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1、5 1 模 具 材 料 的 分 類 5 1 1 冷 作 模 具 材 料 5 1 4 其 他 模 具 材 料5 2 模 具 材 料 的 性 能 要 求 5 2 1 使 用 性 能 5 2 2 模 具 鋼 力 學(xué) 性 能 指 標(biāo) 的 評(píng) 述5 2 3 工 藝 性 能 5 3 模 具 材 料 的 選 用 原 則 5 3 1 滿 足 使 用 性 能 要 求 5 3 2 滿 足 工 藝 性 能 要 求 5 3 3 滿 足 經(jīng) 濟(jì) 性 要 求第 5章 模 具 材 料 概 述 5.1 模 具 材 料 的 分 類 5.1.1 冷 作 模 具 材 料1.火 焰 淬 火 鋼 2.基 體 鋼 3.高 韌 性 低 合

2、 金 冷 作 模 具 鋼 4.高 碳 中 鉻 耐 磨 模 具 鋼5.1.2 熱 作 模 具 材 料 5.1.3 塑 料 模 具 材 料 1.預(yù) 硬 鋼 2.時(shí) 效 硬 化 鋼 3.冷 擠 壓 成 型 塑 料 模 具 鋼 5.1.4 其 他 模 具 材 料 在 三 大 類 模 具 材 料 之 外 ， 還 有 鑄 造 模 具 鋼 、 有 色 合 金 模 具 材 料 、 玻 璃 模具 材 料 等 。 5.2 模 具 材 料 的 性 能 要 求 冷 沖 壓 模 具 要 求 其 材 料 具 有 高 的 強(qiáng) 度 ， 良 好的 塑 性 和 韌 性 ， 高 的 硬 度 及 耐 磨 性 ; 冷 擠 壓 模 具

3、要 求 其 材 料 具 有 高 強(qiáng) 度 、 高 韌 性、 高 淬 透 性 以 及 良 好 的 耐 磨 性 、 熱 穩(wěn) 定 性 和 切 削加 工 性 ; 熱 作 模 具 用 鋼 要 求 在 工 作 溫 度 下 保 持 高 的 強(qiáng)度 和 韌 性 、 良 好 的 抗 腐 蝕 性 、 熱 穩(wěn) 定 性 和 優(yōu) 良 的熱 疲 勞 抗 力 。 5.2.1 使 用 性 能 對(duì) 各 類 模 具 鋼 提 出 的 性 能 要 求 主 要 包 括 硬 度 、 強(qiáng) 度 和 韌 性 等 。 1.硬 度 硬 度 表 示 了 鋼 對(duì) 變 形 和 接 觸 應(yīng) 力 的 抗 力 ， 而 且 是 很 容 易 測(cè) 定 的 一 種 性能

4、 ， 同 時(shí) 硬 度 與 強(qiáng) 度 也 有 一 定 關(guān) 系 ， 可 通 過(guò) 二 者 的 換 算 關(guān) 系 得 到 材 料 硬度 值 。 可 按 硬 度 范 圍 劃 定 模 具 類 別 ， 如 高 硬 度 （ 52 60HRC） ， 一 般 用于 冷 作 模 具 ;中 等 硬 度 （ 40 52HRC） ， 一 般 用 于 熱 作 模 具 。 圖 5-1 硬 度 對(duì) 三 種 冷 作 模 具 鋼 抗 壓 屈 服 強(qiáng) 度 的 影 響 1-W6Mo5Cr4V2鋼 ;2-Cr12MoV鋼 ;3-Cr5Mo1V鋼 2.強(qiáng) 度 強(qiáng) 度 是 指 鋼 在 服 役 過(guò) 程 中 ， 抵 抗 變 形 和 斷 裂 的 能

5、力 。 對(duì)于 模 具 來(lái) 說(shuō) 則 是 整 個(gè) 型 面 或 各 個(gè) 部 位 在 服 役 過(guò) 程 中 抵 抗 拉 伸力 、 壓 縮 力 、 彎 曲 力 、 扭 轉(zhuǎn) 力 或 綜 合 力 的 能 力 。 3.韌 性 在 工 作 過(guò) 程 中 ， 模 具 承 受 著 沖 擊 載 荷 ， 為 了 減 少 在 使 用過(guò) 程 中 的 折 斷 、 崩 刃 等 形 式 的 損 壞 ， 要 求 模 具 鋼 具 有 一 定 的韌 性 。 韌 性 是 模 具 鋼 的 一 種 重 要 性 能 指 標(biāo) ， 它 決 定 了 材 料 在沖 擊 試 驗(yàn) 力 作 用 下 對(duì) 破 裂 的 抗 斷 能 力 。 材 料 的 韌 性 越 高

