模具鋼大致可分為(冷作模具鋼)、(熱作模具鋼)和(塑料模具鋼)3類,用於鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由於各種模具用途不同,工作條件復雜,因此對模具用鋼,按其所制造模具的工作條件,應具有高的硬度、強度、耐磨性,足夠的韌性,以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由於這類用途不同,工作條件復雜,因此對模具用鋼的性能要求也不同。
冷作模具包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。冷作模具有鋼,按其所制造具的工作條件,應具有高的硬度、強度、耐磨性、足夠的韌性,以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用於這類用途的合金工具用鋼一般屬於高碳合金鋼,碳質量分數在0.80%以上,鉻是這類鋼的重要合金元素,其質量分數通常不大於5%。但對於一些耐磨性要求很高,淬火後變形很小模具用鋼,最高鉻質量分數可達13%,並且為瞭形成大量碳化物,鋼中碳質量分數也很高,最高可達2.0%~2.3%。冷作模具鋼的碳含量較高,其組織大部分屬於過共析鋼或萊氏體鋼。常用的鋼類有高碳低合金鋼、高碳高鉻鋼、鉻鉬鋼、中碳鉻鎢釧鋼等。
熱作模具分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型,包括熱鍛模、壓力機鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。熱變形模具在工作中除要承受巨大的機械應力外,還要承受反復受熱和冷卻的做用,而引起很大的熱應力。熱作模具鋼除應具有高的硬度、強度、紅硬性、耐磨性和韌性外,還應具有良好的高溫強度、熱疲勞穩定性、導熱性和耐蝕性,此外還要求具有較高的淬透性,以保證整個截面具有一致的力學性能。對於壓鑄模用鋼,還應具有表面層經反復受熱和冷卻不產生裂紋,以及經受液態金屬流的沖擊和侵蝕的性能。這類鋼一般屬於中碳合金鋼,碳質量分數在0.30%~0.60%,屬於亞共析鋼,也有一部分鋼由於加入較多的合金元素(如鎢、鉬、釩等)而成為共析或過共析鋼。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。
塑料模具包括熱塑性塑料模具和熱固性塑料模具。塑料模具用鋼要求具有一定的強度、硬度、耐磨性、熱穩定性和耐蝕性等性能。此外,還要求具有良好的工藝性,如熱處理變小、加工性能好、耐蝕性好、研磨和拋光性能好、補焊性能好、粗糙度高、導熱性好和工作條件尺寸和形狀穩定等。一般情況下,註射成形或擠壓成形模具可選用熱作模具鋼;熱固性成形和要求高耐磨、高強度的模具可選用冷作模具鋼。
模具鋼的分類
2.1冷作模具鋼
2.1.1高碳低合金冷作模具鋼
9SiCr、9CrWMn、CrWMn、Cr2、9Cr2Mo、7CrSiMnMoV、8Cr2MnWMoVS、Cr2Mn2SiWMoV
2.1.2抗磨損冷作模具鋼
6Cr4W3Mo2VNb、6W6Mo5Cr4V、7Cr7Mo3V2Si、Cr4W2MoV、Cr5Mo1V、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、Cr12W、Cr12Mo1V1
2.1.3抗沖擊冷作模具鋼
4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si
2.1.4冷作模具碳素工具鋼
T7、T8、T9、T10、T11、T12
2.1.5冷作模具用高速鋼
W6Mo5Cr4V2、W12Mo3Cr4V3N、W18Cr4V、W9Mo3Cr4V
2.1.6無磁模具用鋼
7Mn15Cr2Ae3V2Wmo、1Cr18Ni9Ti
2.2熱作模具鋼
2.2.1低耐熱性熱作模具鋼
5CrMnMo、5CrNiMo、4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoVSi
2.2.2中耐熱性熱作模具鋼
4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi、8Cr3
2.2.3高耐熱性熱作模具鋼
3Cr2W8V、3Cr3Mo3W2V、5Cr4Mo2W2VSi、5Cr4Mo3SiMnVAe、5Cr4W5Mo2V、6Cr4Mo3Ni2WV
2.3塑料模具鋼
2.3.1碳素塑料模具鋼
SM45、SM50、SM55
2.3.2預硬化型塑料模具鋼
3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo、5CrNiMnMoVSCa、40Cr、42CrMo、30CrMnSiNi2A
2.3.3滲碳型塑料模具鋼
20Cr、12CrNi3A
