模具材料与热处理-课题四

(第四版)《模具材料与热处理》新世纪高职高专教材编审委员会组编主编吴元徽赵利群主审雷勇涛课题四冷作模具材料任务一冷作模具材料的工作条件与性能要求任务二冷作模具材料的选用任务三冷作模具的制造工艺路线任务四冷作模具材料的热处理某模具厂使用材质为W18Cr4V的冷挤压模，该模具的生产工艺是:锻造→机械加工→热处理，在挤压20钢工件二十几件后，在凸模的细圆头端处发生断裂。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具。典型的冷作模具主要有冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等。各类冷作模具都是在常温下对工件材料施力，使其产生变形或分离，从而获得一定形状、尺寸和性能的成品件。由于各类冷作模具不同，所以其工作条件也不同。分析任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求工作条件1.冷冲裁模

冷冲裁模的工作对象是黑色金属钢板、有色金属板材或其他非金属板材，依靠冷冲裁模的刃口完成冷冲压加工中的分离工序，主要是对各种板料进行冲切成型。冷冲裁模的主要工作部位是凸模和凹模的刃口，靠它们对金属板料施加压力，使其产生弹性变形、塑性变形和分离的过程。板材冲压分离过程.MPG冲孔落料复合模.swf任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求工作条件在弹性变形阶段，凸模端面的中间部分与板料脱离，压力都集中在刃口附近的狭小范围内。在塑性变形和分离阶段，凸模切入板料，同时金属板料被挤入凹模洞口，使模具的刃口端面和侧面产生挤压和摩擦，所以对模具材料要求具有高的耐磨性、冲击韧性以及耐疲劳断裂性能。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求

2.冷拉深模冷拉深模是将板材进行延伸使之成为一定尺寸和形状的产品的模具。冷拉深模的工作对象是黑色金属钢板、有色金属板材或其他非金属板材。依靠模具使金属坯料产生塑性变形而获得所需的形状。冷拉深模的凸模、凹模和压边圈的工作部位均无锋利的尖角，模具零件的受力不像冷冲裁模那样限定在较小的范围内，凸模和凹模之间的间隙一般比板材厚度大，模具较少出现应力集中。模具在工作时不易产生偏载，所承受的冲击力很小，凸模承受压力和摩擦力，凹模承受径向张力和摩擦力。因此对冷拉深模具材料要求具有高的硬度和耐磨性。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求

3.冷挤压模

冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。在进行冷挤压加工时，金属坯料承受强烈的三向压应力。在模具的作用下，金属坯料沿凸、凹模间隙或凹模模口产生剧烈流动，变形位移大。而模具承受强大的挤压力（来自金属坯料的反作用力），同时产生很大的摩擦力。在挤压时形成的摩擦功和变形能会转化为热能，产生挤压中的热效应，导致模具的局部表面产生400℃以上的高温。此外，由于金属坯料端面不平整、凸模与凹模之间的间隙不均匀和中心线不一致等因素，还会使凸模在挤压时承受很大的偏载或横向弯曲载荷。因此，冷挤压模具钢需要具有高的变形抗力、耐磨性及断裂抗力，此外还应具有高的回火稳定性。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求

4.冷镦模

冷镦模是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。在冷镦加工过程中，冲击频率高（60～120次/min），冲击力大，金属坯料受到强烈的镦击，同时，模具也同样受到短周期冲击载荷的作用。由于是在室温条件下工作的，塑性变形抗力大，工作环境差，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，产生强烈的摩擦，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。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求一、冷作模具材料使用性能要求使用性能要求

（1）耐磨性

（2）韧性

（3）强度

（4）抗疲劳性（5）抗咬合性

任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求一、冷作模具材料使用性能要求

1.硬度和耐磨性硬度和耐磨性是冷作模具材料的最基本性能之一，模具的硬度应高出工件硬度30％～50％，一般为58～64HRC，以保证模具在工作过程中抗压、耐磨、不变形、抗粘合。

2.强度和韧性模具材料应具有足够的强度和韧性，以防止模具在冲击负荷下发生脆性断裂。

3.热硬性以保证模具在高速冲压或重负荷冲压工序中不因温度升高而软化。

4.抗疲劳性能防止模具在交变载荷作用下发生疲劳破坏任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求二、冷作模具材料的工艺性能要求2.工艺性能要求

