冷作模具材料

第二節(jié)冷作模具材料航空制造工程學院王克魯冷作模具材料重點：冷作模具鋼的特點及性能要求；冷作模具鋼的分類、性能及選用；冷作模具鋼的熱處理原理及工藝制訂。難點：不同類型冷作模具鋼的性能特點；冷作模具鋼材料的合理選用；冷作模具熱處理工藝制定。學習應注意：冷作模具選用時，首先考慮滿足模具的使用性能要求，同時兼顧工藝性能和經濟性。重點知識點冷作模具材料及性能要求；不同類型冷作模具材料的性能特點及其應用上區(qū)別。碳素工具鋼、油淬冷作模具鋼、空淬冷作模具鋼、高碳高鉻冷作模具鋼、基體鋼和低碳高速鋼、高耐磨高強模具鋼的性能特點及應用。冷作模具鋼的熱處理工藝路線；冷作模具鋼的選用實例。冷作模具是在常溫下對材料進行壓力加工或其他加工所使用的模具，它主要分為沖裁模、拉拔及壓型模、冷鐓模和冷擠模。冷作模具鋼一般含碳量較高，大多含強化鐵素體的合金元素Si、Mn或Cr、W、Mo、V。冷作模具的主要失效形式，主要有斷裂（包括剝落、崩刃、掉牙）、變形、磨損（刃口變鈍、孔徑變大、平面變凹）等幾種，為了提高冷作模具的使用壽命，對冷作模具鋼的基本要求是：①硬度高：HRC58以上；②耐磨性好：保證磨損量少，形狀尺寸變化量小，這對提高冷拉模和冷鐓模的使用壽命尤為重要；③有足夠的韌性、不致產生脆斷和過早出現疲勞斷裂，這對冷沖頭、切邊模尤為重要；④淬火時變形小，使模具淬火后型腔尺寸變化不大。

冷作模具與熱作模具相比有許多不同之處：尺寸精度、表面質量要求高，加工產品量大，多數為最終產品等，多采用高碳、高合金鋼。冷作模具主要失效類型是過載失效和磨損失效，約占失效總量的80%～90%。冷鐓模具以開裂脆斷或局部脫落掉塊為主，冷擠壓模具以脆斷或磨損為主，而冷沖模具以磨損失效為主。高工作應力和波動應力的冷擠壓和冷鐓模具出現脆性開裂失效的比例明顯高于低工作應力冷沖模。疲勞斷裂失效比例較少，這與冷作模具多采用高碳、高合金鋼，硬度高達60HRC有關。過載失效：①韌度不足：脆斷、開裂失效；失效前無明顯征兆，斷裂突然，不可修復；②強度不足：變形，鐓粗；工作載荷大，硬度偏低。當冷鐓沖頭的硬度<56HRC，冷擠沖頭硬度<62HRC易發(fā)生。冷作模具：①冷沖裁模：磨損，崩刃，斷裂；②冷拉深模：磨損，咬合，劃傷；③冷鐓模：脆斷，開裂，磨損；④冷擠壓模：擠裂，疲勞斷裂，塑性變形，磨損。冷作模具鋼材料的選用冷作模具鋼材料的選用原則基本原則是：首先要滿足模具的使用性能要求，同時兼顧材料的工藝性和經濟性。具體選擇時應從模具的種類、結構、工作條件、制品材質、制品形狀和尺寸、加工精度、生產批量等方面綜合考慮，最后根據模具使用壽命和模具成本做出選擇。

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返回冷作模具鋼材料的選用1.冷沖裁模材料的選用

(1)冷沖裁模材料的選用原則和方法。選用冷沖裁模用鋼主要應考慮模具壽命，但壽命長短不是唯一的選用依據;還應考慮沖壓件的材質，另外應考慮沖壓件的產量，沖壓件的形狀、尺寸、厚度、尺寸公差和毛刺等各種因素對模具壽命影響極大，也應考慮;除此，還要考慮鋼種價格以及模具材料費占模具總費用的份額。①薄板冷沖裁模用鋼。對薄板冷沖裁模用鋼要求具有高的耐磨性。②厚板冷沖裁模用鋼。厚板冷沖裁模用鋼既要有高的耐磨性，又要有良好的強韌性。上一頁

