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第二章冷作模具材料第一节冷作模具对材料性能的要求一、使用性能要求冷作模具的受载形式拉伸、弯曲、压缩冲击、疲劳、摩擦冷作模具的失效形式磨损、开裂断裂、变形、咬合、冲裁模冲裁分离过程冲裁时，板料受力：凸、凹模的垂直作用力F、侧压力N、摩擦力μN、μF。板料变形：长度方向拉伸（伸长）、厚度方向压缩、弯曲上翘（弯矩的存在）冲裁变形过程拉深模工作过程演示挤压模挤压利用强大的压力，使金属坯料从挤压模模孔内挤出并获得所需产品的加工方法。凸模坯料凸模坯料冷镦模•冷镦模是指在冲击力的作用下将金属棒状坯料镦成一定形状和尺寸的产品的冷作模具。下图为螺栓冷镦模标准件冷镦模冷镦模的工作条件•冲击频率高(60~120次/min)，冲击力大，金属坯料受到强烈镦击，同时受到短周期冲击载荷的作用。•工作应力大，凸模承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，产生强烈摩擦，因而冷镦模最常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。•工作环境温度高，约300℃。材料在型腔中剧烈变形时产生的热量被模具吸收。良好的抗疲劳性：σ-1应满足模具的要求良好的抗咬合性能：取决于润滑条件和成形材料的性质使用性能的基本要求：良好的耐磨性模具硬度应高于工件的30%~50%模具组织应为回火马氏体或下贝氏体，加细小碳化物高强度：拉伸屈服强度σS、压缩屈服强度σ压应满足模具受载要求足够的韧性（受冲击载荷大、易受偏心弯曲的模具）二、工艺性能要求1、可锻性热锻变形抗力低、塑性好锻造温度范围宽锻裂、冷裂及碳化物析出倾向小2、可加工性切削力小、切削用量大刀具磨损小、加工表面光洁3、可磨削性对砂轮质量及冷却条件不敏感不易发生磨伤与磨裂4、热处理工艺性①淬透性：获得淬硬层深度②回火稳定性：模具钢受热软化的能力③脱碳倾向、过热敏感性④淬火变形开裂倾向淬透性（hardenability）表示钢在一定条件下淬火时获得淬透层深度的能力，主要受奥氏体中的碳含量和合金元素的影响。在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力，它表示钢接受淬火的能力。表示方法：淬硬层深度。淬硬层深度越大，则淬透性越好。决定因素：化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，也跟加热温度和保温时间等因素有关。性能作用：淬透性好的钢材，可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂，以减少变形和开裂。三、冷作模具材料的成分特点1、钢的含碳量对高耐磨的冷作模具：0.7%~2.3%对高强韧性冷作模具：0.5%~0.7%含碳量硬度强度耐磨性塑性韧性2、合金化特点加入强碳化物淬透性回火稳定性耐磨性强韧性主要合金元素的作用：锰淬透性减小变形有回火脆硅淬透性回火稳定性屈服强度过热脱碳倾向大铬淬透性抗氧化性耐磨性有回火脆性镍强度和韧性淬透性耐蚀性有回火脆钼、钨、钒：属强碳化物形成元素，具有二次硬化效果，对提高钢的回火稳定性、耐磨性、耐热性都具有显著作用。第二节冷作模具材料及热处理规范冷作模具钢综合分类：①低淬透性冷作模具钢②低变形冷作模具钢③高耐磨微变形冷作模具钢④高强度高耐磨冷作模具钢⑤抗冲击冷作模具钢⑥高强韧性冷作模具钢⑦高耐磨、高韧性冷作模具钢⑧特殊用途冷作模具钢一、低淬透性冷作模具钢（一）碳素工具钢（二）GCr15钢（一）碳素工具钢1、优点：价格便宜，来源方便，较高的硬度，一定的耐磨性，易于锻造，易于软化。缺点：淬透性差，淬火易于变形、开裂，模具寿命短。典型钢种：T7A、T10A、T12A2、热加工工艺1）锻造锻造工艺见表2~3。工艺要点：终锻温度不能过高，冷却速度不宜过缓（锻后空冷），以避免析出二次网状渗碳体。无粗大或网状碳化物时，采用球化退火。出现粗大或网状碳化物时，先正火再球化退火。2）退火与正火锻后模具毛坯应经预备热处理：球化退火和正火工艺见表2-4、2-5。