第2章冷作模具材料Word文档格式.docx

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成形模具的主要失效形式是磨损，而拉拔模除了严重磨损外，还会产生“粘附”（咬合），

即在温度和压力作用下，模腔局部表面可与坯料发生焊合，使小块坯料粘附在模腔表面形成坚硬的小瘤，这些小瘤将使制品表面产生划痕和擦伤。

对拉拔模的主要性能要求是高的耐磨性，一般凸模硬度要求为58—62HRC，凹模硬度要求为62—64HRc，并且还要求具有良好的抗咬合性。

对成形模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度为54—58HRC，凹模硬度为56—60HRC，但要求较高的韧件。

2.2冷作模具用钢

冷作模具钢是应用最广泛的冷作模具材料。

除了传统的钢种外，近几年还开发和引进了很多新钢种，分类方法各异。

按化学成分和性能可分为低淬透性冷作模具钢、低变形冷作模具钢、抗冲击冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、高耐磨微变形冷作模具钢和特殊用途冷作模具钢等。

本节将重点介绍各类典型钢种的特性及热加工工艺。

2.2.1低淬透性冷作模具钢

此类钢有T7A、T8A、T12A、GCrl5、9Cr2钢等。

使用最多的是碳素工具钢和GCrl5钢。

1.碳素工具钢

用于冷作模具的碳素工具钢主要有T7A、T10A和T12A等，其中T10A应用最为普遍。

碳素工具钢只适宜制造尺寸较小，形状简单、受载较轻、生产批量不大的冷作模具。

T7A适合制作易脆断的小型模具或承受冲击载荷较大的模具；

T10A适合制作要求耐磨性较高，而承受冲击载荷较小的模具；

T8A适于制作小型拉拔、拉深、挤压模具；

T12A适于制作要求高硬度、高耐磨性、韧性要求不高的切边模等。

（1）主要性能特点

碳素工具钢价格便宜，来源方便，经热处理后有较高的硬度和一定的耐磨性。

与其他冷作模具钢相比，锻造工艺性较好，易退火软化，便于加工制成模具。

存在的主要缺陷是淬透性低，热硬性、耐磨性差，淬火温度范围窄，变形开裂的倾向大，模具使用寿命短。

T10A和T12A钢过热倾向较小，淬火晶粒较细，并有过剩碳化物，因此经热处理后钢的强度较高，耐磨性较好。

T10A钢还能保证足够的韧性，而T12A钢过剩碳化物过多、颗粒较粗、分布不均，易使钢的力学性能降低。

T8A钢由于没有过剩碳化物，因此过热倾向大，淬火加热时晶粒易粗化，韧件和耐磨性差，所以冷作模具制造很少采用。

T7A钢的耐磨性不如T10A钢，但有较好的韧性，所以韧性要求较高的冷作模具可以选用。

（2）热加工工艺

①锻造

碳素工具钢的锻造工艺见表2.1。

表2.1碳素工具钢的锻造工艺

牌号

始锻温度/℃

终锻温度/℃

冷却方式

T7A、T8A

1130-1160

≥800

单件空冷或堆放空冷

T10A、T12A

1100-1140

800-850

空冷到650-700℃后转入干砂、炉渣坑中缓冷

②退火和正火

经改锻后的模具毛坯必须进行球化退火，以便于切削加工，并为淬火作好组织准备。

当钢坯锻后出现粗大或严重网状碳化物时，应先进行正火后再进行球化退火。

碳素工具钢球化退火及正火工艺见表2.2和表2.3。

表2.2碳素工具钢的球化退火工艺

相变点/℃

加热温度/℃

保温时间/h

保温温度/℃

退火后硬度/HBS

Ac1

Ar1

730

700

750-770

1-2

680-700

2-3

163-187

179-207

Accm/℃

正火温度/℃

硬度/HBS

正火目的

T7A

770

800-820

229-285

促进球化

T8A

740

241-302

改进低硬度毛坯的切削性能

T10A

800

830-850

255-321

加速球化或提高淬透性

T12A

820

850-870

269-341

消除网状碳化物

表2.3碳素工具钢的正火工艺

③淬火和回火

碳素工具钢的淬火、回火工艺规范见表2.4。

如果淬火温度过高，增加淬火变形、开裂的危险，并导致淬火马氏体粗大，钢的韧性下降。

如果淬火温度过低，钢的硬度和耐磨性降低。

因此，对于直径较小、易淬透的小型模具，可以采用较低的淬火温度；

对于较大型模具，应适当提高淬火温度。

此外，为了增加淬硬层深度，对于在油或硝盐中淬火的模具，也应比水淬温度高20℃左右。

表2.4碳素工具钢的淬火和回火工艺规范

淬火

回火

冷却介质

780-800

盐或碱的水溶液

62-64

140-180

58-64

油或熔盐

59-61

180-200

56-60

760-770

63-65

58-62

780-790

60-62

770-790

60-64

790-810

61-62

61-64

2.GCrl5钢

GCrl5钢的纯度较高，ωC＝0.95％—1.05％，ωCr＝1.30％—1.65％。

高硬度、高强度、良好的耐磨性和一定的韧性。