下一頁新型冷作模具鋼在冷沖裁模方面的應用實例返回2.冷拉伸模材料的選用冷拉深模具主要用于板材的冷拉深成形，在電器、儀表、汽車及拖拉機等行業(yè)中占有重要位置。如果被拉深的板材較薄、強度較低、塑性較好、模具承受載荷較輕時，屬于輕載拉深;如果被拉深材料強度較高或板材較厚時，則模具承受載荷增大，屬于重載拉深。在冷拉深時，沖擊力很小，主要要求模具具有較高的強度和耐磨性，在工作時不發(fā)生鉆附和劃傷，具有一定韌性和較好的切削加工性，并要求熱處理時模具變形小。上一頁下一頁拉深模具材料的選用舉例及工作硬度返回3.冷擠壓模材料的選用由于冷擠壓凸模在工作時要受到很大的壓應力作用，同時還要受拉應力、彎曲應力及摩擦力的作用，而凹模工作時，要受到很大的摩擦力及切向拉應力作用，因此，制作冷擠壓模具的材料必須具有高的強韌性及良好的耐磨性。一般有求硬度61-63HRC,硬度過高，模具容易碎裂、崩塊;硬度不夠，模具容易磨損，也可能發(fā)生壓塌及變形。由于擠壓時，模具承受極大的擠壓力，故模具的抗壓強度要高，為防止折斷，抗彎強度也要高。此外，冷擠壓是在整個模具型腔內進行，金屬變形產生的熱量很大，模具溫度達到300℃左右，這就要求模具材料具有較高的高溫強度及硬度。由于模具是在冷熱交變條件下工作的，模具材料也應具有較高的冷熱疲勞抗力。上一頁下一頁冷擠壓模材料的選用舉例及工作硬度下一頁冷擠壓模材料的選用舉例及工作硬度返回上一頁4.冷鐓模材料的選用

(1)一般載荷冷鐓模用鋼一般載荷冷鐓模主要用于形狀不太復雜，變形量不太大，冷鐓速度也不是很高的冷鐓件生產，生產的冷鐓件為低碳鋼或中低碳鋼零件。

(2)重載冷鐓模用鋼重載冷鐓模用于生產變形量大、形狀較復雜的冷徽件。冷鐓件用鋼是強度較高的合金鋼或中高碳鋼。對這類模具通常采用Cr12冷作模具鋼、高速鋼及新開發(fā)研制的冷作模具鋼。上一頁下一頁(3)新型冷鐓模用鋼我國已引進國外鋼種或自行開發(fā)了10余種適合制作冷鐓模具的新鋼種。這些新鋼種的特點是具有較高的淬透性和淬硬性，具有很高的壓縮屈服點，較好的耐磨性和韌性。上一頁下一頁冷墩模材料的選用舉例及工作硬度下一頁冷墩模材料的選用舉例及工作硬度返回上一頁常用冷作模具材料的性能比較冷作模具鋼的分類、性能和選用

按成分和性能分類按元素成分分類按性能分類冷作模具鋼按成分和性能分類和選用

冷作模具鋼按成分和性能可分為：①高碳工具鋼：T7A、T8A、T10A、T11A等。

②高碳低合金鋼：9Mn2V、MnCrWV、9SiCr、CrWMn、GCrl5等③高耐磨鋼：Cr12、Cr12MoV、Cr6WV、W18Cr4V等④特殊用途冷作模具鋼:高碳工具鋼T8鋼T8鋼淬火加熱時容易過熱．變形也大，塑性及強度也比較低，不宜制造承受較大沖擊的工具，但熱處理后有較高的硬度及耐磨性。因此，多用來制造銑刀、埋頭鉆、平頭锪鉆、斧、鑿、鏨、縱向手用鋸、圓鋸片、鉛錫合金壓鑄板和型芯．以及鉗工裝配工具、鉚釘沖模、沖模等。T8鋼化學成分（wt%)T8鋼物理性能預先熱處理工藝T10鋼T10鋼淬火后鋼中有未溶的過剩碳化物，所以具有較T8、T8A鋼為高的耐磨性，適于制造切削刃口在工作時不變熱的工具，如加工木材工具、手用橫鋸、手用細木工鋸、機用細木工具、麻花鉆、拉絲模、沖模、冷鐓模、小尺寸斷面均勻的冷切邊及沖孔模、低精度的形狀簡單的卡板、鉗工刮刀、挫刀等。熱加工T12鋼T12鋼由于碳含量高，淬火后有較多的過剩碳化物，按耐磨性和硬度適于制作不受沖擊負荷、切削速度不高、切削刃口不變熱的工具，如制作車床、刨床用刀、銑刀、鉆頭；可制絞刀、擴孔鉆、絲錐、板牙、刮刀、量規(guī)、切煙草刀、挫刀，以及斷面尺寸小的冷切邊模、沖孔模等。高碳低合金工具鋼9Mn2V9Mn2V鋼是一個比碳素工具鋼具有較好的綜合力學性能的低合金工具鋼，具有較高的硬度和耐磨性。淬火時變形較小，淬透性很好。由于鋼中含有一定量的釩，細化了晶粒，減小鋼的過熱敏感性。同時碳化物較細小和分布較均勻。該鋼適于制造各種精密量具、樣板，也用于一般要求的尺寸比較小的沖模及冷壓模、雕刻模、落料模等，還可以做機床的絲杠等結構件。9SiCr9SiCr鋼比一般鉻鋼具有更高的淬透性和淬硬性，并且具有較高的回火穩(wěn)定性。適于分級淬火或等溫淬火。因此通常用于制造形狀復雜、變形小、耐磨性要求高的低速切削刃具，如鉆頭、螺紋工具、手動絞刀等；也可以做冷作模具，如沖模、打印模等，此外，還用于制造冷軋輥、校正輥以及細長桿件。其主要缺點是加熱時脫碳傾向性較大。CrWMnCrWMn鋼具有高淬透性。由于鎢形成碳化物，這種鋼在淬火和低溫回火后具有比鉻鋼和9SiCr鋼更多的過剩碳化物和更高的硬度及耐磨性。此外，鎢還有助于保存細小晶粒，從而使鋼獲得較好的韌性。所以由CrWMn鋼制成的刃具，崩刃現象較少，并能較好地保持刀刃形狀和尺寸。但是，CrWMn鋼對形成碳化物網比較敏感。這種網的存在，就使工具刃部有剝落的危險，從而使工具的使用壽命縮短。因此，有碳化物網的鋼，必須根據其嚴重程度進行鍛壓和淬火。高耐磨鋼Cr6WV鋼是一個具有較好綜合性能的中合金冷作模具鋼。該鋼變形小，淬透性良好，具有較好的耐磨性和一定的沖擊韌度，該鋼由于合金元素和碳含量較低，所以比Cr12和Cr12MoV鋼碳化物分布均勻。

