第一章 模具材料概论

第一章模具材料概论

1按照模具的工作条件可将模具分为三大类：冷作模具，热作模具，成型模具。

2在模具中常遇到的磨损形式有：磨料磨损，粘着磨损，氧化磨损和疲劳磨损等。

3 在磨料磨损的条件下，影响耐磨性的主要因素有：硬度和组织。

4 钢的基体组织中，铁素体耐磨性最差，马氏体耐磨性较好，下贝氏体耐磨性最好。对于淬火回火钢，一般认为在含有少量残余奥氏体的回火马氏体的基体上均匀分布着细小碳化物的组织，其耐磨性为最好。

5 对于粘着磨损的情况，影响材料耐磨性的因素也比较复杂。一般脆性材料和高熔点材料的抗粘着能力较高。减少材料的磨檫系数可以提高耐粘着磨檫性。

6 热作模具、部分成型模具或冷作模具等，由于工作温度较高，通常需要考虑模具材料的耐热性。高温材料的热稳定性常以600~700°C时的屈服强度表示，它与钢的抗回火能力有关。

7 合金化或进行表面处理是提高模具钢耐腐蚀性的主要方法。

8 模具的失效分偶然失效和工作失效两类。

9 模具的主要失效形式是断裂、过量变形、表面损伤和热作疲劳。

第二章冷作模具材料

1 目前使用的冷作模具材料有：冷作模具钢、硬质合金、陶瓷材料、铸钢等，使用最多的是冷作模具钢和硬质合金。

2 冷作模具在工作中受到拉深、弯曲、压缩、冲击、疲劳、摩檫等机械力的作用，其正常的失效形式主要是磨损、脆断、变形、咬合等。

3 对于大型模具除了要求有足够的硬度外，还要求心部有良好的强韧性配合，这就需要模具钢具有高的淬透性，淬火时采用较缓的冷却介质，就可以获得较深硬化层。对于形状复杂的小型模具，也常采用高淬透性的模具钢制造，这是为了使淬火后能获得较均匀的应力状态，以避免开裂或较大的变形。

4 回火稳定性反因了冷作模具受热软化的抗力。

5 低淬透性冷作模具钢中，使用最多的是碳素工具钢（T7A、T8A、T10A、T12A）和GC R15轴承钢。

6预先处理一般采用等温球化退火，工艺规范为：加热温度750~770°C，等温温度680～700°C。退火后的组织应为4～6级的球状珠光体，硬度小于197HBS。

7 碳素工具钢适宜制造尺寸较小/形状简单、负荷较轻、生产批量不大的冷作模具，其中T10A 钢是性能较好，但淬透性差，用盐和碱水溶液冷却较好。

8 如终锻温度过高，将形成粗大网状碳化物，如终锻温度过低，结果使碳化物呈线条状出现。这两类碳化物均不能通过球化退火加以改变，而必须在球化退火之前通过正火方法进行消除，这样才能保证球化退火质量并赋予模具良好的热处理性能。

9 如果锻造质量不高，出现严重网状碳化物或粗大晶粒时，必须在球化退火之前进行一次正火，正火加热温度为930～９５０°Ｃ。

10、低变速冷作模具钢的性能虽然优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性、变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的需要。为此，发展了高耐磨微变形冷作模具钢。

