第一章 模具的寿命与失效

１模具寿命：模具因磨损或其他形式失效，终至不可修复而报废之前所加工的产品件数。

模具失效：模具受到损坏不能通过修复而继续服役时叫做模具失效。

正常失效：模具经大量的生产使用，因均匀磨损或疲劳断裂或均匀的塑性变形而不能继续服役。 非正常失效：模具未达到一定的工业技术下公认的寿命时就不能服役时，称为模具的早期失效。 ２模具的主要失效形式：

磨损：模具和被加工的坯料之间相互摩擦，引起模具表面物质的损耗，是模具的几何形状发生变化而不

能继续服役，即为磨损失效。 包括：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损。

断裂：模具多为中、高强度钢，故多为脆性断裂。

疲劳断裂：在较低的循环应力作用下，经多次使用，裂纹缓慢扩展后发生的断裂。

塑性变形：局部应力大于模具的屈服强度导致的塌陷、弯曲、镦粗。

模具设计不合理引起的失效 设计

模具材料质量差引起的失效 选材（排名第一）

３影响模具寿命的因素： 机械加工不当引起的失效 机加工

热处理制度不合理引起的实效 热处理（排名第二）

表面强化不当引起的失效 表面强化

操作方法不正确引起的失效 使用

第二章 模具材料概述

１

使用性能： 硬度和红硬性（热稳定性）；耐磨性；强度和韧性；

热疲劳能力；抗粘着性（抗咬合性）；热强性和热稳定性。 性能要求 工艺性能： 加工性；热处理变形和淬火温度；

淬硬性和淬透性；脱碳敏感性。

２ 使用性能足够：力学性能满足模具的使用要求。

模具选材的 工艺性能良好：加工性能良好，易制造。

一般原则 供应能保证： 材料来源广。

经济性合理： 生产过程简单、成品率高、成本低，尽可能选便宜的材料。

３模具材料按模具的类别分有： 冷作模具材料、热作模具材料、塑料模具材料、

其他模具材料（玻璃模具材料、陶瓷模具材料）。

第三章冷作模具钢及其热处理

１冷作模具钢的 使用性能：耐磨性、咬合抗力、断裂抗力、变形抗力、受热软化抗力。

性能要求 工艺性能：锻造工艺性、切削工艺性、热处理工艺性。

２按钢中合金元素和使用性能，冷作模具钢分为哪几类？列举其主要代表钢号。

高碳工具钢：T7 T8 T9 T10 T11 T12 （C 0.7%--1.3%） 高碳低合金工具钢： 9Mn2V、 MnCrWV、 9SiCr、 CrWMn、 GCr15 (高C量，合金元素<5%)

高碳高铬钢：Cr12、 Cr12MoV (C 1.3%--2.3%，Cr 11%--13%) 高碳中铬钢：Cr6WV、Cr5MoV、Cr4W2MoV、6Cr4W3Mo2VNb (C 1%左右，Cr中等4%--6%) 高速钢：W18Cr4V(钨系高速钢)、W6Mo5Cr4V2(钨钼系高速钢)、W12Mo3Cr4V3N

