冷作模具材料

第二节冷作模具材料航空制造工程学院王克鲁冷作模具材料重点：冷作模具钢的特点及性能要求；冷作模具钢的分类、性能及选用；冷作模具钢的热处理原理及工艺制订。难点：不同类型冷作模具钢的性能特点；冷作模具钢材料的合理选用；冷作模具热处理工艺制定。学习应注意：冷作模具选用时，首先考虑满足模具的使用性能要求，同时兼顾工艺性能和经济性。重点知识点冷作模具材料及性能要求；不同类型冷作模具材料的性能特点及其应用上区别。碳素工具钢、油淬冷作模具钢、空淬冷作模具钢、高碳高铬冷作模具钢、基体钢和低碳高速钢、高耐磨高强模具钢的性能特点及应用。冷作模具钢的热处理工艺路线；冷作模具钢的选用实例。冷作模具是在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具，它主要分为冲裁模、拉拔及压型模、冷镦模和冷挤模。冷作模具钢一般含碳量较高，大多含强化铁素体的合金元素Si、Mn或Cr、W、Mo、V。冷作模具的主要失效形式，主要有断裂（包括剥落、崩刃、掉牙）、变形、磨损（刃口变钝、孔径变大、平面变凹）等几种，为了提高冷作模具的使用寿命，对冷作模具钢的基本要求是：①硬度高：HRC58以上；②耐磨性好：保证磨损量少，形状尺寸变化量小，这对提高冷拉模和冷镦模的使用寿命尤为重要；③有足够的韧性、不致产生脆断和过早出现疲劳断裂，这对冷冲头、切边模尤为重要；④淬火时变形小，使模具淬火后型腔尺寸变化不大。

冷作模具与热作模具相比有许多不同之处：尺寸精度、表面质量要求高，加工产品量大，多数为最终产品等，多采用高碳、高合金钢。冷作模具主要失效类型是过载失效和磨损失效，约占失效总量的80%～90%。冷镦模具以开裂脆断或局部脱落掉块为主，冷挤压模具以脆断或磨损为主，而冷冲模具以磨损失效为主。高工作应力和波动应力的冷挤压和冷镦模具出现脆性开裂失效的比例明显高于低工作应力冷冲模。疲劳断裂失效比例较少，这与冷作模具多采用高碳、高合金钢，硬度高达60HRC有关。过载失效：①韧度不足：脆断、开裂失效；失效前无明显征兆，断裂突然，不可修复；②强度不足：变形，镦粗；工作载荷大，硬度偏低。当冷镦冲头的硬度<56HRC，冷挤冲头硬度<62HRC易发生。冷作模具：①冷冲裁模：磨损，崩刃，断裂；②冷拉深模：磨损，咬合，划伤；③冷镦模：脆断，开裂，磨损；④冷挤压模：挤裂，疲劳断裂，塑性变形，磨损。冷作模具钢材料的选用冷作模具钢材料的选用原则基本原则是：首先要满足模具的使用性能要求，同时兼顾材料的工艺性和经济性。具体选择时应从模具的种类、结构、工作条件、制品材质、制品形状和尺寸、加工精度、生产批量等方面综合考虑，最后根据模具使用寿命和模具成本做出选择。

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返回冷作模具钢材料的选用1.冷冲裁模材料的选用

(1)冷冲裁模材料的选用原则和方法。选用冷冲裁模用钢主要应考虑模具寿命，但寿命长短不是唯一的选用依据;还应考虑冲压件的材质，另外应考虑冲压件的产量，冲压件的形状、尺寸、厚度、尺寸公差和毛刺等各种因素对模具寿命影响极大，也应考虑;除此，还要考虑钢种价格以及模具材料费占模具总费用的份额。①薄板冷冲裁模用钢。对薄板冷冲裁模用钢要求具有高的耐磨性。②厚板冷冲裁模用钢。厚板冷冲裁模用钢既要有高的耐磨性，又要有良好的强韧性。上一页