（1）可锻性

（2）可切削性

（3）可磨削性

（4）热处理工艺性

任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求二、冷作模具材料的工艺性能要求

1.可锻性锻造可以改善材料的内部组织，提高其强度和韧性。

2.可切削加工性应具有较好的可切削加工性能；球化退火改善冷作模具材料的可切削加工性能；选用含S、Ca等元素的易切削模具材料。

3.可磨削性为了保证模具具有较好的表面粗糙度和尺寸精度，大部分模具都必须经过磨削加工。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求二、冷作模具材料的工艺性能要求

4.热处理工艺性（1）淬硬性与淬透性：淬硬性主要取决于钢的含碳量，淬透性主要于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。（2）回火稳定性：模具钢在回火时，抵抗其强度、硬度降低的能力称为回火稳定性，也称回火抗力或抗回火软化能力。对于冷作模具钢应采用低温回火。（3）过热敏感性：（4）氧化脱碳倾向（5）淬火变形和开裂倾向：热处理引起尺寸变化有两种情况：一种是由材料特性决定的，另一种是由热处理工艺决定的。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢常用钢种有T7A、

T8A、T10A、T12A等.

主要优点：（1）成本低：价格便宜，来源方便。（2）加工性能好：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。（3）热处理后有较高的硬度和一定的耐磨性。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢

主要缺点：

(1)淬透性低：模具截面尺寸大于15mm，水冷也不能淬透。属低淬透性冷作模具钢。

(2)热硬性、耐磨性差，淬火变形大，易产生淬火裂纹，使用寿命低。

用途：因此碳素工具钢只适合制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的模具。共析钢奥氏体等温转变曲线任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢

T10A应用最普遍。

T10A、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，韧性和耐磨性差，所以冷作模具制造很少采用。

T7A钢，钢的耐磨性不如T10A，但有较好的韧性，所以韧性要求较高的冷作模具可以选用。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料碳素工具钢的力学性能影响因素：①含碳量的影响：钢的硬度主要由碳含量决定，含碳量越高硬度越高。钢的耐磨性取决于硬度，当碳素工具钢硬度在60~62HRC以下时，耐磨性急剧降低，一般情况下，含碳量越高，耐磨性越好，如T12钢比T10钢的耐磨性稍高。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求

1.碳素工具钢三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的力学性能影响因素：如图4-1所示碳素工具钢随回火温度升高而硬度降低，但下降趋势与含碳量有关，含碳量越高，钢中析出的碳化物颗粒越多，阻止了硬度的下降，因而含碳量高的钢回火时硬度降低比含碳低的钢小。图4-1T10钢的硬度、残余奥氏体量与回火温度的关系（780℃淬火、水冷、回火保温1h）任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的力学性能影响因素：

②淬火温度的影响：提高淬火温度，淬火马氏体变粗，钢的强韧性下降，如图4-2所示。但适当提高淬火温度，可提高碳素工具钢的淬透性，增加硬化层深度，提高模具的承载能力。如图4-3所示。所以，对于容易淬透的小型模具，可采用较低的淬火温度（760~780℃）；对于大、中型模具，应适当提高淬火温度（800~850℃）或采用高温快速加热工艺。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢图4-2T10钢的淬火温度对强韧性的影响（150℃回火）图4-3T10钢的淬火温度对淬透性的影响（试样经不同温度加热在水中淬火后，沿直径上的硬度变化）任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的力学性能影响因素：

③回火温度的影响：碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，如图4-1所示，但在低温区回火（150~200℃），硬度下降不多，当回火温度超过200℃，硬度才明显下降。碳素工具钢的力学性能与回火温度的关系如图4-4所示，由图可知当回火温度在220~250℃之间抗弯强度达到极大值，可是碳素工具钢在200~300℃回火时，会产生回火脆性，导致韧性下降，因此韧性要求较高的碳素工具钢应避免在此温度回火。

任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢图4-4T12钢的力学性能与回火温度的关系（淬火温度：780℃）任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的工艺性能：①锻造性能：碳素工具钢变形抗力小，锻造温度范围宽，锻造工艺性能好，如表4-2所示。钢号始锻温度/℃终锻温度/℃冷却方式T7AT8A1130~1160≥800单件空冷或堆放空冷T10AT12A1100~1140800~850空冷到650~后转入干砂、炉灰坑中缓冷任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的工艺性能：

对于T10A、T12A的终锻温度和锻后冷却方式必须严格掌握，如果终锻温度过高，冷却速度过缓，容易析出网状二次渗碳体，它能显著降低钢的塑性与强度，增加模具淬火开裂，产生磨削裂纹及使用时出现脆断的倾向。一般锻后采用空冷的方法抑制网状碳化物的析出。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的工艺性能：②退火和正火：