11、冲载模的正常失效形式主要是：磨损，刃口由锋利变圆钝。

12、冷挤压模具的正常失效方式主要有檫伤磨损或氧化磨损。

13、冷挤压模具的性能要求：必须具有高的强韧性，良好的耐磨性，一定的热疲劳性和足够的回火稳定性，与厚板冲载模有相似之处。

14、冷作模具钢的强韧化处理工艺主要包括：低淬低回，高淬高回，微细化处理、等温和分级淬火等。

15、根据工作条件，热作模具可分为：热锻模、热挤压模、压铸模和热冲载模等几类。

16、钢的淬火可以采用多种冷却方式，如油淬，分级淬火或等温淬火。其中最常用的是油淬。

17、热挤压模的失效形式主要是模腔过量塑性变形、分裂、热疲劳和热磨损。

18、常用的热挤压模具用钢是钨系热作模具钢和铬系热作模具钢。

19、热疲劳开裂，热磨损和热熔蚀是压铸模常见的失效形式。

20、目前常用的压铸金属材料主要有：锌合金、铝或镁合金、铜合金和钢铁等四大类。

21、常用的表面强化处理方法有：氮化，氮碳共渗，渗铬，渗铝，渗硼等。

22、为了防止熔融金属粘膜，侵蚀，提高压铸模成形部分的抗蚀性和耐磨性，压铸模常采用

表面强化处理。

23、渗碳型塑料模具用钢，国内常采用工业纯铁（如DT1和DT2）、20、20C R、12C R N I3A和12C R2N I4A

钢。

24、对于负荷较大的热固性塑料模和注射模，除了型腔表面应有高耐磨性之外，还要求模具

基体具有较高强度、硬度和韧性，以避免或减少模具在使用中产生塌陷，变形和开裂现象。

25、常用的淬硬型塑料模具钢有：碳素工具钢（如T7A、T10A）、低合金冷作模具钢（如9SiC r

9M n2r等）、C R12型钢、高速钢、基体钢和某些热作模具钢等。

26、所谓预硬钢就是供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态硬度。

27、渗碳主要用于要求承受很大冲击载荷，高的硬度和好的抗脆裂性能。

名词解释

1 强度是表征材料变形抗力和断裂抗力的性能指标。

2 硬度是衡量材料软硬程度的性能指标，钢的硬度主要决定于其它化学成分和组织。

3、韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一个特性，反映了模具的脆断抗力,常用冲击韧度a k来判定。

4、疲劳抗力是反映材料在交变载荷作用下抵抗疲劳破坏的性能指标。

5、模具失效是指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修复方法使其重新服役的现象。

6、基体钢就是具有高速钢正常淬火基体成分。成分组织：这类钢过剩炭化物少，细小均匀。性能：工艺性能好，强韧性有明显改善。用途：广泛用于高负荷、高速、耐冲击冷、热变形模具。

7、热作模具主要指热变形加工和压力变形的模具。

8、负荷强韧化处理是将模具的煅热淬火与最终热处理淬火、回火相结合的处理工艺，它是在模具毛胚停锻后用高温淬火及高温回火取代原来球化退火（预备热处理），所以又称双重淬火法。

9、时效硬化型塑料模具钢的共同特点是含碳量低，合金度较高，经高温淬火后，钢处于软化状态，组织为单一的过饱和固溶体。但是将此固溶体进行时效处理，即加热到某一较低温度并保温一段时间后，时效硬化型塑料模具用钢的固溶体中就会析出细小弥散的金属化合物，从而造成钢的强化和硬化。

10、在参碳介质中加热，使钢的表面渗入的碳的热处理过程称为渗碳。

11、碳氮共渗是向工件表面同时渗入碳和氮，并以渗碳为主的化学热处理工艺。

12、氮碳共渗是向工件表面同时渗入碳和氮，并以渗氮为主的化学热处理工艺。

13、以硼砂为基的盐浴渗钒渗铌渗铬并形成碳化物的方法又称为反应浸镀法（TD法）。TD 法是在熔融的硼砂中加入预渗的元素或其合金的粉粒，然后将零件浸入其中，靠欲渗元素原子向零件表面扩散并与零件基体的碳原子形成金属的碳化物覆层性能的工艺方法。

14、喷丸强化是利用大量的珠丸（直径一般为Ф0.4～2mm)以高速打击已加工完毕的工件表面,使表面产生冷硬层和残余压应力,可以显著提高零件的疲劳强度.

15、电火花表面强化是利用工具电极与工件间在空气中产生的火花放电作用，把作为电极的导电材料溶渗进工件表层形成合金化的表面强化层。

16、化学气相沉积（CVD）是在真空度≦1pa的反应室中,通过一定温度下的气相化学反应而在工件表面生成化合物沉积层的过程。

17、将金属、合金或化合物放在真空中蒸发（或称激射），使这些气相原子或分子在一定条件下沉积在工件表面上的工艺称为物理气相沉积（PVD）。

简答题

1、影响强度的因素：钢的含碳量与合金元素含量，晶粒大小、金相组织、碳化物的类型、形状、大小及分布、残余奥氏体量、内应力状态等。

2、影响硬度的因素：钢的硬度主要决定于其化学成分和组织。钢完全淬成马氏体时的硬度取决于马氏体的含碳量。

3、影响韧性的因素主要是钢的成分、组织和含碳量。碳量愈低，杂质愈少，钢的韧性愈高。

4、模具结构设计对模具寿命的影响：

①模腔结构的影响②模腔过渡圆角半径R的影响③模具工作部位角度的影响

5、模具制造质量对模具寿命的影响：

①模具零件加工精度的影响；②模腔表面粗糙度的影响；③模具硬度均匀性的影响；④模具装配精度的影响。

6、模具材料对模具寿命的影响：以模具材料种类、化学成分、组织结构、硬度和冶金质量等因素为综合反映，其中材料种类和硬度影响最为明显。

7、模具工作零件表面强化的目的是获得外硬内韧的效果，从而得到硬度、耐磨性、韧性、耐疲劳强度的良好配合。

8、模具表面强化处理方法有：碳氮共渗、离子共渗、渗硼、渗碳、渗硫、渗铌、渗钒、电火花强度、激光热处理、化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）等。

