第二节冷作模具材料及热处理规范

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、T12A（一）碳素工具钢2、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℃终锻：≥850℃，坑冷或热砂缓冷。2）退火采用等温退火。1）锻造加热：860℃/3h，炉冷至760℃等温4~6h出炉缓冷。（球化效果良好，硬度小于241HBW）3）淬火与回火根据模具工作条件可采用两种淬回火工艺：①要求耐磨性和热硬性高的模具：1020~1040℃淬火，520~540℃三次回火。②要求韧性好、变形小的模具：960~980℃分级淬火，270~290℃回火二次。Cr4W2MoV钢主要用于制造各种冲模、冷镦模、落料模、冷挤凹模及搓丝板，可替代Cr12型钢。3、应用范围三、其他高耐磨微变形冷作模具钢中合金冷作模具钢Cr6WV：具有较好的耐磨性和韧性的配合，碳化物分布均匀，淬火变形小。主要用于制造高强度、高耐磨和承受一定冲击载荷的模具，如钻套、冷冲模及冲头等。中合金空冷模具钢Cr5Mo1V：引自美国的A2开发的新钢种，具有良好的空冷硬化性能，这对制造形状复杂的冷冲模是极为有利，特别适于制造要求高耐性又要求好的韧性的模具，如下料模、冲头、滚丝模、剪刀片等。（以上两只钢的热处理工艺见教材表2~14）四、高强度高耐磨冷作模具钢典型钢种：即高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V21、主要性能特点成分特点：Wc：0.7%~0.9%性能特点：具有高屈服强度、高抗压强度、高抗弯强度，高耐磨性，同时具有很高的回火稳定性和热硬性。承载能力位于各传统冷作模具钢之首。（与Cr12MoV的性能比较见教材表2~15）主要缺陷：轧材中存在大量的合金碳化物，并且成带状、网状、块状分布，只能用改锻的方法使之细化。其次，导热性差、韧性不足，易脱碳氧化。耐磨性比较见图2~20图2~202、热加工工艺1）锻造钨系高速钢：加热1120~1150℃，始锻1040~1050℃，终锻900~950℃，锻后坑冷、砂冷或炉冷。钼系高速钢：始锻1000~1020℃，终锻≥850℃工艺要点：应反复镦粗与拔长，锻造比一般为10左右2）退火常采用等温退火W18Cr4V钢：加热870~880℃/2~4h，等温720~750℃/4~6h，随炉冷至600~650℃出炉空冷。W6Mo5Cr4V2钢：加热850~860℃，其余工艺参数同上。3）淬回火高速钢传统的用途主要用制造高速切削的各类刀具，为了满足刀具的热硬性和耐磨性的要求，常采用高淬高回的热处理工艺，这种处理对于刀具虽然满足了热硬性和耐磨性的要求，但韧性不足。W6Mo5Cr4V2钢经不同淬火温度和回火温度的处理，其硬度和韧性的变化见图2~21。图2~21由图可见，如要求较高的韧性，采用低温淬火工艺较合理。因此，高速钢用于重载模具常采用低淬低回或低淬高回的工艺。具体工艺如下：W18Cr4V钢：1100~1250℃加热淬火，560℃回火三次或150~250℃回火一次。W6Mo5Cr4V2钢：1050~1200℃加热淬火，560℃回火三次或150~250℃回火一次。经此处理硬度约为58~64HRC，韧性良好。3、应