点与难点教学要求： 1、理解冷作模具材料的主要性能要求2、掌握通常冷作模具的制造工艺路线3、理解各类冷作模具材料的热处理教学的重点冷作模具的制造工艺路线各类典型冷作模具的热处理3.1 冷作模具材料的分类及选用3.3.1 冷作模具材料的分类类型：1、模具钢 2、硬质合金 3、低熔点合金 4、高分子材料等。按模具钢的成分和性能可分为：1、高碳非合金冷作模具钢 2、高碳低合金冷作模具钢3、高耐磨冷作模具钢4、冷作模具高速钢5、特殊用途冷作模具钢按工艺性能和承载能力特征划分：v1、低淬透性冷作模具钢 v2、低变形冷作模具钢 v3、高耐磨微变形冷作模具钢v4、强度高耐磨冷作模具钢 v5、高强韧冷作模具钢v6、抗冲击冷作模具钢v7、特殊用冷作模具钢工作条件：承受较高的拉伸应力、压缩应力、冲击应力、强烈摩擦应力、疲劳应力和一定的高温作用。失效形式：磨损、脆断、弯曲、咬合、塌陷、啃伤、软化等。性能要求：具有高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、疲劳抗力、咬合抗力等能力。 3.1.2 冷作模具材料的工作条件与性能要求典型的冷作模具有：1.冲裁模 2.拉深模 3.挤压模 4.冷镦模 2.工艺性能要求 （1）可锻性 （2）可切削性 （3）可磨削性 （4）热处理工艺性 1.使用性能要求 （1）耐磨性 （2）变形抗力（3）断裂抗力（4）抗咬合性（5）韧性3.1.2.1 冷作模具材料的性能要求1、使用性能的要求（1）耐磨性耐磨性是冷作模具钢应具备的最基本性能之一。（2）变形抗力1）硬度和热硬性2）抗压屈服点3）弯曲屈服点（3）断裂抗力1）一次性脆断抗力2）疲劳断裂抗力3）裂纹断裂抗力（4）咬合抗力（5）韧性2. 工艺艺性能要求 （1）可锻性（2）易切削性（3）可磨削性（4）铸造工艺性（5）焊接性（6）热处理工艺性1）退火工艺性球化退火温度范围宽，退火硬度适中而稳定（227-247HB），形成粗片状组织倾向小。2）淬透性和淬硬性淬透性好，淬硬性高（58-62HRC）3）氧化和脱碳敏感性高温加热脱碳速度慢，抗氧化性能好，对淬火加热介质不敏感。4）过热敏感性和淬裂敏感性5）淬火温度和淬火变形三、冷作模具材料的内部冶金质量要求(一)成分偏析 (二)磷硫含量 (三)钢中夹杂物(四)碳化物不均匀性(五)疏松冷作模具的制造工艺路线通常冷作模具的制造工艺路线（1）成型一般冷作模具：锻造球化退火机加工成形淬火+回火钳工装配。（2）成形磨削及电加工冷作模具：锻造球化退火机加粗加工淬火+回火精加工钳工装配。（3）成形复杂冷作模具：锻造球化退火机加粗加工高温回火或调质机加工成形淬火+回火（精加工）钳工装配。3.1.3 典型冷作模具材料的性能分析 1.高碳非合金冷作模具钢（碳素工具钢）代表钢号： T10 、T10A 特点：回火抗力低，淬透性低，硬化层浅，承载能力低， 锻造性能好。 用途：中、小批量生产的冷冲模，冷镦模、冲剪工具(一)成分、组织特点 1. 成分：wC=0.71.7wMe=2。 2 .平衡态组织：T7A：F+PT8A：P其余钢：Fe3C+P, T12A易于析出网状碳化物。1. T10、 T10A 特点：较T7A、T8A有更高的耐磨性，淬透性较差， 淬火变形大，成本低，易于冷、热加工。(1)化学成分；(2)力学性能；(3)工艺性能；(4)使用范围。(1)化学成分（T10）图5-2 T10钢的淬火温度对强韧性的影响 图5-3 T10钢的淬火温度对淬透性的影响 淬火温度对高碳素工具钢的强韧性、淬透性的影响，如下图所示。所以，对于容易淬透的小型模具，可采用较低的淬火温(760780);对于大、中型模具，应适当提高淬火温(800850)或采用高温快速加热工艺。 (2)力学性能(3)工艺性能 锻造工艺Fe-Fe3C相图与铸、锻工艺的关系 钢钢材轧轧制或锻锻造的温度范围围，多选择选择 在单单一奥氏体组组织织范围围内。其选择选择 原则则是：始锻锻温度不得过过高，一般始锻锻温度在固相线线以下100200。终终止温度也不能过过低，终锻终锻 温度800左右。各种碳素钢钢合适的轧轧制或锻锻造温度范围围如图图所示。热处理与硬度关系合适切削加工硬度预先热处理等温球化退火碳素工具钢一般采用等温球化退火来球化碳化物，消除钢坯的锻造应力，细化组织，降低硬度，便于切削加工，同 时为淬火做好组织准备。预先热处理T10、T10A等温球化退火工艺曲线表4.6常用工具钢等温球化退火工艺规范钢 号临 界 点 /加热温度 /等温温度 /硬度 (HBS) AclAcmArlT8A730700740760650680187T10A730800700750770680700197T12A730820700750770680700207淬火及回火:钢号淬火回火 加热温度 /冷却介质硬度HRC加热温度 /保温时间 /h硬度HRCT7780800盐或碱水 溶液6264140160 160180126264 5861800820油或熔盐5961180200125660T8760770盐或碱水 溶液6365140160 160180126062 5861780790油或熔盐6062180200125660T10770790盐或碱水 溶液6365140160 160180126264 6062790810油或熔盐6162180200125961T12770790盐或碱水 溶液6365140160 160180126264 6163790810油或熔盐6162180200126062下表是常用碳素工具钢钢的淬火、回火工艺艺 (4)使用范围碳素工具钢适于制造尺寸较小、形状简单、负荷较轻、生产批量不大的冷作模具。 