下一页新型冷作模具钢在冷冲裁模方面的应用实例返回2.冷拉伸模材料的选用冷拉深模具主要用于板材的冷拉深成形，在电器、仪表、汽车及拖拉机等行业中占有重要位置。如果被拉深的板材较薄、强度较低、塑性较好、模具承受载荷较轻时，属于轻载拉深;如果被拉深材料强度较高或板材较厚时，则模具承受载荷增大，属于重载拉深。在冷拉深时，冲击力很小，主要要求模具具有较高的强度和耐磨性，在工作时不发生钻附和划伤，具有一定韧性和较好的切削加工性，并要求热处理时模具变形小。上一页下一页拉深模具材料的选用举例及工作硬度返回3.冷挤压模材料的选用由于冷挤压凸模在工作时要受到很大的压应力作用，同时还要受拉应力、弯曲应力及摩擦力的作用，而凹模工作时，要受到很大的摩擦力及切向拉应力作用，因此，制作冷挤压模具的材料必须具有高的强韧性及良好的耐磨性。一般有求硬度61-63HRC,硬度过高，模具容易碎裂、崩块;硬度不够，模具容易磨损，也可能发生压塌及变形。由于挤压时，模具承受极大的挤压力，故模具的抗压强度要高，为防止折断，抗弯强度也要高。此外，冷挤压是在整个模具型腔内进行，金属变形产生的热量很大，模具温度达到300℃左右，这就要求模具材料具有较高的高温强度及硬度。由于模具是在冷热交变条件下工作的，模具材料也应具有较高的冷热疲劳抗力。上一页下一页冷挤压模材料的选用举例及工作硬度下一页冷挤压模材料的选用举例及工作硬度返回上一页4.冷镦模材料的选用

(1)一般载荷冷镦模用钢一般载荷冷镦模主要用于形状不太复杂，变形量不太大，冷镦速度也不是很高的冷镦件生产，生产的冷镦件为低碳钢或中低碳钢零件。

(2)重载冷镦模用钢重载冷镦模用于生产变形量大、形状较复杂的冷徽件。冷镦件用钢是强度较高的合金钢或中高碳钢。对这类模具通常采用Cr12冷作模具钢、高速钢及新开发研制的冷作模具钢。上一页下一页(3)新型冷镦模用钢我国已引进国外钢种或自行开发了10余种适合制作冷镦模具的新钢种。这些新钢种的特点是具有较高的淬透性和淬硬性，具有很高的压缩屈服点，较好的耐磨性和韧性。上一页下一页冷墩模材料的选用举例及工作硬度下一页冷墩模材料的选用举例及工作硬度返回上一页常用冷作模具材料的性能比较冷作模具钢的分类、性能和选用

按成分和性能分类按元素成分分类按性能分类冷作模具钢按成分和性能分类和选用

冷作模具钢按成分和性能可分为：①高碳工具钢：T7A、T8A、T10A、T11A等。

②高碳低合金钢：9Mn2V、MnCrWV、9SiCr、CrWMn、GCrl5等③高耐磨钢：Cr12、Cr12MoV、Cr6WV、W18Cr4V等④特殊用途冷作模具钢:高碳工具钢T8钢T8钢淬火加热时容易过热．变形也大，塑性及强度也比较低，不宜制造承受较大冲击的工具，但热处理后有较高的硬度及耐磨性。因此，多用来制造铣刀、埋头钻、平头锪钻、斧、凿、錾、纵向手用锯、圆锯片、铅锡合金压铸板和型芯．以及钳工装配工具、铆钉冲模、冲模等。T8钢化学成分（wt%)T8钢物理性能预先热处理工艺T10钢T10钢淬火后钢中有未溶的过剩碳化物，所以具有较T8、T8A钢为高的耐磨性，适于制造切削刃口在工作时不变热的工具，如加工木材工具、手用横锯、手用细木工锯、机用细木工具、麻花钻、拉丝模、冲模、冷镦模、小尺寸断面均匀的冷切边及冲孔模、低精度的形状简单的卡板、钳工刮刀、挫刀等。热加工T12钢T12钢由于碳含量高，淬火后有较多的过剩碳化物，按耐磨性和硬度适于制作不受冲击负荷、切削速度不高、切削刃口不变热的工具，如制作车床、刨床用刀、铣刀、钻头；可制绞刀、扩孔钻、丝锥、板牙、刮刀、量规、切烟草刀、挫刀，以及断面尺寸小的冷切边模、冲孔模等。高碳低合金工具钢9Mn2V9Mn2V钢是一个比碳素工具钢具有较好的综合力学性能的低合金工具钢，具有较高的硬度和耐磨性。淬火时变形较小，淬透性很好。由于钢中含有一定量的钒，细化了晶粒，减小钢的过热敏感性。同时碳化物较细小和分布较均匀。该钢适于制造各种精密量具、样板，也用于一般要求的尺寸比较小的冲模及冷压模、雕刻模、落料模等，还可以做机床的丝杠等结构件。9SiCr9SiCr钢比一般铬钢具有更高的淬透性和淬硬性，并且具有较高的回火稳定性。适于分级淬火或等温淬火。因此通常用于制造形状复杂、变形小、耐磨性要求高的低速切削刃具，如钻头、螺纹工具、手动绞刀等；也可以做冷作模具，如冲模、打印模等，此外，还用于制造冷轧辊、校正辊以及细长杆件。其主要缺点是加热时脱碳倾向性较大。CrWMnCrWMn钢具有高淬透性。由于钨形成碳化物，这种钢在淬火和低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性。此外，钨还有助于保存细小晶粒，从而使钢获得较好的韧性。所以由CrWMn钢制成的刃具，崩刃现象较少，并能较好地保持刀刃形状和尺寸。但是，CrWMn钢对形成碳化物网比较敏感。这种网的存在，就使工具刃部有剥落的危险，从而使工具的使用寿命缩短。因此，有碳化物网的钢，必须根据其严重程度进行锻压和淬火。高耐磨钢Cr6WV钢是一个具有较好综合性能的中合金冷作模具钢。该钢变形小，淬透性良好，具有较好的耐磨性和一定的冲击韧度，该钢由于合金元素和碳含量较低，所以比Cr12和Cr12MoV钢碳化物分布均匀。