9、模具的使用对模具寿命的影响：

这些因素包括：①锻压设备的特性；如压力机的精度和精度。②被加工材料的性质，如胚料的表面状态差、强度高。③模具的安装和使用条件，如安装精度高，正确选用润滑剂。④模具的操作规程及维护，如热作模具在工作前应进行预热，中途停工应保温。

10、冷作模具材料使用性能的要求：

①良好的耐磨性。②高强度。③足够的韧性。良好的抗疲劳性能。④良好的抗咬合能力。

11、冷作模具材料必须具备的工艺性能要求：

主要包括：可锻性、可切削性、可磨削性，热处理工艺性等。

12、热处理工艺性主要包括：淬透性、回火稳定性、脱碳倾向、过热敏感性。淬火变形与开裂倾向等。

13 冷作模具钢的成分特点如下：

①钢的含碳量含碳量是影响冷作模具钢性能的决定性因素。一般随着含碳量的增加，钢的硬度强度和耐磨性提高塑性韧性变差。对于需要抗冲击的高韧性冷作模具，其钢材的碳的质量分数一般控制在0.5%～0.7%，以保证模具获得足够的韧性。②合金化的特点：铬显著地增加钢的淬透性，有效的提高钢的回火稳定性。钒能显著提高钢的耐磨性和热硬性，同时钒还可细化晶粒，降低钢的过热敏感性。主要特点是：加入碳化物形成元素，获得足够数量的合金碳化物，并增加钢的淬透性和回火稳定性，以达到耐磨性和强韧性的要求。

14、低变形冷作模具钢在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素而发展起来的。加入的合金元素有Cr、Mn、Si、W、V等.其主要作用是提高淬透性,减少淬火变形开裂倾向,形成特殊

碳化物,细化晶粒,提高回火稳定性.性能：这类钢的强韧性、耐磨性、热硬性都比碳素工具钢高，使寿命也较碳素工具钢长。

15、传统的高速钢(CW18Cr4V、W6Mo5Cr4V2)是高强度耐磨冷作模具钢的典型钢种。高速钢具有高强度，高抗压性、高耐磨性和高热稳定性的特点。淬火温度对高速钢性能影响很大，淬火温度愈高，基体的含碳量愈多，其耐磨性，抗压强度愈高，而韧性愈低。高速钢主要用于重载冲头。

16、LD钢不含钨的基体钢，GD钢属于高强韧性低合金冷作模具钢，其成分与CrWM n相比，降低了含碳量，新增镍、硅，合金元素总量为4%。

GD钢主要性能特点如下：①钢的冲击韧度，小能量多冲寿命，断裂韧性和抗压屈服点显著优于CrWM n钢和Cr12MnV钢。②碳化物偏析小，可以不改锻，下料后直接使用。③GD钢淬透性良好，空冷可以淬硬，淬火变形缩小。④淬火加热温度低，区间宽，可采用油淬，风冷及火焰加热淬火，回火温度也低，利于节能。⑤淬硬性良好，900℃加热油淬，淬火硬度为64～65HRC，空淬硬度61HRC。⑥GD钢可代替CrWM n、Cr12型等制造各种异形、细长薄片冷冲凸模，形状复杂的大型凹凸么等。

17、冷作模具的选材原则：

基本原则：①首先要满足模具的使用性能要求，同时兼顾材料的工艺性和经济性。在确定模具使用性能时，应从模具结构、工作条件、制品形状和尺寸，加工精度，生产批量等方面加以综合考虑。②一般，对于形状复杂，尺寸精度要求高的模具，应选用低变形材料。③承受负荷大的模具，应选用高强度材料。④承受强烈摩擦和磨损的模具，应选用高强度，耐磨性好的材料。⑤承受冲击负荷大的模具，应选用韧性高的材料。

18、冲载模的热处理特点：

①对于薄板冲载模，应具有高的精度和耐磨性，因此在工艺上应保证模具热处理变形小，不开裂和高硬度。②对于重载冷冲模，其主要的失效形式是崩韧、折断。因此，重载冷冲模的特点是保证模具获得高强韧性。