与碳素工具钢相比，主要优点是淬透性较高，油淬情况下获得的淬硬层深度与碳素工具钢水淬相近，而且过热倾向小，淬火变形小，回火稳定性较高，容易获得稳定的热处理质量。

GCrl5钢的锻造性能较好。

工艺规程一般是始锻温度为1020—l080℃，终锻温度为850℃，锻后空冷。

②球化退火和正火

等温球化退火工艺是：

加热温度为770-790℃，保温2—4h，等温温度为690-720℃，等温时间为4—6h。

退火后硬度为217—255HBS，具有较好的切削性能。

GCrl5钢锻后如果出现严重的网状碳化物或晶粒粗大，应在球化退火之前进行正火处理。

正火工艺是：

加热温度为900—950℃，空冷。

GCr15钢适合的淬火温度范围为830—860℃，多用油冷，淬火后的硬度达63—64HRC。

回火温度可在150—180℃范围内选择，受冲击较小的模具可取下限温度，受冲击较大的模具可取上限温度，但回火温度不宜超过200℃，大于200℃则会出现回火脆性。

回火后硬度在58—65HRC范围内。

2.2.2低变形冷作模具钢

低变形冷作模具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素而发展起来的。

通常加入的合金元素有Cr、Mn、S、W、V等。

其主要作用是提高淬透性，减小淬火变形、开裂，形成特殊碳化物，细化晶粒，提高回火稳定性。

因此，这类钢的韧性、耐磨性、热硬性都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。

低变形冷作模具钢中CrWMn和9Mn2V是常用钢种。

1.CrWMn钢

CrWMn钢主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载冲裁模（板厚<

2mm），轻载拉深、弯曲、翻边模等。

由于多种合金元素的不同作用，CrWMn钢具有高的淬透性。

由于含有W，在淬火及低温回火状态下含有较多的钨的碳化物，所以硬度高（油淬硬度可达64HRC以上），耐磨性良好。

W还能细化品粒，改善钢的韧性。

该钢的主要缺陷是碳化物偏析比较严重。

热加工时易形成网状碳化物，韧性较差。

（2）热加工工艺

加热温度为1100—1150℃，始锻温度为1050—1100℃，终锻温度为800—850℃，锻后空冷至650℃转入热灰中缓冷，否则易形成网状碳化物。

尤其是大规格的钢材，应注意锻后采用空气吹冷，然后坑冷；

退火工艺规范是：

加热温度为790—830℃，等温温度为700—720℃，退火后的组织比较均匀，退火后的硬度为207—255HBS。

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℃，然后空冷。

淬火温度为820—840℃、油冷，硬度为63—65HRC。

模具要求高韧性而硬度要求不低于55HRC时，可采用下贝氏体等温淬火。

回火温度一般为160-200℃，为了克服回火脆性，应尽量避免在300℃附近回火。

2.9Mn2V钢

9Mn2V钢广泛用于冲件厚度小于4mm的冲模及尺寸较小的弯曲模、落料模等。

用它代替T10A，不仅可以减小热处理变形，还可大大提高模具寿命。

对于中小模具，该钢还可以代替CrWMn。

9Mn2V钢的主要化学成分是：

ωC＝0.85％—0.95％，ωMn＝1.7％-2％。

碳含量高是为了保证钢经热处理后具有高硬度、高耐磨性；

锰是为了提高钢的淬透性。

加入少量的钒，以细化晶粒，克服锰的过热倾向。

与CrWMn钢相比，耐磨性相近，碳化物不均匀性和淬火开裂的倾向性比CrWMn钢小，但淬透性低，油淬时临界淬透直径为40mm，回火稳定性也稍差。

9Mn2V钢锻造性能比CrWMn钢好。

锻造工艺规范是：

始锻温度为1130—1160℃，终锻温度为800—850℃，空冷至650—700℃转入炉灰中冷却。

②退火

加热温度为750—770℃，保温3—5h，等温温度为650—700℃，保温4—6h。

淬火温度为780—840℃。

为获得优良的强韧性，宜采用800℃淬火；

若希望工件获得最大的淬硬层深度，则可选取820—840℃。

淬火硬度为62-63HRC。

淬火采用油冷，形状复杂的模具可用100℃热油冷却或硝盐浴分级淬火。

回火温度为160—180℃，空冷。

回火硬度为58—62HRC。

回火温度在250—300℃范围产生回火脆性和模腔胀大，生产中应注意。

2.2.3高耐磨微变形冷作模具钢

低变形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要求。

对于形状复杂的重载冷作模具，必须采用性能更好的模具钢。

高耐磨微变形冷作模具钢就是其中一类，其中Crl2型钢和Cr4W2MoV钢是常用钢种，以下重点介绍Crl2型钢。

1.Crl2型钢的主要性能特点

Crl2型钢主要包括Crl2、Crl2MoV和Crl2MolVl，属于高碳高铬菜氏体钢。

这类钢经热处理后，组织中含有大量弥散分布的铬的碳化物颗粒，使钢具有很高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力仅次于高速钢。

