冷作模具钢的性能及分类

冷作模具钢的性能及分类

1工艺冲头工艺作为主要的成像工具，建模已成为重要的加工设备。家用电器约80%的零部件、机电行业约70%的零部件均采用模具成形。模具材料的性能、质量和品种问题往往会影响模具质量、寿命及成本。随着冷作制品向高精度、高效率、多品种发展,要求冷作模具钢具有耐磨性和较高的韧性等[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。我国传统的冷作模具钢品种少,质量差。如CrWMn含碳量较高,容易产生严重的网状碳化物,导致模具在使用中的崩刃和开裂,影响使用性能;高碳高铬工具钢Cr12、Cr12MoV有高的耐磨性,但其碳化物偏析较严重,导致变形的方向性和强韧性的降低。D2(Cr12Mo1V1)钢和Cr12MoV钢相比,D2钢的碳化物偏析较之Cr12MoV略有改善,强度与韧性稍有提高,D2钢制作的模具,其使用寿命也有不同程度的提高。为了提高铝管冲头的使用寿命,用新型冷作模具钢7Cr7Mo2V2Si代替原Cr12MoV钢,并采用优化的淬火、回火工艺处理使冲头寿命提高至原来的4倍,再经表面强化处理,冲头寿命进一步提高至原来的8倍。可见,合理选择及应用优质、新型模具材料,可以提高模具使用寿命。本文总结了各种冷作模具钢的性能及其应用范围,以便指导实际应用。2冷作模具的特性冷作模具是在常温下完成对金属或金属材料进行塑性变形的模具,如弯曲、拉拔、冲裁、挤压、冷镦、滚丝和搓丝等。冷作模具在工作中受到拉伸、压缩、冲击、疲劳、摩擦等机械力的作用,其失效形式是磨损、脆断、塑性变形、咬合等。因此,冷作模具钢应具有的性能要求如下[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。(1)良好的耐磨性:冷作模具工作时,模具与坯料之间产生很大的摩擦,为防止在模具表面划出一些微观凹凸不平的痕迹,而对模具表面造成破坏,应使模具表面具有良好的耐磨性。在下贝氏体或回火马氏体的基体上分布有细小的、弥散分布的细颗粒状碳化物的组织,具有良好的耐磨性。(2)足够的强度和韧性:为了防止由于冲击重载荷、偏心弯曲载荷、应力集中等引起模具的破裂和折断,要求模具具有一定的强度和韧性。(3)良好的抗疲劳性:冷作模具一般是承受交变载荷作用的,所以所发生的破坏多为疲劳破坏。模具材料抵抗疲劳破坏的能力与其化学成分、组织状态、碳化物形态及分布、表面粗糙度等有关。(4)抗咬合粘结能力:抗咬合能力就是对可能发生冷焊的抵抗能力。模具工作时模具表面与坯料直接接触时应力高,摩擦力大,坯料可能被模具冷焊在模具型腔表面而形成金属瘤,而在后续的坯料成形中在工作表面产生划痕。3可扩张型碳化物模具设计常用的冷作模具钢有以下几种[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,16,17,18,19,20]:(1)低淬透性冷作模具钢,如碳素工具钢T7A、T8A、T10A、T12A及滚动轴承钢如GCr15等。碳素工具钢易于锻造成形,切削加工性能比较好,但淬透性差,常规淬火的淬硬层只有1.5～5mm,淬火变形开裂倾向大,回火稳定性差,耐磨性和热强性都较低(适用于250℃以下温度),因而只适合于制作形状简单、要求不高的小型冷作模具。GCr15是轴承专用钢,主要用于制造各种滚动轴承零件。GCr15的锻造性能较好,锻造温度范围宽,网状碳化物倾向小,锻后组织为细晶片状珠光体,允许有细小网状碳化物,其组织可不经正火即进行球化退火。由于其具有优良的性能,广泛地用在落料模具,冷挤压模具和成形模具等冷作模具中。