19、冷作模具钢的锻造的目的是理想的组织应该是在高硬度、高强韧性的基体上均匀弥散分布着圆形细小状硬质相。

20、冷冲裁模的材料选用：

（1）对于一般形状简单，载荷轻的冲裁模，可尽量采用成本低的碳素工具钢制造，只要热处理工艺适当，完全可以达到使用要求。

（2）形状复杂尺寸较大，工作载荷较轻，要求热处理变形小的冲载模，可选用低合金钢制造。

（3）对于大中形模具，制造工艺复杂，加工成本高，材料成本只占模具总成本的10%～18%，因此选用高耐磨，高淬透性，变形小的高碳中铬钢、高铬钢、高速钢、高强韧性低合金冷作模具钢制造。

（4）对于大量生产的冷冲裁模，要求使用寿命高，可以选用硬质合金、钢结硬质合金来制造。

21、热作模具材料的性能要求：

①较高的高温强度和良好的韧性；②良好的耐磨性能；③高的热稳定性；④优良的耐热疲劳性能；⑤高淬透性；⑥良好的导热性；⑦良好的成型加工工艺性能，以满足交工成形的需要。

22、热作模具刚分类：

（1）按用途分：①热锻模用钢；②热挤压模用钢；③压铸模用钢；④热冲载模用钢。（2）按工作温度分：①低耐热钢（350℃～370℃）；②中耐热钢（550℃～600℃）；③高耐热钢（580℃～650℃）。

（3）按性能分：①高韧性热作模具钢；②高热强热作模具钢；③高耐磨热作模具钢。

23、铬系热作模具钢的共同特性是：

①因含铬量较多，具有高的淬透性；②耐热疲劳抗力较好；③回火稳定性高；④与钨系热作模具钢相比，有较高的韧性；⑤这类钢所含碳化物种类及数量大致相同，因而过热敏感性也大致相同。⑥铬系热作模具钢热塑性较高，变形抗力小，锻开裂倾向性小，但锻造温度范围稍窄，必须严格控制锻打温度。

24、锤锻模具刚的力学性能与回火温度的关系：

①可以耕具锻模的具体性能要求选取相应的回火温度；②一般用锤锻模的回火温度不宜太低，如果太低，活火后硬度高，其韧性不足，在工作中模腔易出现裂纹；③但是回火温度也不宜太高，如故太高，硬度、强度和耐磨性降低，从而是模面易被压坏或加速磨损。

25、通常冷作模具的制造工艺路线有以下几种：

①一般成形冷作模具：锻造→球化退火（改善力学性能）→机械加工成形（改善切削性）→淬火与回火（获得低温马氏体，有效的硬度）→钳修装配

②成形磨削及电工冷作模具：锻造→球化退火→机械粗加工→淬火与回火→精加工成形→钳修装配。③复杂冷作模具：锻造→球化退火→机械粗加工→高温回火或调质→机械加工成形→钳工装配

26、冷作模具的热处理工艺如下：

①球化退火；②调质；③去应力退火；④淬火回火。

27、锤锻模的热处理；

锤锻模的制造工艺路线一般为：下料→锻造→退火→机械粗加工→去应力退火→探伤→成形加工→淬火回火→钳修→抛光。

28、（1）热挤压模具的制造工艺路线一般为：下料→锻造→预先热处理→机械加工→淬火回火→精加工。

（2）预先热处理：①退火，退火的作用是去应力，组织是圆而细小的碳化物；②高温调质；③锻后正火。

（3）对于淬火保温时间的选择：主要考虑要能完全组织转变，使碳及合金元素充分固溶，以保证获得高的回火抗力及热硬性。

29、压铸模用铜合金的原因：

铜合金因导热性好，能将压铸件的热量很快散发出来，使模具的温升和内部的温度梯度大为降低，从而降低了模具的应变和应力，使其强度足以承受压铸时的压力，同时也为减轻了热疲劳作用。此外，铜合金弹性模量低，热膨胀系数小，不会发生相变，故所制作的模具在过程中性能及尺寸稳定。模具型腔可用精铸、压铸或冷挤压等多种工艺加工成型，制造周期短，成本低。