经改锻后的模具毛坯必须进行球化退火（形成粒状珠光体，降低硬度、均匀组织，改善切削加工性能），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。退火温度：Ac3+(20~30℃）任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢碳素工具钢的工艺性能：③淬火及回火：淬火温度的高低对淬火后模具质量有着重要影响。淬火加热温度是根据钢的临界点来选择的，淬火温度过高，会使奥氏体晶粒长大，增加淬火变形开裂的危险，导致淬火马氏体粗大，力学性能恶化，同时还会使分散的碳化物量减少，残余奥氏体量增加，减少耐磨性；淬火温度过低，则奥氏体不能溶入足够的碳量，碳的浓度不能充分均匀化，对模具的力学性能同样不利。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

1.碳素工具钢钢号淬火回火加热温度/℃冷却介质硬度HRC加热温度/℃保温时间/h硬度HRCT7780~800盐或碱水溶液62~64140~160160~1801~262~6458~61800~820油或熔盐59~61180~2001~256~60T8760~770盐或碱水溶液63~65140~160160~1801~260~6258~61780~790油或熔盐60~62180~2001~256~60T10770~790盐或碱水溶液63~65140~160160~1801~262~6460~62790~810油或熔盐61~62180~2001~259~61T12770~790盐或碱水溶液63~65140~160160~1801~262~6461~63790~810油或熔盐61~62180~2001~260~62表4-4碳素工具钢的淬火、回火工艺规范任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

2.高碳低合金钢常用牌号有9Mn2V、CrWMn、9SiCr、GCrl5等。该钢种碳含量在0.8％以上，是在碳素工具钢基础上发展起来的，加入少量合金元素Cr、W、Mn、Si、Mo、V等，提高合金的淬透性，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。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。淬火变形比碳素工具钢小，属低变形冷作模具钢。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

2.高碳低合金钢CrWMn（1）化学成分

CrWMn钢的化学成分见表4-5CMnSiCrWSP0.90~1.050.80~1.100.15~0.350.90~1.201.20~1.60≤0.030≤0.030表4-5CrWMn钢的化学成分（质量分数，%）GB/T1299-2000CrWMn钢的临界点：Ac1≈750℃，Accm≈940℃，Ar1≈710℃，Ms≈255℃任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

2.高碳低合金钢CrWMn

（2）力学性能

CrWMn钢具有高淬透性，由于钨形成碳化物，这种钢在淬火及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，如图4-5、4-6、4-7所示。此外，钨还有助于保存细小晶粒，使钢获得较好的韧性并减少过热敏感性。在800℃淬火时，钢的抗弯强度、韧性最高；在270℃以下回火时，强度及冲击韧性随回火温度升高而显著上升。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

2.高碳低合金钢CrWMn图4-5CrWMn钢力学性能与淬火温度的关系图4-6CrWMn钢硬度与淬火温度的关系任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

2.高碳低合金钢CrWMn图4-7CrWMn钢硬度与回火温度的关系任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

2.高碳低合金钢CrWMn（3）工艺性能①锻造工艺：CrWMn钢具有良好的锻造性能，其锻造工艺规范见表4-6所示。锻造温度范围在1140～800℃，为了降低或减轻碳化物网的形成，锻后尽可能快的冷至650～700℃，然后缓冷（坑冷、砂冷或炉冷）。该钢碳化物偏析比较严重，为了避免碳化物分布不均，有时需要反复镦粗拔长。项目加热温度/℃始锻温度/℃终锻温度/℃冷却钢锭1150~12001100~1150800~880先空冷，在缓冷钢坯1100~11501050~1100800~850先空冷，在缓冷表4-6CrWMn钢的锻造工艺规范任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

2.高碳低合金钢CrWMn

②退火工艺：CrWMn钢锻后需进行等温球化退火，退火加热温度790~830℃，等温温度为700~720℃，退火后的组织比较均匀，退火后硬度为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℃。③淬透性：CrWMn钢淬透性较好，淬火变形小。在油中的临界淬透直径D0=30~50mm。直径40~50mm的钢件在低于200℃的硝盐浴中冷却即可淬透。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

3.高耐磨冷作模具钢低合金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。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

3.高耐磨冷作模具钢

1）高碳高铬钢典型的钢号是Cr12和Cr12MoV，其组织和性能很相似，常统称为Cr12型钢。成分特点：高碳(1.3～2.3％)、高铬(11-13％)。属于高碳高铬莱氏体钢。共晶白口铸铁的室温组织200×任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