但GCr15钢锭容易出现缩松,缩孔,夹渣,锻造时难于焊合;淬火开裂,低温回火不能全部消除淬火应力而出现裂纹等。(2)低变形冷作模具钢,如CrWMn、9SiCr、9Mn2V等,是在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素如Cr,Mn,Si,W,V等发展而成的。CrWMn淬透性比GCr15好,常用于形状复杂、耐磨性好的高精度冲模。因为钨的碳化物比较稳定,淬火加热时不溶解,奥氏体晶粒较细,又由于锰的存在,使淬火后有较多的残留奥氏体,因此淬火变形小。9SiCr钢具有碳化物分布均匀,淬透性、淬硬性较好,回火时硬度变化平稳,承载能力好,适合于等温淬火等特点,用于机械载荷较重的冷作模具,如滚丝模具,厚钢板冲剪工具等,也可作为冷镦模具材料。9Mn2V钢不含铬,锰可提高钢的淬透性,钒可以抑制晶粒长大。其碳化物比CrWMn钢要少,但颗粒度比较大,因此耐磨性不及CrWMn,但仍比T10钢的耐磨性要高出6～7倍。主要用于冲压模具,冷挤压模具。(3)高耐磨、微变形冷作模具钢,该模具钢适用于形状复杂的重载冷作模具。典型的钢种主要有Cr12、Cr12MoV等。Cr12MoV是莱氏体钢,钢中的铬大部分都是集中在M7C3(M表示金属)型共晶碳化物中,其硬度在1800～2800HV之间,既能阻止晶粒长大,也是其耐磨性特别高的原因。在服役过程中,由于摩擦而升温,在工模具表面形成Cr2O3薄膜,既能提高工模具表面的抗氧化抗腐蚀性能,同时还能降低表面的摩擦系数,起到润滑的作用。由于其热处理变形小、耐磨性高、承载能力大,广泛应用于制造截面尺寸大、形状复杂、承受较大载荷的各种冷作模具,如冷冲模具、挤压模具、复杂模具上的镶块、拉丝模具、滚丝模具等。(4)高速钢,典型的钢种有:W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2,W12Mo3Cr4V3N等。高速钢是红硬性、耐磨性较高的高合金工具钢,适用于承受巨大的外力作用和工作条件十分严峻的场合。4新冷却工艺的钢4.1材料的性能要求低合金冷作模具钢主要特点是工艺性好,淬火温度低,热处理变形小,强韧性好,并具有适当的耐磨性。GD(6CrMnNiMoVSi)钢是一种低合金工具钢,也是典型的高强高韧性冷作模具钢,用于制作易崩刃、断裂的冷冲模具,有较高的使用寿命。其化学成分见表1。GD钢是在CrWMn钢的基础上,适当地降低碳含量,以减少碳化物偏析,同时增加镍、硅、锰,以增加基体的强度和韧性,少量钼和钒可以细化晶粒,提高淬透性和耐磨性,并增加回火稳定性,铬的作用主要是提高淬透性。GD钢基体具有较多的板条状马氏体,碳化物较少,且细小而均匀,可以取代CrWMn钢和部分取代Cr12MoV钢制造冷作模具,模具使用过程中很少崩韧和断裂。力学性能见表2、表3。表2列出了GD钢在不同的淬火回火温度下获得的硬度。由于Si,Cr的共同作用,使其具有较高的回火稳定性,可满足冷作模具的要求。由表3可知,GD钢的强韧性明显高于对比钢,GD钢采用等温淬火工艺,在马氏体基体上分布适量下贝氏体,具有明显的韧化效果,是进一步发挥材料潜能的有效途径。实际使用情况见表4。由此可以看出,采用GD钢制模具寿命明显高于CrWMn钢及Cr12MoV钢。4.2热处理工艺、组织和性能基体钢一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢。如65Nb钢(65Cr4W3Mo2VNb)、CG-2钢(6Cr4Mo3Ni2WV)等。