30、①压铸模的性能要求是：较高的耐热性和良好的高温力学性能，优良的耐热疲劳性，高的导热性，良好的抗氧化性和耐腐蚀性，高的淬透性等。

②压铸模材料的选用：在选择压铸模材料时，首先就要根据压铸金属的种类及其压铸温度的高低来决定；其次还要考虑生产批量的大小和压铸件的形状、重量以及精度要求等。

③压铸模制造工艺路线：一般压铸模：锻造→退火→机械粗加工→稳定化处理→精加工成形→淬火及回火→钳工修配→发蓝。

形状复杂，精度要求高的压铸模：锻造→退火→粗加工→调质→精加工成形→钳工修磨→渗氮→研磨抛光。

④压铸模的热处理特点：（1）压铸模型腔复杂，在粗加工之后进行去应力退火。（2）压铸模的预处理一般采用球化退火或调质处理。（3）压铸模用钢导热性差，需多次预热。（4）淬火加热（5）淬火冷却；（6）回火。压铸模必须充分回火，一般回火3次。（7）表面强化处理31、塑料模常见的失效形式：

（1）磨损热固性塑料中一般含有一定量的固体填充剂，在加热后软化、熔融的塑料中成为“硬质点”，易使型腔表面拉毛，粗糙度变大而引起磨损。（2）腐蚀、塑料中含有氯氟等元素，在加热时分解出HCL等腐蚀性气体引起腐蚀。（3）塑性变形模具在持续受热、受压条件下长期工作后，会发生局部塑性变形而失效。（4）断裂塑料模具一般有多处凹槽、薄边等，易造成反应集中而断裂，如碳素工具钢。

32、塑料模具材料的性能要求：

1．使用性能要求

（1）足够的强度和硬度，以使模具能承受工作时的负荷而不致变形。（2）良好的耐磨性和耐腐蚀性，以使模具行腔的抛光表面粗糙度和尺寸精度能保持长期使用而不变。（3）足够的韧性，这是保持模具在使用过程中不会过早开裂的重要性能指标。（4）较好的耐热性能和寸稳定性。（5）良好的导热性，以使塑料制件尽快地在模具中冷却成型。

2．工艺性能要求

（1）锻造性能（2）机械加工性能（3）焊接性能（4）热处理工艺性能（5）镜面抛光性能（6）电加工性能（7）饰纹加工性能

33.塑料模具钢的选用（塑料模成型件的材料选用）

（1）根据塑料制品种类和质量要求选用

1）对型腔表面要求耐磨性好，新部韧性要好，但形状并不复杂的塑料注塑模，可选用低碳结构钢和低碳合金结构钢。

2）对聚氯乙烯或氟塑料及阻燃的ABS塑料制品，所用模具钢必须有较好的抗腐蚀性。

3）对生产以玻璃纤维做添加剂的热塑性塑料制品的注塑模或热固性塑料制品的压缩模，要求模具有高硬度.高耐磨性.高的抗压强度和较高韧性，以防止塑料把模具型腔面过早磨毛。

4）制造透明塑料的模具，要求模具钢材有良好的镜面抛光性能和高耐磨性，所以要采用时效硬化型钢制造。

（2）根据塑件生产批量选用

（3）根据塑料件的尺寸大小及精度要求选用。

（4）根据塑料件形状的复杂程度选用

35。塑料模具的制造工艺路线：？

（1）低碳钢及低碳合金钢模具例20、20C R，20C R M N T I等钢的工艺路线为：下料→锻造模

坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械半精加工→渗碳→淬火、回火→机械精加工→抛光→镀铬→装配。

（2）高合金渗碳钢制模具例：12C R N I3A，12C R N I4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→

正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→抛光→镀铬→装配。

（3）调质钢制模具例如：45，40C R等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械

粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→镀铬→装配。

36、渗碳钢塑料模的热处理：

为使塑料模成形件或其它摩擦件有高硬度、高耐磨性和高韧性，在工作中不致脆断，所以要选用渗碳钢制造，并进行渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

37、预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光

体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

38、时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序：

首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素熔入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

39 、模具表面强化处理的目的主要是赋予基体表面所不具备的性能，或者是进一步提高其所固有的性能。

40、模具表面强化的主要方法：改变表面化学成分的方法：渗碳、渗氮、渗硼、渗硫等

41、已硬化的钢铁工件渗硫，表面可形成厚度为5～15um的F e S+F e S2化学转化膜，渗层硬

度并不高，为70HV以下，因此无助于抗磨粒磨损。但是，它没有较大减磨作用，这是由于渗层的F e S呈鳞鱼状。多孔并易滑移。

42、渗碳的目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度及抗咬合性，提高零件抗大气、过热蒸汽的腐蚀能力，提高抗回火软化能力，降低缺口敏感性。

43、