Cr6WV钢具有广泛的用途，制造具有高机械强度，要求一定耐磨性和经受一定冲击负荷下的模具，如冷冲模及冲头，切边模，压印模，螺丝滚模等等。

高速钢具有高强度、高抗压性、高耐磨性和高热稳定性的特点。广泛用于制造各种切削刀具，也用于制造各种高负荷冷作模具，如冷挤压模、冷冲裁模等。但高速钢作为冷作模具钢也存在一定的局限性，主要表现为合金元素消耗量大，价格贵，制造工艺性能不佳，热处理工艺复杂，淬火、回火后的变形难以控制。冷作模具钢按元素成分分类和选用冷作模具钢按性能分类和选用冷作模具钢按工艺性能分组新研制和引进的冷作模具钢

(一)高强韧性的冷作模具钢——基体钢：基体钢是指成分与高速钢淬火后的基体组织(M)成分大致相同、而性能有所改善的一类钢，它减少了共晶碳化物，并使其分布均匀、从而提高了韧性。一般说，在高速钢的基体成分上添加少量其他元素，适当改变其含碳量，以改善性能适应某些要求的钢种，目前都叫基体钢。我国已经研制成功并在推广应用的基体钢：65Nb、CG2、012A1、LD1、LMl、LM2等。基体钢和低碳高速钢基体钢和低碳高速钢的一般特性基体钢和低碳高速钢锻后必须退火，同时对返修的模具（需进行重新淬火）也应进行退火。这些钢特别是钼含量较多的钢，其脱碳敏感性较强，当不采用真空炉或保护气氛炉退火时，必须采取其他保护措施以防止严重脱碳。