Cr6WV鋼具有廣泛的用途，制造具有高機械強度，要求一定耐磨性和經受一定沖擊負荷下的模具，如冷沖模及沖頭，切邊模，壓印模，螺絲滾模等等。

高速鋼具有高強度、高抗壓性、高耐磨性和高熱穩(wěn)定性的特點。廣泛用于制造各種切削刀具，也用于制造各種高負荷冷作模具，如冷擠壓模、冷沖裁模等。但高速鋼作為冷作模具鋼也存在一定的局限性，主要表現為合金元素消耗量大，價格貴，制造工藝性能不佳，熱處理工藝復雜，淬火、回火后的變形難以控制。冷作模具鋼按元素成分分類和選用冷作模具鋼按性能分類和選用冷作模具鋼按工藝性能分組新研制和引進的冷作模具鋼

(一)高強韌性的冷作模具鋼——基體鋼：基體鋼是指成分與高速鋼淬火后的基體組織(M)成分大致相同、而性能有所改善的一類鋼，它減少了共晶碳化物，并使其分布均勻、從而提高了韌性。一般說，在高速鋼的基體成分上添加少量其他元素，適當改變其含碳量，以改善性能適應某些要求的鋼種，目前都叫基體鋼。我國已經研制成功并在推廣應用的基體鋼：65Nb、CG2、012A1、LD1、LMl、LM2等?；w鋼和低碳高速鋼基體鋼和低碳高速鋼的一般特性基體鋼和低碳高速鋼鍛后必須退火，同時對返修的模具（需進行重新淬火）也應進行退火。這些鋼特別是鉬含量較多的鋼，其脫碳敏感性較強，當不采用真空爐或保護氣氛爐退火時，必須采取其他保護措施以防止嚴重脫碳。

