模具钢材基础知识及加工工艺

第一章、钢的分类

一、黑色金属、钢和有色金属

在介绍钢的分类之前先简单介绍一下黑色金属、钢与有色金属的基本概念。

1、黑色金属是指铁和铁的合金,如铁、生铁、钢和铁合金等,钢和生铁都是以铁为基础,以碳为主要添加元素的合金,统称为铁碳合金,钢铁中均含有少量合金元素和杂质的铁碳合金,按含碳量不同可分为: *生铁---含碳为～％,生铁含碳很多,硬而脆,几乎没有塑性;

*钢(高炭钢)---含碳为～％,钢具有生铁和熟铁两种优点,为人类广泛利用;

*熟铁(低碳钢)---含碳小于％,熟铁软,塑性好,容易变形,强度和硬度均较低,用途不广;

生铁是將铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品,主要用来炼钢和制造铸件;把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼,即得到铸铁(液状),把液状铸铁浇铸成铸件,这种铸铁叫铸铁件。

铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金,铁合金是炼钢的原料之一,在炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用,这些元素对生铁的性能均有一定的影响。

碳(C):在生铁中以两种形态存在,一种是游离碳(石墨),主要存在于铸造生铁中,另一种是化合碳(碳化铁),主要存在于炼钢生铁中,碳化铁硬而脆,塑性低,含量适当可提高生铁的强度和硬度,含量过多,则使生铁难于削切加工,这就是炼钢生铁切削性能差的原因;石墨很软,强度低,它的存在能增加生铁的铸造性能; 硅(Si):能促使生铁中所含的碳分离为石墨状,能去氧,还能减少铸件的气眼,能提高熔化生铁的流动性,降低铸件的收缩量,但含硅过多,也会使生铁变硬变脆;

锰(Mn):能溶于铁素体和渗碳体;在高炉炼制生铁时,含锰量适当,可提高生铁的铸造性能和削切性能,在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰,进入炉渣;

磷(P):属于有害元素,但磷可使铁水的流动性增加,这是因为硫减低了生铁熔点,所以在有的制品内往往含磷量较高;然而磷的存在又使铁增加硬脆性,优良的生铁含磷量应少,有时为了要增加流动性,含磷量可达%;

硫(S):在生铁中是有害元素,它促使铁与碳的结合,使铁硬脆,并与铁化合成低熔点的硫化铁,使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性,顾含硫高的生铁不适于铸造细件;铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过%(车轮生铁除外)。

2、把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼,即得到钢;钢的产品有钢锭、连铸坯和直接铸成各种钢铸件等;通常所讲的钢,一般是指轧制成各种钢材的钢;钢属于黑色金属但钢不完全等于黑色金属。

3、有色金属又称非铁金属,指除黑色金属外的金属和合金,如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等;另外在工业上还采用铬、镍、锰、钼、钴、钒、钨、钛等,这些金属主要用作合金附加物,以改善金属的性能,其中钨、钛、钼等多用以生产刀具用的硬质合金;以上这些有色金属都称为工业用金属,此外还有贵重金属铂、金、银等和稀有金属,包括放射性的铀、镭等。 二、钢的分类

钢是含碳量在%%之间的铁碳合金;为了保证其韧性和塑性,含碳量一般不超过%;钢的主要元素除铁、碳外,还有硅、锰、硫、磷等;钢的分类方法多种多样,其主要方法有如下七种: 1、按品质分类: (1)普通钢(P≤%,S≤%) (2)优质钢(P、S均≤%) (3)高级优质钢(P≤%,S≤%)

2.、按化学成份分类:(1)碳素钢;(2)合金钢。

3、按成形方法分类:(1)锻钢;(2)铸钢;(3)热轧钢;(4)冷拉钢。

4、按金相组织分类:(1)退火状态的;(2)正火状态的;(3)无相变或部分发生相变的。

5、按用途分类:(1) 建筑及工程用钢:(2) 结构钢;(3) 工具钢;(4) 特殊性能钢;(5) 专业用钢。 6、综合分类:(1)普通钢;(2)优质钢(包括高级优质钢)。 7、按冶炼方法分类

(1) 按炉种分:a、平炉钢;b、转炉钢;c、电炉钢;

(2)按脱氧程度和浇注制度分:a、沸腾钢;b、半镇静钢;c、镇静钢;d、特殊镇静钢。

第二章、我國鋼號表示方法及各國模具鋼材牌號對照

一、我国钢号表示方法概述:

钢的牌号简称钢号,是对每一种具体钢产品所取的名称,是人们了解钢的一种共同语言;我国的钢号表示方法,根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》(GB221-79)中规定,采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示;即:

①钢号中化学元素采用国际化学符号表示,例如Si,Mn,Cr……等;混合稀土元素用“RE”(或“Xt”)表示。 ②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等,一般采用汉语拼音的缩写字母表示。 ③钢中主要化学元素含量(%)采用阿拉伯数字表示。 GB标准钢号中所采用的缩写字母及其涵义: 名稱 屈服点 沸腾钢 半镇静钢 镇静钢 碳素工具钢 滚动轴承钢 高级(优质钢) 特级 漢字 屈 沸 半 镇 碳 滚 高 特 符號 Q F b Z T G A E 字體 大写 大写 小写 大写 大写 大写 大写 大写 位置 头 尾 尾 尾 头 头 尾 尾 二、我国钢号表示方法的分类说明: 1．碳素结构钢

①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成;它的钢号冠以“Q”,代表钢材的屈服点,后面的数字表示屈服点数值,单位是MPa例如Q235表示屈服点(σs)为235 MPa的碳素结构钢。

②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号;质量等级符号分别为A、B、C、D;脱氧方法符号F表示沸腾钢;b表示半镇静钢;Z表示镇静钢,TZ表示特殊镇静钢,镇静钢可不标符号,即Z和TZ都可不标;例如Q235-AF表示A级沸腾钢; ③专门用途的碳素钢,例如桥梁钢、船用钢等,基本上采用碳素结构钢的表示方法,但在钢号最后附加表示用途的字母。

2．优质碳素结构钢: ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量,以平均碳含量的万分之几表示,例如平均碳含量为%的钢,钢号为“45”,它不是顺序号,所以不能读成45号钢;

②锰含量较高的优质碳素结构钢,应将锰元素标出,例如50Mn;

③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出,例如平均碳含量为%的半镇静钢,其钢号为10b。 3．碳素工具钢

①钢号冠以“T”,以免与其他钢类相混;

②钢号中的数字表示碳含量,以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为%; ③锰含量较高者,在钢号最后标出“Mn”,例如“T8Mn”;

④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量,比一般优质碳素工具钢低,在钢号最后加注字母“A”,以示区别,例如“T8MnA”。

4．合金结构钢

①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量,以平均碳含量的万分之几表示,如40Cr。

②钢中主要合金元素,除个别微合金元素外,一般以百分之几表示。当平均合金含量＜%时,钢号中一般只标出元素符号,而不标明含量,但在特殊情况下易致混淆者,在元素符号后亦可标以数字“1”,例如钢号

“12CrMoV”和“12Cr1MoV”,前者铬含量为后者为其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥%、≥%、≥%……时,在元素符号后面应标明含量,可相应表示为2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。

③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素,均属微合金元素,虽然含量很低,仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为硼为。

④高级优质钢应在钢号最后加“A”,以区别于一般优质钢。

⑤专门用途的合金结构钢,钢号冠以(或后缀)代表该钢种用途的符号。例如,铆螺专用的30CrMnSi钢,钢号表示为ML30CrMnSi。 5．低合金高强度钢

①钢号的表示方法,基本上和合金结构钢相同。

②对专业用低合金高强度钢,应在钢号最后标明。例如16Mn钢,用于桥梁的专用钢种为“16Mnq”,汽车大梁的专用钢种为“16MnL”,压力容器的专用钢种为“16MnR”。 6．弹簧钢

弹簧钢按化学成分可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类,其钢号表示方法,前者基本上与优质碳素结构钢相同,后者基本上与合金结构钢相同。 7．滚动轴承钢

①钢号冠以字母“G”,表示滚动轴承钢类。

②高碳铬轴承钢钢号的碳含量不标出,铬含量以千分之几表示。例如GCr15。渗碳轴承钢的钢号表示方法,基本上和合金结构钢相同。 8．合金工具钢和高速工具钢

①合金工具钢钢号的平均碳含量

≥%时,不标出碳含量;当平均碳含量＜%时,以千分之几表示。例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。 ②钢中合金元素含量的表示方法,基本上与合金结构钢相同。但对铬含量较低的合金工具钢钢号,其铬含量以千分之几表示,并在表示含量的数字前加“0”,以便把它和一般元素含量按百分之几表示的方法区别开来。例如Cr06。

③高速工具钢的钢号一般不标出碳含量,只标出各种合金元素平均含量的百分之几。例如钨系高速钢的钢号表示为“W18Cr4V”。钢号冠以字母“C”者,表示其碳含量高于未冠“C”的通用钢号。 9．不锈钢和耐热钢

①钢号中碳含量以千分之几表示。例如“2Cr13”钢的平均碳含量为%;若钢中含碳量≤%或 ≤%者,钢号前分别冠以“00”及“0”表示之,例如00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9等。 ②对钢中主要合金元素以百分之几表示,而钛、铌、锆、氮……等则按上述合金结构钢对微合金元素的 表示方法标出。 10．焊条钢