3）淬火与回火碳素工具钢淬火和回火工艺规范见表2-6，但对于具体模具应进行选择。淬火温度的选择,考虑的因素见图2-1、2-2。图2-1淬火温度对T10A钢强韧性的影响图2-2淬火温度对T8钢淬硬层深度的影响综合分析如下：提高淬火温度，钢的强韧性下降，变形、开裂的倾向增大。但提高淬火温度，可提高淬透性，增加硬化层深度，提高模具的承载能力。据此，碳素工具钢制模具的淬火温度选择原则是：对于小型模具，可采用较低淬火温度（760~780℃）。对于较大型模具，适当提高淬火温度（800~850℃）。对于形状复杂的模具，应采用较低淬火温度。淬火冷却方式的选择冷却方式水溶液、油冷水溶液—油、水溶液—硝盐分级淬火、等温淬火具体冷却方法及适用范围见表2-7。回火温度选择淬火后应及时回火，回火温度根据性能要求而定。图2-3碳素工具钢的力学性能与回火温度的关系硬度要求较高时，宜采用150~200℃回火。抗弯强度要求较高时，宜采用220~280℃回火回火时间1~2小时回火冷却油冷或硝盐浴3、应用范围碳素工具钢只适宜制作尺寸较小、形状简单受载轻、生产批量不大的模具。如：T7-轻载小型冷作模T8-拉深模T10-冷镦模T12-拉丝、切边模（二）GCr15钢1、主要性能特点GCr15钢是专用轴承钢，冶金质量较高，与碳工钢相比：硬度高，耐磨性好接触疲劳强度高淬透性高，淬、回火变形开裂倾向小回火稳定性高，有较高的强韧性使用寿命大幅提高2、热加工工艺GCr15钢的锻造性能较好，工艺规程一般是：加热温度：1050~1100℃始锻温度：1020~1080℃终锻温度：850℃，锻后缓冷。锻造工艺不当，碳化物将出现不良分布。1)锻造2)球化退火与正火锻后采用等温球化退火：加热温度：770~790℃，保温2~4h。等温温度：690~720℃，等温4~6h。退火后硬度：217~255HBW。锻后若出现网状、条状碳化物，在退火前必须正火。正火工艺：加热温度930~950℃。冷却方式小型模块，空冷；较大模块，鼓风或喷雾；大型模块，热油中冷却。3）淬火与回火淬火加热温度：830~860℃，油冷。尺寸较大或分级淬火的模具，宜选840~860℃。尺寸较小模具，宜选830~850℃。箱式炉加热应比盐浴炉加热温度高。3、应用适于制作精度要求较高的小尺寸落料模冷挤压模搓丝板成型模二、低变形冷作模具钢成分特点：碳工钢+少量Gr、Mn、Si、W、V典型钢种：CrWMn、9Mn2V、MnCrWV（一）CrWMn1、主要性能特点淬透性良好（φ40~φ50模具油中可淬透）耐磨性良好（W碳化物作用）淬火变形小易形成网状碳化物，锻造不良，韧性差终锻：800~850℃，锻后空冷至650℃后缓冷2)退火与正火退火工艺：加热790~830℃，等温700~720℃，保温1~2h，炉冷至550℃出炉。锻造不良，出现网状碳化物或粗大晶粒时，需正火。正火工艺：930~950℃保温后空冷2、热加工工艺1）锻造加热：1100~1150℃，始锻：1050~1100℃3)淬、回火图2~6、2~7为CrWMn钢的力学性能与淬火温度的关系：综合两图分析：普通淬火温度820~840℃油冷适宜，硬度可达63~65HRC。图2~8为CrWMn钢两种淬火方法性能比较。---普通淬火—等温淬火要求高韧性的模具，采用等温淬火合适。CrWMn钢回火温度与力学性能的关系。由图可见160~200℃合适3、应用范围主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载冲裁模、拉深模、弯曲模、翻边模CrWMn钢碳化物易产生偏析的问题，生产中往往难以解决，造成模具使用中脆断损坏比较严重，建议选用MnCrWV或9CrWMn钢替代。（二）9Mn2V钢1、主要性能特点与CrWMn钢相比，二者耐磨性相近，9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂的倾向性比CrWMn钢小淬透性低回火稳定稍差。2、热加工工艺1）锻造始锻：1130~1160℃，终锻：800~850℃，空冷至650~700℃转入炉灰中冷却。