冷作模具材料

第二節(jié)冷作模具材料航空制造工程學(xué)院王克魯冷作模具材料重點(diǎn)：冷作模具鋼的特點(diǎn)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(diǎn)：不同類型冷作模具鋼的性能特點(diǎn)；冷作模具鋼材料的合理選用；冷作模具熱處理工藝制定。學(xué)習(xí)應(yīng)注意：冷作模具選用時(shí)，首先考慮滿足模具的使用性能要求，同時(shí)兼顧工藝性能和經(jīng)濟(jì)性。重點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)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(diǎn)及其應(yīng)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(qiáng)模具鋼的性能特點(diǎn)及應(yīng)用。冷作模具鋼的熱處理工藝路線；冷作模具鋼的選用實(shí)例。冷作模具是在常溫下對(duì)材料進(jìn)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(qiáng)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(duì)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(duì)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(chǎn)生脆斷和過早出現(xiàn)疲勞斷裂，這對(duì)冷沖頭、切邊模尤為重要；④淬火時(shí)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(zhì)量要求高，加工產(chǎn)品量大，多數(shù)為最終產(chǎn)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(yīng)力和波動(dòng)應(yīng)力的冷擠壓和冷鐓模具出現(xiàn)脆性開裂失效的比例明顯高于低工作應(yīng)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(dá)60HRC有關(guān)。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(fù)；②強(qiáng)度不足：變形，鐓粗；工作載荷大，硬度偏低。當(dāng)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(shí)兼顧材料的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。具體選擇時(shí)應(yīng)從模具的種類、結(jié)構(gòu)、工作條件、制品材質(zhì)、制品形狀和尺寸、加工精度、生產(chǎn)批量等方面綜合考慮，最后根據(jù)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(yīng)考慮模具壽命，但壽命長(zhǎng)短不是唯一的選用依據(jù);還應(yīng)考慮沖壓件的材質(zhì)，另外應(yīng)考慮沖壓件的產(chǎn)量，沖壓件的形狀、尺寸、厚度、尺寸公差和毛刺等各種因素對(duì)模具壽命影響極大，也應(yīng)考慮;除此，還要考慮鋼種價(jià)格以及模具材料費(fèi)占模具總費(fèi)用的份額。①薄板冷沖裁模用鋼。對(duì)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(qiáng)韌性。上一頁

下一頁新型冷作模具鋼在冷沖裁模方面的應(yīng)用實(shí)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(jī)等行業(yè)中占有重要位置。如果被拉深的板材較薄、強(qiáng)度較低、塑性較好、模具承受載荷較輕時(shí)，屬于輕載拉深;如果被拉深材料強(qiáng)度較高或板材較厚時(shí)，則模具承受載荷增大，屬于重載拉深。在冷拉深時(shí)，沖擊力很小，主要要求模具具有較高的強(qiáng)度和耐磨性，在工作時(shí)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(shí)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(shí)要受到很大的壓應(yīng)力作用，同時(shí)還要受拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及摩擦力的作用，而凹模工作時(shí)，要受到很大的摩擦力及切向拉應(yīng)力作用，因此，制作冷擠壓模具的材料必須具有高的強(qiáng)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(shí)，模具承受極大的擠壓力，故模具的抗壓強(qiáng)度要高，為防止折斷，抗彎強(qiáng)度也要高。此外，冷擠壓是在整個(gè)模具型腔內(nèi)進(jìn)行，金屬變形產(chǎn)生的熱量很大，模具溫度達(dá)到300℃左右，這就要求模具材料具有較高的高溫強(qiáng)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(yīng)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(fù)雜，變形量不太大，冷鐓速度也不是很高的冷鐓件生產(chǎn)，生產(chǎn)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(chǎn)變形量大、形狀較復(fù)雜的冷徽件。冷鐓件用鋼是強(qiáng)度較高的合金鋼或中高碳鋼。對(duì)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(guó)已引進(jìn)國(guó)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(diǎn)是具有較高的淬透性和淬硬性，具有很高的壓縮屈服點(diǎn)，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(shí)容易過熱．變形也大，塑性及強(qiáng)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(xué)成分（wt%)T8鋼物理性能預(yù)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(shí)不變熱的工具，如加工木材工具、手用橫鋸、手用細(xì)木工鋸、機(jī)用細(xì)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(jiǎn)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(fù)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(kuò)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(gè)比碳素工具鋼具有較好的綜合力學(xué)性能的低合金工具鋼，具有較高的硬度和耐磨性。淬火時(shí)變形較小，淬透性很好。由于鋼中含有一定量的釩，細(xì)化了晶粒，減小鋼的過熱敏感性。同時(shí)碳化物較細(xì)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(jī)床的絲杠等結(jié)構(gòu)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(jí)淬火或等溫淬火。因此通常用于制造形狀復(fù)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(dòng)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(xì)長(zhǎng)桿件。其主要缺點(diǎn)是加熱時(shí)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(xì)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(xiàn)象較少，并能較好地保持刀刃形狀和尺寸。但是，CrWMn鋼對(duì)形成碳化物網(wǎng)比較敏感。這種網(wǎng)的存在，就使工具刃部有剝落的危險(xiǎn)，從而使工具的使用壽命縮短。因此，有碳化物網(wǎng)的鋼，必須根據(jù)其嚴(yán)重程度進(jìn)行鍛壓和淬火。高耐磨鋼Cr6WV鋼是一個(gè)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(jī)械強(qiáng)度，要求一定耐磨性和經(jīng)受一定沖擊負(fù)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(qiáng)度、高抗壓性、高耐磨性和高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)。廣泛用于制造各種切削刀具，也用于制造各種高負(fù)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(xiàn)為合金元素消耗量大，價(jià)格貴，制造工藝性能不佳，熱處理工藝復(fù)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(jìn)的冷作模具鋼