3.高耐磨冷作模具钢高碳高铬钢的性能特点：

1）经热处理后，组织中含有大量弥散分布的铬的碳化物颗粒Cr7C3

，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；

2）淬透性高，截面尺寸为300-400mm的模具在油中均可淬透。

3）淬火变形小。淬透性高，可采用较缓慢冷却减少变形；由于含有很高的Cr元素，可降低Ms，增加残余奥氏体量，减小体积变形，淬火后可达微变形程度，属高耐磨微变形冷作模具钢。

4）脆性大。Cr12型钢为莱氏体钢,铸态组织中有粗大的鱼骨状共晶碳化物。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

3.高耐磨冷作模具钢高碳高铬钢的性能特点：淬透性高，截面尺寸为300-400mm的模具在油中均可淬透。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

3.高耐磨冷作模具钢Cr12①锻造工艺：

Cr12型钢为莱氏体钢，铸态组织中有鱼骨状共晶碳化物。锻造时，坚持多向、多次镦拔，才能保证击碎碳化物。锻后应及时退火。

Cr12型钢的合金元素含量高，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℃

，始锻温温度为1050-1150℃

，终锻温度为850-900℃

，锻后缓冷。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

3.高耐磨冷作模具钢Cr12

②

退火工艺：

Cr12型钢一般采用等温球化退火工艺，加热温度为850-870℃

，保温3-4h。等温温度为720-750℃

，保温6-8h。退火后的硬度为207-255HBS。退火后组织为索氏体+粒状合金碳化物，降低硬度，提高切削性能。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

3.高耐磨冷作模具钢Cr12

Cr12与Cr12MoV的性能比较：

Cr12型钢是应用最广、数量最大的冷作模具钢。

Cr12型钢中的主要碳化物是Cr7C3型。因Cr12钢碳含量高达1.3～2.3％，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。只适用于制造冲击负荷小、耐磨性要求高的模具，如冷冲模及冲头、冷切剪刃、拉丝模、压印模、搓丝板、拉延模以及螺纹滚模等模具。

Cr12MoV的含碳量比Cr12少，并加入了Mo、V，改善了碳化物不均匀性，提高了韧性。钼和钒还能细化晶粒，改善韧性。所以，Cr12MoV钢的脆断倾向较小，广泛用于制造大截面、形状复杂的重载冷作模具，如切边模、落料模、滚边模、拉丝模等。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2典型钢种W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V、W12Mo3Cr4V3N等

。自20世纪70年代用于传统的冷作模具以来，现已成为重载冲头的主要材料。国内的许多冷挤压凸模都选用高速钢制作。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2主要性能特点：含碳量0.7-0.9%，合金总量大于15%。具有高强度、高耐磨性，同时具有很高的回火稳定性和热硬性。其承载能力位于各种传统的冷作模具钢之首。主要缺陷：高速钢的价格昂贵，导热性差，韧性不足。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2

W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2经一般热处理后的主要缺点是韧性不足，所以作为冷作模具使用的高速钢应在工艺上或成分上适当调整。这种调整有两个方向，其一是高速钢的低温淬火；其二是应用低碳高速钢或基体钢。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2（1）化学成分

W6Mo5Cr4V2钢为钨钼系通用高速钢的代表，以Mo代表了部分W，使铸态莱氏体得到细化，其化学成分如表4-10所示。钢号化学成分CSiMnWMoCrVPSW6Mo5Cr4V20.80~0.900.20~0.450.15~0.405.50~6.754.50~5.503.80~4.401.75~2.20≤0.03≤0.03W18Cr4V0.70~0.800.20~0.400.10~0.4017.5~19.0≤0.303.80~4.401.00~1.40≤0.03≤0.03表4-10W6Mo5Cr4V2钢的化学成分（质量分数，%）任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2（2）力学性能高速钢具有高强度，高抗压性、高耐磨性和高热稳定性等特点，与Cr12MoV相比，韧性、扭转性能和耐磨性能稍差，其它性能都优于Cr12MoV钢。表4-11为W6Mo5Cr4V2钢与Cr12MoV钢的力学性能对比。钢号抗弯强度bb/MPa抗弯屈服强度s/MPa抗压强度b/MPa抗扭强度b/MPa冲击韧度K/J·cm-2Cr12MoV350020506000185034W6Mo5Cr4V2450036606000174021表4-11Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2钢在硬度61HRC下的力学性能任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2（3）工艺性能①锻造工艺：高速钢中含有大量的钨、钼、铬、钒等合金元素，铸造组织中含有大量莱氏体共晶碳化物，这种碳化物不能靠正常的热处理方法予以清除，即使采用高温长时间扩散退火也难以改善碳化物的不均匀分布。锻造比越大，碳化物分布越均匀，W6Mo5Cr4V2钢锻造工艺见表4-12所示。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2钢种加热温度/℃始锻温度/℃终锻温度/℃冷却方式W18Cr4V钢锭1220~12401120~1140≥950砂冷或堆冷钢坯1180~12201120~1140≥950砂冷或堆冷W6Mo5Cr4V2钢锭1180~11901080~1100≥950砂冷或堆冷钢坯1140~11501040~1080≥900砂冷或堆冷表4-12W6Mo5Cr4V2钢与W18Cr4V钢的锻造工艺对比任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2