2）退火加热750~770℃/3~5h，等温0~700℃/4~6h。3）淬、回火图2~11、图2~12为9Mn2V钢的力学性能与淬火温度的关系。图2~11图2~12由图分析可知：9Mn2V钢的淬火温度范围较宽，在840℃以下淬火，力学性能基本不变，840℃以上淬火，综合力学性能将会下降。因此合适的淬火温度为780~840℃，根据模具的性能要求在此范围可适当调整。淬火一般采用油冷，形状复杂的模具可用100℃热油冷却或硝盐浴分级淬火。图2~14是回火温度对9Mn2V钢的硬度和冲击韧性的影响因此，9Mn2V钢适宜的回火温度为160~180℃。在200~250℃回火，出现明显的回火脆。在200℃以上回火，硬度下降速率增大，表明回火稳定性差。（三）其他低变形冷作模具钢应用较多的低变形冷作模具钢还有9CrWMn、MnCrWnV、SiMnMo等。往往作为CrWMn和9Mn2V的替代钢种，使用效果良好。3、应用范围9Mn2V钢适用于制作钢板厚度小于4mm的冷冲模制作精密量具从成分特点看属于高碳高铬钢从组织特点看属于莱氏体钢从应用上看，应用广，用量大。既有传统钢种，也有新型钢种。典型钢号有：Cr12Cr12MoVCr12Mo1V1Cr4W2MoV三、高耐磨微变形冷作模具钢包括Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（一）Cr12型钢1、主要性能特点组织中含有大量铬的碳化物颗粒，耐磨性高。具有高硬度、高抗压强度和高承载能力。淬火变形小，通过淬火温度的调整可达微变形程度。Cr12型钢特点比较Cr12碳量高达2.3%，碳化物不均匀性严重，脆性大；Cr12MoV碳量减少至1.5%，Mo、V加入碳化物细化，韧性增加；Cr12Mo1V1钢Mo、V进一步增加，碳化物更加细化，韧性更好，但锻造性稍差，难退火。2、热加工工艺1）锻造Cr12型钢因是莱氏体钢，轧制后仍残留明显的带状和网状碳化物，将造成模具淬火开裂，严重损害钢的力学性能，必须严格锻造，使碳化物级别符合要求。（P24：表2~11为碳化物级别与力学性能的关系）锻造工艺预热750~850℃，加热1050~1100℃始锻1000~1050℃，终锻850~900℃Cr12型钢锻造性能差，必须坚持多向、多次镦拔才能使碳化物碎化并分布合理。2）退火锻后应及时退火。等温退火工艺加热850870℃/2~4h等温740~760℃/4~6h炉冷至550℃以下出炉空冷退火后的硬度为207~255HBW，便于切削加工。3）淬火与回火温度大于1050℃淬火，奥氏体变粗，抗弯强度、冲击韧度明显降低。图2~15、2~16是淬火温度对Cr12MoV钢的组织和性能的影响。图2~17、2~18、2~19是回火温度对Cr12MoV钢力学性能的影响。图2~17图2~18图2~19由图分析可见：钢在520℃左右回火出现明显的二次硬化。在200℃左右回火，其抗弯、抗压强度最高。在400℃左右回火，断裂韧度最高。因此，Cr12型钢的淬火、回火温度应根据模具的性能要求而定，一般可选用三种淬回火工艺。①低温淬火及低温回火性能特点：具有高的硬度、耐磨性及韧性，抗压强度较低②高温淬火及高温性能特点：具有高耐磨性、热硬性及较高抗压强度。③中温淬火及中温回火性能特点：最好的韧性，较高的断裂韧度。Cr12型钢淬火可采用空冷、油冷、分级淬火，回火可采用油冷或空冷，回火次数1~3次。3、应用范围Cr12钢：只适用于制造冲击负荷小、耐磨性要求高的冲切薄硬钢板的冲裁模。Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢：广泛用于制造大截面、形状复杂的重载模具，如切边模、落料模、滚边模、拉丝模。Cr12Mo1V1脆断倾向最小，模具寿命是Cr12MoV的几倍。（二）Cr4W2MoV钢是新型中合金冷作模具钢Cr量比Cr12型钢减少2/3，性能相近主要特点如下：1、主要性能特点①共晶碳化物颗粒细小，分布均匀。②具有较高的淬透性和淬硬性。③具有较好的耐磨性和尺寸稳定性。1、热加工工艺Cr4W2MoV钢锻造温度较窄，变形抗力较大，锻造时应注意这点。加热：1130~1150℃，始锻：1040~1060℃终