2.3.4時效硬化型塑料模具鋼
O6Ni6CrMoVTiAe、INi3Mn2CuAeMo
2.3.5耐腐蝕型塑料模具鋼
2Cr13、4Cr13、9Cr18、9Cr18Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2
另:
在鋼板(板材)中,也有許多材質被列入模具鋼系列:45(45#,45號),P20,S45C,S50C等等。
模具鋼工藝性能
可加工性
——熱加工性能,指熱塑性、加工溫度范圍等;
——冷加工性能,指切削、磨削、拋光、冷拔等加工性能。
冷作模具鋼大多屬於過共析鋼和萊氏體鋼,熱加工和冷加工性能都不太好,因此必須嚴格控制熱加工和冷加工的工藝參數,以避免產生缺陷和廢品。另一方面,通過提高鋼的純凈度,減少有害雜質的含量,改善鋼的組織狀態,以改善鋼的熱加工和冷加工性能,從而降低模具的生產成本。
為改善模具鋼的冷加工性能,自20世紀30年代開始,研究向模具鋼中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或導致模具鋼中碳的石墨化的元素,發展瞭各種易切削模具鋼,以進一步改善其切削性能和磨削性能,減少刀具磨料消耗、降低成本。
淬透性和淬硬性
淬透性主要取決於鋼的化學成分和淬火前的原始組織狀態;淬硬性則主要取決於鋼中的含碳量。對於大部分的冷作模具鋼,淬硬性往往是主要的考慮因素之一。對於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,其淬透性更為重要。另外,對於形狀復雜容易產生熱處理變形的各種模具,為瞭減少淬火變形,往往盡可能采用冷卻能力較弱的淬火介質,如空冷、油冷或鹽浴冷卻,為瞭得到要求的硬度和淬硬層深度,就需要采用淬透性較好的模具鋼。
淬火溫度和熱處理變形
為瞭便於生產,要求模具鋼淬火溫度范圍盡可能放寬一些,特別是當模具采用火焰加熱局部淬火時,由於難於準確地測量和控制溫度,就要求模具鋼有更寬的淬火溫度范圍。
模具在熱處理時,尤其是在淬火過程中,要產生體積變化、形狀翹曲、畸變等,為保證模具質量,要求模具鋼的熱處理變形小,特別是對於形狀復雜的精密模具,淬火後難以修整,對於熱處理變形程度的要求更為苛刻,應該選用微變形模具鋼制造。
氧化、脫碳敏感性
模具在加熱過程中,如果發生氧化、脫碳現象,就會使其硬度、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。對於含鉬量較高的模具鋼,由於氧化、脫碳敏感性強,需采用特種熱處理,如真空熱處理、可控氣氛熱處理、鹽浴熱處理等。
其他因素
在選擇模具鋼時,除瞭必須考慮使用性能和工藝性能之外,還必須考慮模具鋼的通用性和鋼材的價格。模具鋼一般用量不大,為瞭便於備料,應盡可能地考慮鋼的通用性,盡量利用大量生產的通用型模具鋼,以便於采購、備料和材料管理。另外還必須從經濟上進行綜合分析,考慮模具的制造費用、工件的生產批量和分攤到每一個工件上的模具費用。從技術、經濟方面全面分析,以最終選定合理的模具材料。
模具鋼的用途
加工模具時用的,由於模具的用途很廣,各種模具的工作條件差別很大,所以,制造模具用材料范圍很廣,在模具材料中應用最廣的當屬模具鋼。從—般的碳素結構鋼、碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼、彈簧鋼、高速工具鋼、不銹耐熱鋼直到適應特殊模具需要的馬氏體時效鋼以及粉末高速鋼、粉末高合金模具鋼等。模具鋼按用途一般可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼三大類。
1.冷作模具鋼
冷作模具鋼主要用於制造對冷狀態下的工件進行壓制成型的模具。如:冷沖裁模具、冷沖壓模具、冷拉深模具、壓印模具、冷擠壓模具、螺紋壓制模具和粉末壓制模具等。冷作模具鋼的范圍很廣,從各種碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼到粉末高速工具鋼和粉末高合金模具鋼。
2.熱作模具鋼
熱作模具鋼主要用於制造對高溫狀態下的工件進行壓力加工的模具。如:熱鍛模具、熱擠壓模具、壓鑄模具、熱鐓鍛模具等。常用的熱作模具鋼有:中高含碳量的添加Cr、W、Mo、V等合金元素的合金模具鋼;對特殊要求的熱作模具鋼,有時采用高合金奧氏體耐熱模具鋼制造。
3.塑料模具鋼
由於塑料的品種很多,對塑料制品的要求差別也很大,對制造塑料模具的材料也提出瞭各種不同的性能要求。所以,不少工業發達的國傢已經形成瞭范圍很廣的塑料模具用鋼系列。包括碳素結構鋼、滲碳型塑料模具鋼、預硬型塑料模具鋼、時效硬化型塑料模具鋼、耐蝕塑料模具鋼、易切塑料模具鋼、整體淬硬型塑料模具鋼、馬氏體時效鋼以及鏡面拋光用塑料模具鋼等。
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