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返回常用基體鋼和低碳高速鋼1.6W6Mo5Cr4V

它的淬透性好，并具有類似高速鋼的高硬度、高耐磨性、高強度和好的紅硬性，且韌性比高速鋼高。上一頁下一頁2.6Cr4W3Mo2VNb

它具有高速鋼的高硬度和高強度，又因無過剩的碳化物，所以比高速鋼具有更高的韌性和疲勞強度。3.7Cr7Mo2V2Si

其強韌性遠高于高速鋼或高碳高鉻鋼，同時還具有高的耐磨性，好的冷、熱加工工藝，熱處理變形小，通用性強等優(yōu)點。上一頁返回(二)微變形空淬鋼：這類鋼有較高的淬透性，可用冷卻速度緩和的淬火介質，從而減少了淬火應力，降低了變形開裂傾向，并在熱處理淬火時可調節(jié)殘余奧氏體與馬氏體相對量的比例，因而降低了比體積差，達到微變形，甚至幾乎不變形。因為淬火溫度過高，殘余奧氏體量則增多，所以可采用調整淬火溫度，從而來控制殘余奧氏體量。微變形鋼的類型：主要有GD鋼、CH-1鋼等。（三）引進的冷作模具鋼：近幾年隨著我國對外開放，在模具鋼方面也引進了一些國外典型的模具鋼，以彌補國內的不足，主要有美國的D2、D7、A2、A7鋼。冷作模具鋼的熱處理工藝1.冷作模具的制造工藝路線（1）一般成形冷作模具一般成形冷作模具的制造工藝路線:鍛造→球化退火→機械加工成形→淬火與回火→鉗修裝配。（2）成形磨削及電加工冷作模具成形磨削及電加工冷作模具的制造工藝路線:鍛造→球化退火→機械粗加工→淬火與回火→精加工成形(凸模成形磨削，凹模電加工)→鉗修裝配。（3）復雜冷作模具復雜冷作模具的制造工藝路線:鍛造→球化退火→機械粗加工→高溫回火或調質→機械加工成型→鉗修裝配。上一頁下一頁2.冷作模具的淬火淬火是冷作模具的最終熱處理中最重要的操作，合理選擇淬火加熱溫度、保溫時間、淬火介質及采用合適的淬火加熱方法，都會有效地提高模具的使用性能。3.冷作模具的強韌化處理藝術（1）冷作模具鋼的低溫淬火工藝所謂低溫淬火是指低于該鋼的傳統淬火溫度進行的淬火操作。（2）冷作模具鋼的高溫淬火工藝對于一些低淬透性的冷作模具鋼，為了提高淬硬層厚度，常采用提高淬火溫度的方法。上一頁下一頁（3）冷作模具的微細化處理

微細化處理包括鋼中基體組織的細化和碳化物的細化兩個方面?；w組織的細化可提高鋼的強韌性;碳化物的細化不僅有利于增強鋼的強韌性，而且增加鋼的耐磨性。（4）冷作模具鋼的分級淬火和等溫淬火

分級淬火和等溫淬火不僅可以減少模具的變形和開裂，而且是提高冷作模具強韌性的重要方法。（5）其他強韌化處理方法

除了上述方法外，還有變熱處理、噴液淬火、快速加熱淬火、消除鏈狀碳化物組織的預處理工藝、片狀珠光體組織預處理工藝等都可以明顯提高冷作模具鋼的強韌性。上一頁返回例一：T10A鋼冷作模具斷裂的原因及預防

某拖拉機廠采用T10A鋼制作冷沖壓模具，其制造工藝流程為：設計→下料→鍛造→退火→加工成形→淬火。然而，T10A冷作模具易在加工、使用過程中產生斷裂，分析其原因并提出預防措施。

拖拉機生產中需要大量的模具，特別是冷作模具，它對提高產品質量和生產效率有著重要的作用。T10A鋼由于價格低廉、材料來源廣、淬火溫度低、熱處理后具有較高的表面硬度和較好的耐磨性。因此被廣泛用來制造冷作模具。斷裂的原因㈠熱處理前的影響：原材料的缺陷：非金屬夾雜物將破壞鋼內部組織的連續(xù)性，這是產生淬火裂紋的根源，氣孔是應力集中的地方，熱處理時也容易在此引起開裂。T10A鋼的碳化物分布不均勻或鋼中存在著帶狀組織等也是產生熱處理裂紋的原因。此外，材料中S、P含量高是造成脆性斷裂的原因之一。管理混亂：由于材料管理混亂，往往把不同鋼種的材料混放在一起，若把其它材料當成T10A使用，熱處理后會造成開裂。設計不當：比如相鄰截面相差懸殊；模具過渡處圓角過小，易產生應力集中；模具間隙配合錯誤；模具設計強度小與實際需要等。鍛造及鍛后熱處理工藝：如鍛造入爐溫度過高、加熱速度太快、鍛造變形速度過快及變形不均、終鍛溫度過低和鍛后冷卻速度快等都能造成模具顯微裂紋或隱藏裂紋。機械加工缺陷：機械加工時表面粗糙、刀痕過深等原因也會使T10A冷作模具產生應力集中，在淬火時容易開裂。㈡熱處理的影響：加熱溫度：如淬火溫度過高、制定工藝考慮不周、加熱溫度不均勻等均會造成開裂。加熱時間過長：T10A鋼模具加熱溫度正常，但加熱時間過程，也會使模具產生淬火裂紋。脫碳層的影響：由于表面脫碳層與心部化學成分不同，在淬火冷卻過程中，其表層與心部的體積膨脹量有很大的差異，形成很大的表面拉應力，當拉應力超過鋼的抗拉強度時就造成模具淬火裂紋。淬火冷卻速度：冷卻速度越大，淬裂的危險性越大?；鼗穑河捎赥10A模具在淬火冷卻時內部存在著殘余應力，如不進行回火或回火不及時、不充分，往往易使模具開裂，同時保留下來的未回火馬氏體或過量奧氏體在磨削時也會產生組織轉變，易造成磨削裂紋。㈢其他因素引起的裂紋：