6、 ， 脆斷 的 危 險(xiǎn) 性 越 小 ， 熱 疲 勞 強(qiáng) 度 也 越 高 。 對(duì) 于 衡 量 模 具 脆 斷 傾向 ， 沖 擊 韌 度 試 驗(yàn) 具 有 重 要 意 義 。 4.耐 磨 性 模 具 在 工 作 中 承 受 相 當(dāng) 大 的 壓 應(yīng) 力 和 摩 擦 力 ， 要 求 模 具 能 夠 在 強(qiáng) 烈 摩 擦 下 仍保 持 其 尺 寸 精 度 。 圖 5-2所 示 為 用 不 同 鋼 種 制 作 的 標(biāo) 準(zhǔn) 沖 孔 模 對(duì) 冷 軋 硅 鋼 片 進(jìn) 行 沖 孔 的 試 驗(yàn) 結(jié)果 ， 可 反 映 各 鋼 種 的 耐 磨 水 平 ;試 驗(yàn) 以 Cr12MoV鋼 為 基 準(zhǔn) （ =1.0） 。 圖 5-

7、3所 示是 標(biāo) 準(zhǔn) 模 具 進(jìn) 行 耐 磨 性 試 驗(yàn) 的 結(jié) 果 ， 較 好 地 反 映 了 工 模 具 鋼 在 磨 粒 磨 損 條 件 下 的耐 磨 性 。 圖 5-2 五 種 模 具 鋼 模 擬 沖 裁 試 驗(yàn) 其 耐 磨 性 圖 5-3 工 模 具 鋼 的 磨 粒 磨 損 抗 力 1-高 碳 高 釩 高 速 鋼 ;2-高 碳 高 釩 鋼 ;3-低 合 金 模 具 鋼 及 碳 素 工 具 鋼 5.抗 熱 疲 勞 性 能 熱 作 模 具 鋼 在 服 役 條 件 下 除 了 承 受 載 荷 的 周 期 性 變 化 之 外 ， 還 受 到 高 溫 及周 期 性 的 急 冷 急 熱 的 作 用

8、， 抗 熱 疲 勞 性 能 反 映 材 料 在 熱 疲 勞 裂 紋 萌 生 之 前 的 工 作壽 命 。 因 此 ， 熱 作 模 具 如 要 獲 得 高 的 壽 命 ， 模 具 材 料 應(yīng) 具 備 高 的 抗 熱 疲 勞 性 能 、低 的 裂 紋 擴(kuò) 展 速 率 和 高 的 斷 裂 韌 性 值 。 6.咬 合 抗 力 咬 合 抗 力 實(shí) 際 上 就 是 發(fā) 生 “ 冷 焊 ” 時(shí) 的 抵 抗 力 。 該 性 能 對(duì) 于 模 具 材 料 較 重要 。 試 驗(yàn) 時(shí) 通 常 在 干 摩 擦 條 件 下 ， 把 被 試 驗(yàn) 的 工 具 鋼 試 樣 與 具 有 咬 合 傾 向 的 材 料（ 如 奧 氏

9、體 鋼 ） 進(jìn) 行 恒 速 對(duì) 偶 摩 擦 運(yùn) 動(dòng) ， 以 一 定 的 速 度 逐 漸 增 大 載 荷 ， 此 時(shí) ， 轉(zhuǎn)矩 也 相 應(yīng) 增 大 ， 該 載 荷 稱 為 “ 咬 合 臨 界 載 荷 ” ， 咬 合 臨 界 載 荷 愈 高 ， 標(biāo) 志 著 咬 合抗 力 愈 強(qiáng) 。 7.耐 蝕 性 金 屬 材 料 在 腐 蝕 性 介 質(zhì) 中 所 具 有 的 抵 抗 介 質(zhì) 侵 蝕 的 能 力 ， 稱 為 金 屬 的 耐 蝕性 。 提 高 模 具 材 料 的 耐 蝕 性 ， 通 常 采 用 合 金 化 方 法 獲 得 一 系 列 耐 蝕 合 金 ， 主 要包 括 : （ 1） 提 高 金 屬 或 合