其淬透性也高，截面尺寸为300-400mm的模具在油中均可淬透。

淬火变形小，通过调整淬火温度，可达微变形程度。

其中，Crl2钢的ωC高达2.3％，因此，碳化物不均匀性严重，脆性大，用于制造模具易产生崩刃和脆断；

Crl2MoV钢的含碳量比Crl2钢少，并加入Mo、V，使钢中碳化物分布不均匀性明显改善，韧性提高；

Crl2Mo1V1是研制的新钢种，由于Mo、V含量增加，其组织进一步细化，钢的耐磨性、强韧性较Crl2MoV要高，但锻造性能稍差，易锻裂，退火软化也比较困难。

2.热加工工艺

（1）锻造

Crl2型钢的导热性差，塑性低，变形抗力大，锻造温度范围窄，组织缺陷严重，所以锻造性能差。

合理的锻造工艺是：

预热温度为750—850℃，加热温度为1100—1150℃，始锻温度为1050-1100℃，终锻温度为850—900℃，锻后缓冷。

锻造时，必须严格执行锻造工艺，坚持多向、多次镦拔，才能保证击碎碳化物。

锻后还应注意及时退火。

（2）退火

Crl2型钢一般采用等温退火工艺，加热温度为850—870℃，保温2-4h，等温温度为740—760℃，保温4—6h。

退火后的硬度为207—255HBS。

（3）淬火和回火

Crl2型钢的淬火温度在1000—l075℃时可获得较好的力学性能。

在低于1040℃的温度下淬火，大部分可保持细小的奥氏体晶粒。

回火温度可采用高温、中温和低温。

生产中对Crl2型钢采用何种淬火、回火工艺，要根据模具的具体性能要求而定。

一般可选用三种淬火和回火工艺。

①低温淬火及低温回火（一次硬化法）。

Crl2钢的淬火温度为950-980℃，Crl2MoV钢的淬火温度为1000—1020℃，而回火温度都为200℃左右。

这样处理的Crl2型钢具有高的硬度、耐磨性及韧性．但抗压强度较低。

②高温淬火及高温回火（二次硬化法）。

Crl2钢的淬火温度为1000—1100℃，Crl2MoV钢的淬火温度为1040—1140℃，回火温度都为500—520℃。

经这种方法处理后可使其钢获得高耐磨性、热硬性及较高抗压强度，但韧性较差。

③中温淬火及中温回火。

Crl2MoV钢的淬火温度为1030℃，回火温度为400℃。

这种方法可获得最好的韧性，较高的断裂抗力。

Crl2型钢，由于淬透性高，淬火可采用空冷、油冷、硝盐分级淬火。

回火采用空冷，回火次数1—3次，多次回火可以提高模具寿命。

2.2.4高耐磨高韧性冷作模具钢

高强韧性钢虽然克服了高铬、高速钢的脆断倾向，但由于钢中含碳量的减少，其耐磨性不如高铬钢和高速钢。

对一些以磨损为主要失效形式的模具，高强韧性冷作模具钢仍满足不了要求。

为此，研制了高耐磨高韧性的冷作模具钢。

其典型钢种主要有9Cr6W3Mo2V2（GM）和Cr8MoWV3Si钢。

1.9Cr6W3Mo2V2（GM）钢

GM钢在高速冲床多工位级进模、滚边模、切边模、拉深模等方面应用效果较好，其寿命比65Nb和Crl2MoV钢提高2—6倍以上。

在标准件、电器仪表和电机行业都有广泛应用前景。

GM钢的ωC为0.86％—0.96％，含有多种碳化物形成元素，其中ωCr比Crl2型钢减少一半，符合我国的资源特点。

GM钢合金元素配比合理，未溶碳化物细小、弥散，加工性能良好。