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返回常用基体钢和低碳高速钢1.6W6Mo5Cr4V

它的淬透性好，并具有类似高速钢的高硬度、高耐磨性、高强度和好的红硬性，且韧性比高速钢高。上一页下一页2.6Cr4W3Mo2VNb

它具有高速钢的高硬度和高强度，又因无过剩的碳化物，所以比高速钢具有更高的韧性和疲劳强度。3.7Cr7Mo2V2Si

其强韧性远高于高速钢或高碳高铬钢，同时还具有高的耐磨性，好的冷、热加工工艺，热处理变形小，通用性强等优点。上一页返回(二)微变形空淬钢：这类钢有较高的淬透性，可用冷却速度缓和的淬火介质，从而减少了淬火应力，降低了变形开裂倾向，并在热处理淬火时可调节残余奥氏体与马氏体相对量的比例，因而降低了比体积差，达到微变形，甚至几乎不变形。因为淬火温度过高，残余奥氏体量则增多，所以可采用调整淬火温度，从而来控制残余奥氏体量。微变形钢的类型：主要有GD钢、CH-1钢等。（三）引进的冷作模具钢：近几年随着我国对外开放，在模具钢方面也引进了一些国外典型的模具钢，以弥补国内的不足，主要有美国的D2、D7、A2、A7钢。冷作模具钢的热处理工艺1.冷作模具的制造工艺路线（1）一般成形冷作模具一般成形冷作模具的制造工艺路线:锻造→球化退火→机械加工成形→淬火与回火→钳修装配。（2）成形磨削及电加工冷作模具成形磨削及电加工冷作模具的制造工艺路线:锻造→球化退火→机械粗加工→淬火与回火→精加工成形(凸模成形磨削，凹模电加工)→钳修装配。（3）复杂冷作模具复杂冷作模具的制造工艺路线:锻造→球化退火→机械粗加工→高温回火或调质→机械加工成型→钳修装配。上一页下一页2.冷作模具的淬火淬火是冷作模具的最终热处理中最重要的操作，合理选择淬火加热温度、保温时间、淬火介质及采用合适的淬火加热方法，都会有效地提高模具的使用性能。3.冷作模具的强韧化处理艺术（1）冷作模具钢的低温淬火工艺所谓低温淬火是指低于该钢的传统淬火温度进行的淬火操作。（2）冷作模具钢的高温淬火工艺对于一些低淬透性的冷作模具钢，为了提高淬硬层厚度，常采用提高淬火温度的方法。上一页下一页（3）冷作模具的微细化处理

微细化处理包括钢中基体组织的细化和碳化物的细化两个方面。基体组织的细化可提高钢的强韧性;碳化物的细化不仅有利于增强钢的强韧性，而且增加钢的耐磨性。（4）冷作模具钢的分级淬火和等温淬火

分级淬火和等温淬火不仅可以减少模具的变形和开裂，而且是提高冷作模具强韧性的重要方法。（5）其他强韧化处理方法

除了上述方法外，还有变热处理、喷液淬火、快速加热淬火、消除链状碳化物组织的预处理工艺、片状珠光体组织预处理工艺等都可以明显提高冷作模具钢的强韧性。上一页返回例一：T10A钢冷作模具断裂的原因及预防

某拖拉机厂采用T10A钢制作冷冲压模具，其制造工艺流程为：设计→下料→锻造→退火→加工成形→淬火。然而，T10A冷作模具易在加工、使用过程中产生断裂，分析其原因并提出预防措施。

拖拉机生产中需要大量的模具，特别是冷作模具，它对提高产品质量和生产效率有着重要的作用。T10A钢由于价格低廉、材料来源广、淬火温度低、热处理后具有较高的表面硬度和较好的耐磨性。因此被广泛用来制造冷作模具。断裂的原因㈠热处理前的影响：原材料的缺陷：非金属夹杂物将破坏钢内部组织的连续性，这是产生淬火裂纹的根源，气孔是应力集中的地方，热处理时也容易在此引起开裂。T10A钢的碳化物分布不均匀或钢中存在着带状组织等也是产生热处理裂纹的原因。此外，材料中S、P含量高是造成脆性断裂的原因之一。管理混乱：由于材料管理混乱，往往把不同钢种的材料混放在一起，若把其它材料当成T10A使用，热处理后会造成开裂。设计不当：比如相邻截面相差悬殊；模具过渡处圆角过小，易产生应力集中；模具间隙配合错误；模具设计强度小与实际需要等。锻造及锻后热处理工艺：如锻造入炉温度过高、加热速度太快、锻造变形速度过快及变形不均、终锻温度过低和锻后冷却速度快等都能造成模具显微裂纹或隐藏裂纹。机械加工缺陷：机械加工时表面粗糙、刀痕过深等原因也会使T10A冷作模具产生应力集中，在淬火时容易开裂。㈡热处理的影响：加热温度：如淬火温度过高、制定工艺考虑不周、加热温度不均匀等均会造成开裂。加热时间过长：T10A钢模具加热温度正常，但加热时间过程，也会使模具产生淬火裂纹。脱碳层的影响：由于表面脱碳层与心部化学成分不同，在淬火冷却过程中，其表层与心部的体积膨胀量有很大的差异，形成很大的表面拉应力，当拉应力超过钢的抗拉强度时就造成模具淬火裂纹。淬火冷却速度：冷却速度越大，淬裂的危险性越大。回火：由于T10A模具在淬火冷却时内部存在着残余应力，如不进行回火或回火不及时、不充分，往往易使模具开裂，同时保留下来的未回火马氏体或过量奥氏体在磨削时也会产生组织转变，易造成磨削裂纹。㈢其他因素引起的裂纹：