它的钢号前冠以字母“H”,以区别于其他钢类。例如不锈钢焊丝为“H2Cr13”,可以区别于不锈钢“2Cr13” 11．电工用硅钢

①钢号由字母和数字组成。钢号头部字母DR表示电工用热轧硅钢,DW表示电工用冷轧无取向硅钢,DQ表示电工用冷轧取向硅钢。

②字母之后的数字表示铁损值(W/kg)的100倍。

③钢号尾部加字母“G”者,表示在高频率下检验的;未加“G”者,表示在频率为50周波下检验的。 例如钢号DW470表示电工用冷轧无取向硅钢产品在50赫频率时的最大单位重量铁损值为kg。 12．电工用纯铁

①它的牌号由字母“DT”和数字组成,“DT”表示电工用纯铁,数字表示不同牌号的顺序号,例如DT3。 ②在数字后面所加的字母表示电磁性能:A——高级、E——特级、C——超级,例如DT8A。 三、各種元素對鋼材性能之影響

碳(Carbon):存在于所有的钢材,是最重要的硬化元素。有助于增加钢材的强度。

铬(Chromium):增加耐磨损性,硬度,最重要的是耐腐蚀性,拥有13%以上的认为是不锈钢。尽管这么叫,如果保养不当,所有钢材都会生锈的。

锰(Manganese):重要的元素,有助于生成纹理结构,增加坚固性,和强度、及耐磨损性。在热处理和卷压过程中使钢材内部脱氧。

钼(Molybdenum):碳化作用剂,防止钢材变脆,在高温时保持钢材的强度,出现在很多钢材中,空气硬化钢总是包含1%或者更多的钼,这样它们才能在空气中变硬。 镍(Nickle):保持强度、抗腐蚀性、和韧性。

硅(Silicon):有助于增强强度。和锰一样,硅在钢的生产过程中用于保持钢材的强度。

钨(Tungsten):增强抗磨损性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。在高速钢中均含有大量的钨。

钒(Vanadium):增强抗磨损能力和延展性。

四、常用國產模具鋼材與各國模具鋼材牌號對照: 國產牌號 Cr12MoV1 Cr12MoV Cr12 CrWMn 4Cr5MoSiV1 4Cr13 3Cr2NiMo 3Cr2Mo 10Ni3MnCuA1 W18Cr4V W6Mo5Cr4V2

日本牌號 美國牌號 瑞典牌號 SKD11 DC53 SKD1 SKS3 SKD61 DH31S SUS420 PDS-5 PDS-3 NAK80 SKH-2 SKH-9 D2 D3 1 H13 420 P20+Ni P20 T1 M2 XW-41 XW-5 DF-2 8407 S136 718 618 化學成分 C Si Mn S Ni Cr W Mo V 第三章、本廠常用模具鋼材性能對比

一．硬度對比:

本廠常用模具鋼材硬度對比 牌號 200回火 300回火 400回火 500回火 600回火 SKD61 SKD11 DC53 DH31S VIKING S-136 8407 53 61 61 57 53 52 52 58 59 56 52 52 54 59 61 51 57 54 52 55 60 63 53 58 50 54 52 50 50 二．韌性對比:

在本廠常用模具材料中,以DH31S的韧性最好,依次為:8407、SKD61、VIKING、S136、SKH51、DC53、SKD11; 三．強度對比:

在本廠常用模具材料中,以SKH51強度最好,依次為DC53、SKD11、VIKING、S136、DH31S、8407/SKD61; 四．磨削加工性:

在本廠常用模具材料中,以SKH5最難進行磨削加工,依次SKD11、DC53、S136、SKD61、8407/DH31S、VIKING; 五、耐腐蝕性:

在本廠常用模具材料中,以S136耐腐蝕性最好,依次為SKH51、DC53、SKD11、VIKING、SKD61/8407/DH31S; 六、拋光性:

在本廠常用模具材料中,以S136拋光性最好,依次為SKD61/8407、DH31S、VIKING、SKH51/SKD11/DC53。

第四章、設計過程中應注意之工藝事項

以下針對我們平時一些設計在工藝上未考慮周全處做講解:

范例一:

下圖選擇材料為SKD61,而硬度要求為HRC58度,按現有工藝,根本無法做到;

范例二:

MARK板需光亮,使用SKD11料拋光性能不好,盡量使用SKD61或S136; 范例三:

鑲件清角問題,研磨加工易加工之材料如VIKING、SKD61等一般可以清角至R0.03MM,有特殊要求是可清角至R0.02MM,但成本較高,難加工之材料如:SKD11、DC53、SKH-9一般清角均在以上; 范例四: 小孔問題:因(不含以下的穿孔銅管很難加工,所以在加工過程中穿以下的孔成本比以上的孔高好几倍,以