特殊用途冷作模具钢：1Cr18Ni9Ti

３ 使钢重结晶形成细晶粒的组织，从而生成低硬度的粒状珠光体；

模具钢退火的目的 改善切削加工性能；

获得正确的组织、消除内应力，为最终热处理做组织准备。

４ Cr12和Cr12MoV钢中合金元素的作用：

（1）Cr是缩小奥氏体相区，使S点和Ｅ点向左上方移动的元素，Mo、V也有相似作用；

（2）Cr使C曲线强烈右移，大大提高了钢的淬透性,

（3）Cr溶入A使Ms点下降，A’量增加，减小了淬火体积变形。

（4）在Cr12MoV中加入Mo、V，碳化物偏析较Cr12有所改善，进一步提高了钢的回火稳定性和淬透性，同时细化晶粒，改善钢的韧性。

（5）形成了M7C3型化合物，提高了钢的耐磨性。

５比较Cr12型冷作模具钢与高速钢在性能、应用上的区别：

Cr12型冷作模具钢（属于高耐磨钢中的高碳高铬钢），含有大量Cr、C，属于莱氏体钢。

铸态组织有鱼骨状共晶碳化物，热加工可使之破碎。锻造后有较大内应力。

硬度较高（HB477—653），难于切削加工，必须进行退火处理，一般采用等温退火。

高强度高耐磨性，淬火变形小。冲击韧性差，易脆裂。

用于制造冲击负荷要求小、要求高耐磨的冷冲模冲头和拉丝模、压印模、拉延模等。

高速钢含有大量W、Mo、Cr、V等合金元素，铸态组织为骨骼状或鱼骨状的莱氏体组织。

具有很高的硬度、红硬性及高温强度，其热处理温度范围较宽，不宜过热，不易氧化脱碳，磨削加工性能好。但是碳化物分布不均匀，高温塑性较差。

广泛应用于制造各种切削刀具，制造高负荷的冷作模具，如挤压模具等。

６基体钢：成分与高速钢淬火后的组织成分大致相同而性能有所改善的一类钢。一般说，在高速钢的基体

成分上添加少量其他元素，适当改善含碳量，以改善性能适应某种要求的钢种，都叫基体钢。

与高速钢相比基体钢的特点：

成分上：在高速钢基体成分上添加少量其他元素，适当改变其含碳量。

减少了共晶碳化物，并使之均匀分布，韧性提高。

应用场合：基体钢中65Nb钢可代替Cr12MoV、W18Cr4V、3Cr2W8V，适宜制造强韧性较高的冷挤压模具及

冷镦模具。 012Al钢中加入Al细化晶粒，提高韧性。可代替Cr12MoV、3Cr2W8V，制造冷、

热作模具。 CG2钢中加入Mo而减少W降低了碳化物偏析，加Ni改善了韧性强化了基体改

进了高温性能。适用于制造冷镦模、冷冲模和冷挤模。可代替3Cr2W8V钢制造热作模具。

７ 7CrSiMnMoV，代号CH-1钢，低温空淬微变形钢，高韧性低合金钢，火焰淬火钢

钢的特性：淬火温度宽，具有良好的淬透性和淬硬性，强度高韧性优良。

适合火焰淬火原因：该钢具有较高的淬透性，可用冷却速度缓和的介质如空气，从而减小了淬火应力，

降低了变形开裂倾向，并在热处理淬火时可调节A’和M的比例，达到微变形甚至不变形。

适用的冷作模具：以崩刃及碎裂失效为主的冷冲压模具、有较高强韧性和一定耐磨性要求的模具，可做

家电产品的大型模具，也可制作冷冲模镶块。

８ 高速钢的热处理特点：包括锻后退火、加工后的淬火和回火。

退火：目的是降低硬度，改善切削加工性、消除锻后残余应力并为淬火做组织准备；

退火温度不宜过高，否则不能降低钢的硬度，还会造成氧化和脱碳。

钨系高速钢在870--880℃长时间保温会使(Fe,W)3C转化为WC，淬火时难溶于A，降低钢的使用性能。淬火：为降低模具淬火时的变形和开裂，必须进行一次或二次预热；