GM钢的二次硬化能力强，耐磨性、韧性明显高于Crl2型钢，具有最佳耐磨性和强韧性的配合。

加热温度为1100—1150℃，始锻温度为1100℃，终锻温度为850—900℃。

锻前加热一定要缓慢进行，充分热透，锤击时采用轻-重-轻法操作，否则会出现锻裂，锻后应缓冷并及时退火。

模具毛坯通常采用等温球化退火，退火工艺如图2.5所示。

退火后硬度为205—228HBS。

图2.5GM钢等温球化退火工艺曲线

GM钢淬火温度范围宽，残余奥氏体少，回火稳定性好。

通常采用的淬火、回火工艺如图2.6所示。

图2.6GM钢淬火和回火工艺曲线

2.Cr8MoWV3Si钢

Cr8MoWV3Si钢是研制的新型冷作模具钢。

Cr8MoWV3Si钢在锻造、热处理、机加工、电加工等方面无特殊要求，材料成本适中，韧性高、耐磨性好，适宜于制作大型、重载冷镦模、精密冲模等。

如用Cr8MoWV3Si钢制作的电机硅钢片冲模，模具总寿命达360万次，一次刃磨寿命为21万次，是国内硅钢片冲模最高寿命水平。

又如，用Cr8MoWV3Si制作的大尺寸轴承滚子冷缴模寿命达1万次以上，超过从日本进口模具的保证寿命5000次。

（1）主要性能特点

与基体钢相比，增加了碳含量（ωC＝0.95％—1.10％）和碳化物元素的含量。

但碳化物数量少，颗粒细小，分布均匀，强度、韧性、耐磨性等力学性能指标均优于Crl2MoV钢。

Cr8MoWV3Si钢锻造性能良好，始锻温度为1150℃，终锻温度≥900℃，锻后缓冷并及时退火。

一般采用等温退火工艺，即860℃保温2h然后冷却至760℃等温4h，再缓冷至500℃以下出炉空冷。

退火硬度为220—240HBS，易于机械加工。

Cr8MoWV3Si钢淬火加热温度范围宽，二次硬化效果好，热处理变形小。

对于耐磨性要求高，又要保证高强韧性的模具，一般采用1120—1130℃淬火，550℃回火三次的热处理工艺。

回火硬度为62—64HRC。

2.3特殊用途冷作模具材料

2.3.1特殊用途冷作模具钢

这类钢主要有两类：

一类为典型的耐蚀冷作模具调，如9Cr18、Crl8MoV、Crl4Mo；

另一类为无磁模具钢，如1Crl8Ni9Ti、7Mnl5Cr2A13V2WMo等。

1.9Crl8耐蚀冷作模具钢

9Crl8钢的化学成分特点是高碳、高铬。

淬火后，马氏体中铬的质量分数高达12％左右，既具有高的硬度和耐磨性，又具有良好的耐蚀性能，主要用来制造耐蚀塑料模。

2.7Mnl5Cr2A13V2WMo无磁模具钢

无磁模具钢制的模具主要用于磁性材料的成形，以及无磁轴承和其他在强磁场中不产生磁感应的结构零件的成形。

该钢由于含锰量高，在使用状态下呈稳定的奥氏体组织，所以导磁系数非常低，不被磁化。

该钢经固溶淬火时效处理后，还有较高的强度、硬度和耐磨性。

锻造工艺是：

加热温度为1140—1160℃，始锻温度为1080—1100℃，终锻温度≥900℃，锻后空冷。

锻后采用高温退火工艺以改善切削加工性能。

退火工艺是：

870—890℃加热，保温3—6h，随炉缓冷至500℃以下出炉空冷。

退火硬度为28—29HRC，切削性能较差。

无磁模具钢的最终热处理是采用固溶处理加时效处理。

固溶处理温度为1165—1180℃，固溶处理后的硬度为20-22HRC。

时效处理工艺是：

加热温度为650℃，保温20h，空冷；