10、 金 的 熱 力 學(xué) 穩(wěn) 定 性 （ 2） 加 入 易 鈍 化 合 金 元 素 （ 3） 加 入 能 促 使 合 金 表 面 生 成 致 密 腐 蝕 產(chǎn) 物 保 護(hù) 膜 的 合 金 元 素 不 同 的 服 役 條 件 對(duì) 模 具 材 料 主 要 力 學(xué) 性 能 要 求 不 同對(duì) 熱 作 模 具 鋼 要 考 慮 其 抗 熱 疲 勞 性 能 ;對(duì) 壓 鑄 模 具 應(yīng) 考 慮 其 耐 融 熔 金 屬 的 沖 蝕 性 能 ;對(duì) 于 高 溫 下 工 作 的 熱 作 模 具 應(yīng) 考 慮 其 在 工 作 溫 度 下 的 抗 氧 化性 能 ;對(duì) 于 在 腐 蝕 介 質(zhì) 中 工 作 的 模 具 ， 應(yīng) 注 意

11、其 耐 蝕 性 ;對(duì) 高 載 荷 下 工 作 的 模 具 應(yīng) 該 考 慮 其 抗 壓 強(qiáng) 度 、 抗 拉 強(qiáng) 度 、 抗彎 強(qiáng) 度 、 疲 勞 強(qiáng) 度 及 斷 裂 韌 度 等 。 5.2.2 工 藝 性 能 在 模 具 生 產(chǎn) 成 本 中 ， 材 料 費(fèi) 用 一 般 占 10% 20%， 而機(jī) 械 加 工 、 熱 處 理 、 裝 配 和 管 理 費(fèi) 用 占 80%以 上 。 所 以 模 具 材 料 的 工 藝 性 能 是 影 響 模 具 的 生 產(chǎn) 成 本 和 制造 難 易 程 度 的 主 要 因 素 之 一 。 改 善 模 具 的 工 藝 性 能 ， 不 僅可 以 使 模 具 生 產(chǎn) 工 藝

12、 簡(jiǎn) 單 、 易 于 制 造 ， 而 且 可 以 有 效 地 降低 模 具 的 制 造 費(fèi) 用 。 模 具 材 料 的 工 藝 性 能 主 要 包 括 可 加 工 性 ， 淬 透 性 和 淬硬 性 ， 淬 火 溫 度 和 熱 處 理 變 形 ， 氧 化 、 脫 碳 敏 感 性 及 其 他因 素 。 1.可 加 工 性 （ 1） 可 加 工 性 概 述 模 具 的 可 加 工 性 包 括 ：熱 加 工 性 能 （ 熱 塑 性 、 加 工 溫 度 范 圍 等 ） ；冷 加 工 性 能 （ 切 削 、 磨 削 、 拋 光 、 冷 拔 等 ） ； 特 種 加 工 （ 如 電 火 花 加 工 ） 。 粉

13、末冶金焊接塑性成形鑄造 毛 坯預(yù) 先 熱 處 理 模 具 零 件切 削 加 工最 終 熱 處 理 模 具 零 件 的 加 工 工 藝 路 線 2.淬 透 性 和 淬 硬 性 淬 透 性 主 要 取 決 于 鋼 的 化 學(xué) 成 分 和 淬 火 前 的 原 始組 織 狀 態(tài) ; 淬 硬 性 則 主 要 取 決 于 鋼 中 的 碳 含 量 。 對(duì) 于 大 部 分 的 冷 作 模 具 鋼 ， 淬 硬 性 往 往 是 主 要 的考 慮 因 素 。 對(duì) 于 熱 作 模 具 鋼 和 塑 料 模 具 鋼 ， 一 般 模 具 尺 寸 較大 ， 尤 其 是 制 造 大 型 模 具 ， 其 淬 透 性 更 為 重

14、要 。 3.淬 火 溫 度 和 熱 處 理 變 形 為 了 便 于 生 產(chǎn) ， 要 求 模 具 鋼 淬 火 溫 度 范 圍 盡 可 能放 寬 一 些 ， 特 別 是 當(dāng) 模 具 采 用 火 焰 加 熱 局 部 淬 火 時(shí) ，由 于 難 以 準(zhǔn) 確 地 測(cè) 量 和 控 制 溫 度 ， 所 以 要 求 模 具 鋼 有更 寬 的 淬 火 溫 度 范 圍 。 模 具 在 熱 處 理 時(shí) ， 尤 其 在 淬 火 過(guò) 程 中 ， 要 產(chǎn) 生 體積 變 化 、 形 狀 翹 曲 、 畸 變 等 ， 為 保 證 模 具 質(zhì) 量 ， 要 求 模 具 鋼 的 熱 處 理 變 形 小 。 4.氧 化 、 脫 碳 敏