基体钢既具有高速钢的强度,红硬性,耐磨性,又具有低合金钢的韧性和塑性,已较广泛地用于制作冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具,特别适于难变形材料用的大型复杂模具,还可用做黑色金属的温热挤压模具。(1)65Nb钢是以W6Mo5Cr4V2高速钢为母体,在其淬火基体成分基础上,适当增加含碳量,并用少量的铌进行合金化改型而成,其化学成分见表1。含碳量稍高于基体的含碳量,以便增加一次碳化物量和提高耐磨性,还加入少量的强碳化物形成元素铌,以便形成比较稳定的碳化物,阻止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺性能。65Nb钢是一种高强韧冷作模具钢,可以用来制作复杂、大型或难变形金属的冷挤压模具和受冲击负荷较大的冷镦模具以及冷冲模具、冷剪模具等。热处理工艺、组织和性能见表5。可见,在1080～1160℃加热淬火,仍能保持细晶粒,硬度也较高;在1160℃加热淬火时硬度最高,达到66.3HRC;在1180℃加热淬火时,晶粒开始长大。因此,最适宜的淬火加热温度推荐采用1080～1160℃。在1120℃淬火,500和540℃回火时的力学性能见表6。(2)CG-2钢是一种冷热兼用的基体钢,是一种国外基体钢的改型钢,其化学成分见表1。与高速钢W6Mo5Cr4V2对比,其性能如下表7。对于承受较大挤压力的冷挤压模具,选择屈服强度高的W6Mo5Cr4V2高速钢制作,使用寿命较高,对承受压力较小、形状复杂和要求较高韧性的冷镦模具,则选用CG-2钢。4.3材料的性能对比典型的高韧性高耐磨性冷作模具钢有LD钢(7Cr7Mo2V2Si)和GM钢(9Cr6W3Mo2V2)等[2,3,26,27,28,29,30]。(1)LD钢既有高速钢的强度,又有一定韧性,耐磨损,工艺性能优良,变形小。其化学成分见表1。LD钢的碳和铬含量比Cr12MoV钢的低得多,适当降低铬含量以改善碳化物的偏析,增加Mo、V的含量,以增加二次硬化能力和高耐磨性,其碳化物不均匀性显著低于Cr12MoV钢,保证了强度和耐磨性,并以硅增强铁素体基体,因此LD钢有高的强韧性。其力学性能见表8。采用不同模具钢制作的冷剪切模具寿命对比见表9,可见采用LD钢的寿命比Cr12MoV钢的寿命提高8～10倍。(2)GM钢是一种精密、耐磨,高韧性、高寿命的冷作模具的新钢种。是莱氏体钢,其韧性和耐磨性均高于Cr12钢系列的高碳高铬模具钢。其化学成分见表1。GM钢与其它几种高强冷作模具钢的性能对比见表10。可见,GM钢的抗弯强度远远高于Cr12MoV钢,硬度高且具有一定的韧性。GM钢比Cr12MoV钢的承载能力高得多,完全可以代替Cr12MoV钢制作大型模具,GM钢还有较为优异的耐磨性能,在冲击磨损情况下,其失重少于Cr12MoV钢,在粘着磨损和磨粒磨损方面,也优于基体钢和高铬钢,比较接近高速钢。5模具的选用、选用材料的化学成分直接影响材料的组织和性能,进而影响模具的使用寿命。在实际生产中,应根据情况合理选用。(1)CrWMn淬透性比GCr15好,常用于形状复杂、耐磨性好的高精度冲模。但CrWMn钢锻后需较严格地控制冷速,并采用适当的热处理,防止模具在使用中的崩刃和开裂。(2)Cr12MoV钢等有高的耐磨性,但其碳化物偏析较严重,导致变形的方向性和强韧性的降低。相比Cr12MoV钢,D2钢制作的模具使用寿命有不同程度的提高。(3)W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V具有高的耐磨性和强度,常用于制作承受较大挤压力的冷挤压模具,但其韧性不能满足复杂大型和受冲