(一)高強(qiáng)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(dāng)改變其含碳量，以改善性能適應(yīng)某些要求的鋼種，目前都叫基體鋼。我國(guó)已經(jīng)研制成功并在推廣應(yīng)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(shí)對(duì)返修的模具（需進(jìn)行重新淬火）也應(yīng)進(jìn)行退火。這些鋼特別是鉬含量較多的鋼，其脫碳敏感性較強(qiáng)，當(dāng)不采用真空爐或保護(hù)氣氛爐退火時(shí)，必須采取其他保護(hù)措施以防止嚴(yán)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度。3.7Cr7Mo2V2Si

其強(qiáng)韌性遠(yuǎn)高于高速鋼或高碳高鉻鋼，同時(shí)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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(zhì)，從而減少了淬火應(yīng)力，降低了變形開裂傾向，并在熱處理淬火時(shí)可調(diào)節(jié)殘余奧氏體與馬氏體相對(duì)量的比例，因而降低了比體積差，達(dá)到微變形，甚至幾乎不變形。因?yàn)榇慊饻囟冗^高，殘余奧氏體量則增多，所以可采用調(diào)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(jìn)的冷作模具鋼：近幾年隨著我國(guó)對(duì)外開放，在模具鋼方面也引進(jìn)了一些國(guó)外典型的模具鋼，以彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)的不足，主要有美國(guó)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(jī)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(jī)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(fù)雜冷作模具復(fù)雜冷作模具的制造工藝路線:鍛造→球化退火→機(jī)械粗加工→高溫回火或調(diào)質(zhì)→機(jī)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(shí)間、淬火介質(zhì)及采用合適的淬火加熱方法，都會(huì)有效地提高模具的使用性能。3.冷作模具的強(qiáng)韌化處理藝術(shù)（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(tǒng)淬火溫度進(jìn)行的淬火操作。（2）冷作模具鋼的高溫淬火工藝對(duì)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(xì)化處理

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

分級(jí)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(qiáng)韌性的重要方法。（5）其他強(qiáng)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(yù)處理工藝、片狀珠光體組織預(yù)處理工藝等都可以明顯提高冷作模具鋼的強(qiáng)韌性。上一頁返回例一：T10A鋼冷作模具斷裂的原因及預(yù)防

某拖拉機(jī)廠采用T10A鋼制作冷沖壓模具，其制造工藝流程為：設(shè)計(jì)→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(chǎn)生斷裂，分析其原因并提出預(yù)防措施。

拖拉機(jī)生產(chǎn)中需要大量的模具，特別是冷作模具，它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有著重要的作用。T10A鋼由于價(jià)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(nèi)部組織的連續(xù)性，這是產(chǎn)生淬火裂紋的根源，氣孔是應(yīng)力集中的地方，熱處理時(shí)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(chǎn)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(dāng)成T10A使用，熱處理后會(huì)造成開裂。設(shè)計(jì)不當(dāng)：比如相鄰截面相差懸殊；模具過渡處圓角過小，易產(chǎn)生應(yīng)力集中；模具間隙配合錯(cuò)誤；模具設(shè)計(jì)強(qiáng)度小與實(shí)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(jī)械加工缺陷：機(jī)械加工時(shí)表面粗糙、刀痕過深等原因也會(huì)使T10A冷作模具產(chǎn)生應(yīng)力集中，在淬火時(shí)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(huì)造成開裂。加熱時(shí)間過長(zhǎng)：T10A鋼模具加熱溫度正常，但加熱時(shí)間過程，也會(huì)使模具產(chǎn)生淬火裂紋。脫碳層的影響：由于表面脫碳層與心部化學(xué)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(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)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(xiǎn)性越大?；鼗穑河捎赥10A模具在淬火冷卻時(shí)內(nèi)部存在著殘余應(yīng)力，如不進(jìn)行回火或回火不及時(shí)、不充分，往往易使模具開裂，同時(shí)保留下來的未回火馬氏體或過量奧氏體在磨削時(shí)也會(huì)產(chǎn)生組織轉(zhuǎn)變，易造成磨削裂紋。㈢其他因素引起的裂紋：