15、感 性 模 具 在 加 熱 過(guò) 程 中 ， 如 果 發(fā) 生 氧 化 、 脫 碳 現(xiàn) 象 ， 就 會(huì) 使其 硬 度 、 耐 磨 性 、 使 用 性 能 和 使 用 壽 命 降 低 。 因 此 ， 要 求 模具 鋼 的 氧 化 、 脫 碳 敏 感 性 好 。 對(duì) 于 鉬 含 量 較 高 的 模 具 鋼 ， 由于 氧 化 、 脫 碳 敏 感 性 強(qiáng) ， 需 要 采 用 特 種 熱 處 理 ， 如 真 空 熱 處理 、 可 控 氣 氛 熱 處 理 、 鹽 浴 熱 處 理 等 。 5.其 他 因 素 在 選 擇 模 具 鋼 時(shí) ， 除 了 必 須 考 慮 使 用 性 能 和 工 藝 性 能 之外 ， 還

16、 必 須 考 慮 模 具 鋼 的 通 用 性 和 價(jià) 格 。 從 技 術(shù) 、 經(jīng) 濟(jì) 方 面全 面 分 析 ， 以 最 終 選 定 合 理 的 模 具 材 料 。 5.3 模 具 材 料 的 選 用 原 則 模 具 材 料 的 選 用 有 三 個(gè) 原 則 一 是 使 用 性 能 原 則 材 料 的 使 用 性 能 應(yīng) 滿 足 模 具 的 使 用 要 求 。 對(duì) 大 量 機(jī) 器工 件 和 工 程 構(gòu) 件 ， 主 要 是 機(jī) 械 性 能 ;對(duì) 一 些 特 殊 條 件 下 工 作的 工 件 ， 則 必 須 根 據(jù) 要 求 考 慮 到 材 料 的 物 理 化 學(xué) 性 能 。 二 是 工 藝 性 能 原

17、 則 材 料 的 工 藝 性 能 應(yīng) 滿 足 模 具 生 產(chǎn) 工 藝 的 要 求 。 三 是 經(jīng) 濟(jì) 性 原 則 必 須 考 慮 材 料 的 經(jīng) 濟(jì) 性 。 采 用 便 宜 的 材 料 ， 把 總 成 本降 至 最 低 ， 取 得 最 大 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 ， 使 產(chǎn) 品 在 市 場(chǎng) 上 具 有 最強(qiáng) 的 競(jìng) 爭(zhēng) 力 。 5.3.1 滿 足 使 用 性 能 要 求 1.耐 磨 性 2.強(qiáng) 韌 性 3.疲 勞 斷 裂 性 能 4.高 溫 性 能 5.抗 熱 疲 勞 性 能 6.耐 蝕 性 5.3.2 滿 足 工 藝 性 能 要 求 模 具 的 制 造 一 般 都 要 經(jīng) 過(guò) 鍛 造 、 切 削

18、 加 工 、 熱 處 理 等 工 序 。 為 保證 模 具 的 制 造 質(zhì) 量 ， 降 低 生 產(chǎn) 成 本 ， 其 材 料 應(yīng) 具 有 以 下 特 性 : （ 1） 良 好 的 可 鍛 性 （ 2） 良 好 的 退 火 工 藝 性（ 3） 良 好 的 切 削 加 工 性 （ 4） 較 小 的 氧 化 、 脫 碳 敏 感 性 （ 5） 良 好 的 淬 硬 性 （ 6） 良 好 的 淬 透 性 （ 7） 較 低 的 淬 火 變 形 開(kāi) 裂 傾 向 （ 8） 良 好 的 可 磨 削 性 5.3.3 滿 足 經(jīng) 濟(jì) 性 要 求 1.材 料 的 價(jià) 格 2.模 具 的 總 成 本 3.自 然 資 源 等