特点：热处理变形低，淬硬性 (6164HRC)和淬透性较好， 淬裂、变形倾向低。 组织：淬火及低温回火后M回+815AR+510MexCy 代表性钢号： MnCrWV：世界各国趋于通用的综合性能优良的代表性钢种 ，应大力推广。 CrWMn：我国沿用较广，韧性好，耐磨性好，但易于形成网 状碳化物，刃部脆断。2.高碳低合金冷作模具钢9CrWMn：美、英最普及，我国也使用，降C、Mn，高Cr、W，效果较好。 9Mn2V：西欧、捷克等普遍使用，我国引进，广为使用，美国用于小塑料模。 SiMnMo：美国列入标准，欧洲也有将其列为基本钢号，有优良的抗咬合能力和耐磨性，有普及的趋势。我国已列为推荐用钢，使用者尚不多。CrWMn钢(1)化学成分 CrWMn钢的临界点:Ac1750，Accm940，Ar1710，Ms255 。 (2)力学性能 CrWMn钢具有高淬透性，由于钨形成碳化物，所以这种钢在淬火及低温 回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性，如 图5-5图5-7所示。 图5-5 CrWMn钢力学 性能与淬火温度的关系图5-6 CrWMn钢硬度 与淬火温度的关系图5-7 CrWMn钢硬 度与回火温度的关系(3)工艺性能 锻造工艺CrWMn钢具有良好的锻造性能。退火工艺:CrWMn钢锻后需进行等温球化退火，退火温度为790830，等温温度为700720，退火后的组织比较均匀，退火后硬度为207255HBS。高碳低合金钢球化退火工艺参数钢 号加热温度T1保温 时间等温温度T2保持 时间退火硬 度 (HBS)CrWMn79081023h70072034h2419CrWMn78080023h67072023h2299Mn2V7507703h68070045h229Cr279081023h70072034h2299Cr279081023h70072034h2179SiCr79081023h70072034h2298Cr379081023h70072034h241、方案淬火温度 /冷却硬度（ HRC） 介质介质温度/延续冷却到2082084油2040至油温空冷6365820840油90140至150 200空冷6365830850熔融硝 盐或碱15016035min空冷6264淬火 方案淬火和回火工艺下表是常用油淬高碳低合金冷作模具钢推荐的淬火工艺参数 钢号Accm /Ms/淬火温度 /冷却介 质硬度HRC9Mn2V760125780800油6164CrWMn940260820840油63659CrWMn900205820840油6365MnCrWV800820油62649SiCr870160860880油6164Cr2900240840850油62659Cr2860270820850油6163GCr15900185835850油63(4)使用范围 CrWMn钢具有较好的淬透性，淬火变形小，耐磨性、热硬性、强韧性均优于碳素工具钢，是使用较为广泛的冷作模具钢。主要用于制造要求变形小，形状较复杂的轻载冲裁模(料厚2 mm)，轻载拉深、弯曲、翻边模等。 三、高耐磨微变形冷作模具钢钢种：高碳高铬钢+高碳中铬钢特点：化学成分均含有高碳+高铬或中铬，淬硬性高，耐磨性好，淬透性好，可空冷淬火，故淬火变形微小。（一）高碳高铬冷作模具钢（Cr12型钢）下表 Cr12型钢的化学成分牌 号CMnCrMoV Cr122.00 2.300.4011.5013.00Cr12MoV1.451.700.3511.0012.500.400.600.150.30Cr12Mo1V11.401.600.6011.0013.000.701.201.10（一）高碳高铬冷作模具钢（Cr12型冷作模具钢）1. 化学成分特点：含碳量高，Cr12的含碳量高达2.00%以上，Cr12MoV和Cr12Mo1V1的含碳量高达1.40%以上。含铬量高，三者的含铬量都在12%左右。2. 组织特点：莱氏体钢，大量共晶碳化物v3. 性能特点：高耐磨性 碳含量高淬硬性高，高碳高铬大量M7C3高的耐磨性。高淬透性 高铬高淬透性。200300mm油冷淬透， 40mm空冷淬透。淬火微变形性 空淬变形小。高红硬性 Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢二次硬化效应，可获高红硬性。 低韧性 大量共晶碳化物导致韧性低， 还导致力学性能各向异性。锻造工艺: 导热性能差，塑性低，变形抗力大，锻造温度范围窄，组织缺陷严重，所以其锻造性能差。碳化物严重偏析无法用热处理消除，因此，对Cr12型钢必须进行锻造来改善碳化物的不均匀性。 锻造工艺：反复三向镦粗-拉拔，“轻-重-轻”的“两轻一重” 的锻造工艺。 表6-9 Cr12MoV钢钢的锻锻造工艺艺项 目 加热温度/ 始锻温度/ 终锻温度/ 锻后冷却方式钢锭11001150 10501100 850900缓冷(坑冷或砂冷)钢坯10501100 10001050 850900缓冷(砂冷或炉冷)4. 热处理工艺：（1）预备热处理：退火（普通退火、等温球化退火） 锻后硬度550HBW左右，室温下长期停留会发生开裂。必须及时进行退 火。Cr12系钢退火时可采用普通退火，但最好采用等温球化退火。 （2）最终热处理：淬火+回火 Ms与淬火温度