在加热过程中应采用中性保护气氛或中性盐浴炉进行加热以防止工件的氧化和脱碳。

回火：淬火后应立即回火以避免残余奥氏体稳定化，残余应力使工件变形；

不能用一次长时间的回火代替多次短时间的回火操作；

每次回火应在空中冷却至室温再进行下一次回火，否则易产生回火不足。

９、Cr12或高速钢需要改锻的原因：（Cr12或高速钢均为莱氏体钢）

Cr12型冷作模具钢（属于高耐磨钢中的高碳高铬钢）铸态组织有鱼骨状共晶碳化物，且碳化物分布不均匀

不能通过热处理方法消除，必须经过改锻，改变其形态分布；随钢材尺寸增大，碳化物偏析等级越高，钢的变形、开裂倾向越大，大大降低钢的力学性能，因此需要改锻。

高速钢含有大量的碳化物(一次、二次合金碳化物)，在1300℃的高温下一次碳化物也不能完全溶入奥氏体，

这种复杂合金碳化物的不均匀性不能靠热处理方法(扩散退火)消除。尤其对于大截面钢材，碳化物往往呈严重的带状、网络状、大颗粒状或块状堆集，碳化物不均匀分布使钢材出现各向异性，所以制造模具的钢材需要进行改锻反复镦粗和拔长，以达到破碎碳化物使之均匀分布的目的。

１０、模具钢回火目的：

（1）为防止淬火应力引起的开裂，稳定组织，调整性能，淬火后应立即回火；

（2）高速钢在连续冷却淬火后内应力较大，很脆，内部组织不稳定，进行回火可以消除或降低淬火内应力，稳定内部组织，提高钢的强度和韧性，得到适当的硬度，保证模具性能，延长其使用寿命。 高速钢多次回火的原因：

因为高速钢在淬火状态A＇较多，一次回火难以全部消除，多次回火后才能使A’量减至最低，同时

产生二次硬化效应，获得较好的力学性能。

第四章热作模具钢

１温度对模具钢的组织影响: 回火温度： 组织性能变化不大；

回火温度<T<Ac1: 回火组织转变，性能也发生相应的变化。强度、硬度降低，塑性韧性增加； ： 可能发生相变。相变发生是组织发生变化的同时引起性能的变化，也会产生组织应力，会

加剧热疲劳；

硬度（主要性能指标，一般40—52HRC）、 强度

冲击韧度、断裂韧度、回火稳定性、热稳定性、

２热作模具钢抗热磨损、抗氧化性能、热疲劳抗力、良好的导热性、

应具备的性能良好的热处理工艺性包括淬透性与淬硬性

锻造性能

良好的成型加工性如切削性等

热作模具钢的成分特点：大多数为合金工具钢，少数用高温合金和硬质合金；

合金元素的作用：Cr、Mn、Si、Mo、Ni可强化铁素体，增加淬透性。

Cr、Mn、Si可获得很好的抗氧化性。

Mo、W等可防止回火脆性。

Mo、W、V可增加抗热性和耐磨性。

含碳量偏低，属中碳成分，一般0.3--0.6%属于亚共析钢。

热作模具钢性能特点：淬透性高，抗热性和耐磨性好，抗氧化性好，回火稳定性高，冷热疲劳性好。

３锤锻模、压力机锻模工作条件：

锤锻模是使用于模锻锤上的模具，不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要承受很大的压应力、拉应力

和弯曲应力，同时受到交替的金属坯料加热和油、空气、水的冷却作用。型腔表面易产生热疲劳裂纹与塑性变形的金属交互摩擦，容易磨损而精度降低。

压力机锻模要承受巨大的压力，冲击力较小，受热更严重。所以，压力机锻模中的热应力及其变化幅度

更大，型腔表面所经受的氧化腐蚀也较为严重。

高淬透性，保证大型模具整个截面有均匀的力学性能

这类模具钢应具备的 高的抗回火稳定性，和高的高温强度

基本性能： 好的冲击韧性和高的疲劳强度，以承受冲击负荷，不产生热龟裂

好的导热性能，使模具型腔表面的热量尽快外传，降低模具温度

好的抗氧化性能，和加工工艺性

低耐热高韧性钢（热锤锻模）：5CrNiMo、5CrMnMo、 4CrMnSiMoV、5Cr2NiMoV

常用钢号中耐热高韧性钢（压铸模）：4Cr4MoWSiV、4Cr5MoSiV、4Cr5W2SiV

高耐热性钢：3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V、5Cr4Mo2W2SiV、5Cr4W5Mo2V