19、 因 素 模 具 材 料 的 通 用 性 ， 也 是 選 用 模 具 材 料 時(shí)必 須 考 慮 的 因 素 。 除 了 特 殊 要 求 以 外 ， 盡 可 能采 用 大 量 生 產(chǎn) 的 通 用 型 模 具 材 料 。 目 前 ， 通 用型 模 具 鋼 技 術(shù) 比 較 成 熟 ， 積 累 的 生 產(chǎn) 工 藝 和 使用 經(jīng) 驗(yàn) 較 多 ， 性 能 數(shù) 據(jù) 也 比 較 完 整 ， 便 于 在 設(shè)計(jì) 和 制 造 過(guò) 程 中 參 考 。 產(chǎn) 品 消 費(fèi) 的 總 成 本購(gòu) 置 價(jià) 格 使 用 成 本固 定 成 本 制 造 廠 利 潤(rùn) 維 護(hù) 費(fèi)維 修 費(fèi)保 險(xiǎn) 費(fèi)折 舊 費(fèi)日 常 開(kāi) 支行 政 費(fèi)批 發(fā)

20、與 零 售 費(fèi)研 究 與 開(kāi) 發(fā) 費(fèi)可 變 成 本（ 生 產(chǎn) 成 本 ）基 本 材 料 成 本制 造 成 本 產(chǎn) 品 成 本 分 析 我 國(guó) 常 用 金 屬 材 料 的 相 對(duì) 價(jià) 格材 料 相 對(duì) 價(jià) 格 材 料 相 對(duì) 價(jià) 格普 通 碳 素 結(jié) 構(gòu) 鋼 1 鉻 不 銹 鋼 5普 通 低 合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 1.25 鉻 鎳 不 銹 鋼 15優(yōu) 質(zhì) 碳 素 結(jié) 構(gòu) 鋼 1.31.5 灰 口 鑄 鐵 1.4合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 （ Cr-Ni鋼 除外 ） 1.72.5 球 墨 鑄 鐵 1.8鉻 鎳 合 金 結(jié) 構(gòu) 鋼 （ 中 合金 鋼 ） 5 可 鍛 鑄 鐵 22.2滾 珠 軸 承 鋼 3 鑄

21、造 鋁 合 金 、 銅 合 金 810 碳 素 工 具 鋼 1.6 普 通 黃 銅 1317低 合 金 工 具 鋼 34 錫 青 銅 、 鋁 青 銅 19高 速 鋼 1620 鈦 合 金 5080硬 質(zhì) 合 金 150200 （ 工 程 塑 料 ） 515 3.自 然 資 源 等 因 素1. 能 源 和 資 源 消 耗 少 世 界 能 源 儲(chǔ) 藏 量石 油 天 然 氣 煤 鈾可 開(kāi) 采 儲(chǔ) 量 9970億 桶 138萬(wàn) 億 m3 1， 039， 272噸 200萬(wàn) 噸可 開(kāi) 采 年 限 45.5年 64年 219年 74年主 要 產(chǎn) 地 及 儲(chǔ) 量 比 例 中 東 66.4% 獨(dú) 聯(lián) 體 、

22、中 東 70% 美 、 蘇 、 中 、 澳 70%儲(chǔ) 量 （ 10 6t） 可 用 年 數(shù) 再 生 率 (%)Fe 1 106 109 31.7Al 1170 35 16.9Cu 308 24 40.9Zn 123 18 21.2Mo 5.4 36Ag 0.2 14 41.0Cr 775 112Ti 147 51 重 要 金 屬 的 世 界 儲(chǔ) 量 3.自 然 資 源 等 因 素2. 環(huán) 境 污 染 小材 料 礦 物 燃 料 能 耗 排 碳 量MJ/Kg MJ/m3 Kg/t Kg/m3木 材 1.52.8 7501390 3056 1528混 凝 土 2.0 4800 50 120鋼 材 3

23、5 266,000 700 5320一 次 鋁 435 1,100,000 8700 22,000再 生 鋁 13 33,000一 定 性 能 水 平 下 的 材 料 能 耗 木 材 混 凝 土 鋼 塑 料 鋁 、 鎂 及 鈦 合 金E/b 24 145 100500 475-1002 710-1029 E生 產(chǎn) 每 公 斤 材 料 的 能 耗 ； 材 料 密 度 ； b抗 拉 強(qiáng) 度生 產(chǎn) 各 種 材 料 消 耗 的 能 量 及 碳 的 排 放 量 思 考 題 5-1 模 具 材 料 一 般 可 分 為 哪 幾 類 ? 5-2 簡(jiǎn) 述 模 具 材 料 的 力 學(xué) 性 能 要 求 和 工 藝 性 能 要 求 。 5-3 簡(jiǎn) 述 選 用 模 具 材 料 的 原 則 。 5-4 簡(jiǎn) 述 我 國(guó) 模 具 材 料 的 發(fā) 展 概 況 。