或加热温度为700℃，保温2h，空冷。

时效硬度分别为48HRC和49HRC。

对于一些尺寸精度要求高的模具，可在固溶处理后进行精加工，随后再进行时效处理，这样会减小模具的热处理变形。

为了提高模具的硬度和耐磨性，对7Mnl5Cr2A13V2WMo钢制模具还可实施气体氮碳共渗处理。

2.3.2硬质合金

硬质合金的种类很多，但制造模具用的硬质合金通常是金属陶瓷硬质合金和钢结硬质合金。

1.金属陶瓷硬质合金

此类合金是将一些高熔点、高硬度的金属碳化物粉末（如WC、TiC等）和粘结剂（Co、Ni等）混合后，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。

根据金属碳化物种类通常将其分为钨钻类硬质合金和钨钻钛类硬质合金。

冷冲模用硬质合金一般是钨钻类，主要为YG8、YG15、YG20、YG25等。

金属陶瓷硬质合金的共性是：

具有高的硬度、高的抗压强度和高的耐磨性，脆性大，不能进行锻造及热处理。

主要用来制作多工位级进模、大直径拉深凹模的镶块。

2.钢结硬质合金

钢结硬质合金是以WC、TiC等为硬质相，以合金钢为粘结剂，用粉末冶金方法生产的一种模具材料。

它具有金属陶瓷硬质合金的高硬度、高耐磨性、高抗压性，又具有钢的高韧性、可加工性和热处理性。

目前广泛使用的第二代钢结硬质合金是我国在20世纪80年代初研制成功的，硬质相为WC、简称为DT合金。

下面主要介绍DT合金。

DT合金越来越多地用来制造冷镦模、冷挤压模、冲裁模、拉深模等，使用效果良好。

（1）DT合金主要性能特点

DT合金硬质颗粒细小均匀，弥散分布，所以DT合金具有高硬度、高耐磨性，又较大幅度地提高了强度和韧性，因而能承受较大负荷的冲击，同时还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、碎裂等。

DT合金在退火软化后，具有较好的切削加工性，是较理想的工模具材料之一。

DT合金锻造温度范围较宽，热塑性较好。

始锻温度为1150-1200℃，终锻温度为880—900℃，锻后必须缓冷。

②热处理

DT合金的退火、淬火和回火工艺曲线分别如图2.7和图2.8所示。

DT合金也可采用1000-1020℃加热，200-300℃，30min的等温淬火工艺。

图2.7DT合金的退火工艺曲线

图2.8DT合金的淬火和回火工艺曲线

2.4冷作模具的选材及热处理特点

选择冷作模具材料时，首先应考虑所选材料制作模具的寿命长短，同时兼顾材料的工艺性和经济性；

其次要综合考虑模具结构，工作条件，制品的形状、尺寸，材质性质，加工精度，生产批量等方面对模具的影响。

在模具材料选定之后，还必须配以正确的热处理，这样才能保证模具的使用性能和寿命。

2.4.1冲裁模的选材及热处理

1.冲裁模的选材

（1）薄板冲裁模

薄板（厚度≤1.5mm）冲模的主要失效形式是磨损，其选材的依据是制品的生产批量、尺寸大小和复杂程度。

一般，对于小批量（<

1000件）、尺寸小、形状简单的薄板冲模，选用T8A、T10A；

对于中小批量（103—l05件）、形状较复杂、尺寸较大的冲裁模，选用9Mn2V、9CrWMn、CrWMn、GCr15等钢种；

对于大批量（>

106件）、尺寸较大、形状复杂