４低耐热高韧性钢5CrNiMo、5CrMnMo、 4CrMnSiMoV和5Cr2NiMoV中合金元素的主要作用：

—Mn、Cr—Ni 配合能够强化铁素体，提高淬透性使钢进一步强化，改善钢的力学性能； 、W主要提高钢的回火抗力，防止回火脆性，；

、W和V也能形成碳化物，提高钢的耐磨性；

主要细化晶粒；

、V可增加抗热性和耐磨性；

、Mn、Si可获得很好的抗氧化性。

５比较压铸模用钢4Cr5MoSiV1和3Cr2W8V的成分和性能特点：

4Cr5MoSiV1属于中耐热高韧性钢与低耐热高韧性钢，3Cr2W8V相比含有较多的Cr、Mo、W、V等碳化物形

成元素，以及较低的碳含量。Mo、Cr加入，大大提高了淬透性，V提高了抗过热敏感性，提

高热硬性和热强度。此钢有高的疲劳强度，热处理变形小。

3Cr2W8V属于高耐热性钢，含碳量不高，接近共析或过共析成分，含有较多的强碳化物形成元素W、V，

有高的耐热性和耐磨性，但塑性韧性、抗冷热疲劳性比4Cr5MoSiV1钢低，相变温度较高，抵抗

冷热交变的耐热疲劳性良好，有好的回火抗力，回火时有强烈的二次硬化。

６特殊用途热作模具钢：

超高强度钢：高强度高硬度高屈强比还有足够的韧性、塑性。40CrMo、40CrNi2Mo、30CrNiMnSiA

马氏体时效钢：经过固溶处理后得到马氏体，具有很好的加工性能，后经时效处理，析出沉淀硬化相，

很高的强韧性。

高速工具钢：高强度、好的热硬性，韧性较差，可作为热挤压模、热冲压用冲头、热成型轧辊、铝合金

压铸模等。

奥氏体耐热钢：组织比较稳定，不会相变，具有很高的高温强度和耐热性。缺点是膨胀系数大，导热性

差，降低了钢的热疲劳性能，不适用于强烈水冷的工具。

包括高锰系奥氏体钢、铬镍系奥氏体钢。

第五章塑料模具钢

１塑料模具钢按照加工方法分为哪两类？各选用哪些钢种？

切削加工成型塑料模：多以调质钢为主，及渗碳钢20、20Cr，碳素工具钢T10A、T7A，不锈钢4Cr13

合金工具钢9Mn2V、9CrWMo，热模钢5CrMnMo、5CrNiMo，高耐磨钢Cr12MoV，等。

冷压成型塑料模：以低碳钢（渗碳钢）为主----电工纯铁DT1A，20，20Cr，40Cr，12CrNi3A

及铬系冷压成形专用钢0Cr2、0CrNi、0Cr4Mo、0Cr5MoV

２ 预硬化型塑料模具钢：指供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态的硬度（HRC25--50），加

工出模具后不再进行热处理而直接使用，从而保证制造精度的钢种。

时效硬化型塑料模具钢：主要是马氏体时效钢，适用于制造精度高、超镜面、复杂、大型塑料模具。 马氏体时效钢：经过固溶处理后得到马氏体，具有很好的加工性能，后经时效处理，析出沉淀硬化相，

很高的强韧性。

３影响塑料模具 要求具有一定强度、硬度，冷热加工性能好，热处理变形小

钢镜面加工性的特别是要求钢的纯洁度高，钢中有害残余气体和非金属夹杂物少，

因素以防在镜面出现针孔、桔皮、斑纹及锈蚀等缺陷。

4塑料模具性

使用性能：较高的硬度，好的耐磨性；足够的强度和韧性；一定的抗热性，尺寸稳定性好；对有腐蚀

介质析出时，要求有一定的耐蚀性；良好的导热性