②退火工艺：高速钢退火是为了降低硬度，以利于切削加工，也是为淬火作组织准备和消除锻造加工中产生的内应力。W6Mo5Cr4V2钢易氧化、脱碳，应采用装箱或在保护气氛下退火。锻后退火：加热温度为840~860℃，保温2~4h，缓慢冷却到500℃以下出炉空冷或炉冷到室温，硬度≤285HBS。锻后等温退火：加热温度为840~860℃，保温2~4h；炉冷至740~760℃，保温4~6h，在炉冷到500℃以下出炉空冷，硬度≤255HBS。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2③淬火工艺：W6Mo5Cr4V2钢淬火工艺规范见表4-13。类型预热温度/℃淬火温度/℃冷却硬度HRC工具800~8501200~1240油冷62~64冷作模具800~8501150~1200油冷62~64表4-13W6Mo5Cr4V2钢淬火工艺规范任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2

④回火工艺：高速钢必须经过三次以上的回火，其原因主要因为前次回火冷却过程中残余奥氏体转变成“淬火”马氏体，必须经再次回火才能消除前次回火时产生的组织应力，经三次回火后残余奥氏体体积分数才降到2%~3%，硬度达64HRC以上。推荐回火规范：回火温度为560℃，回火3次，硬度为62~66HRC。与W18Cr4V钢一样，W6Mo5Cr4V2钢也出现回火二次硬化现象，回火硬化峰在560℃左右。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

4.冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2（4）使用范围W6Mo5Cr4V2钢为钨钼系通用高速钢的代表，以Mo代替了部分W，使铸态莱氏体得到细化，轧制后碳化物不均匀程度较轻，粒度也细，因此该钢具有碳化物细小均匀、韧性高、热塑性好等优点。由于强度高、耐磨性好，因而还可以制作高负荷下的耐磨损零件，如冷挤压模具，但必须适当降低淬火温度以满足强度及韧性的要求。W6Mo5Cr4V2高速钢易于氧化脱碳，在热加工及热处理时应加以注意。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

5．基体钢6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）基体钢又称高强韧性冷作模具钢，对要求高耐磨性的模具也有采用高速钢来制造的，但往往由于其韧性低而发生早期失效。为提高其韧性而研究发展了基体钢，其化学成分相当于高速钢淬火后的基体组织成分，因基体钢中共晶碳化物的数量少且细小均匀，韧性得到一定提高。常用的基体钢有65Nb、LD、012Al、LMI、LM2钢等。下面以65Nb为例介绍一下任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料（1）化学成分65Nb钢与W6Mo5Cr4V2钢淬火基体成分相比，碳钨含量稍高，钼含量稍低，并加入少量的铌。这种合金化特点，既保证了该钢具有高速钢的强度、硬度和耐磨性，又具有较高韧性和抗疲劳强度，钢的工艺性能也得到极大改善。6Cr4W3Mo2VNb钢的化学成分如表4-14所示。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求

5．基体钢6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）三、常用冷作模具材料

5．基体钢6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）CSiMnCrMoWVNbPS0.60~0.70≤0.40≤0.403.80~4.401.80~2.502.50~3.500.80~1.200.20~0.35≤0.03≤0.03表4-1465Nb钢的化学成分（质量分数，%）任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

5．基体钢6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）（2）力学性能65Nb钢随着淬火温度的升高，由于碳化物不断溶解，残余奥氏体随之增加，奥氏体晶粒缓缓长大，当淬火加热温度大于1160℃时，才开始明显长大；65Nb钢经不同温度淬火，在回火过程中均有二次硬化现象，其硬度峰值、抗弯强度峰值均出现在520~540℃处；65Nb钢淬火温度为1080~1180℃，回火温度为520~600℃，一般采用两次回火，由于淬火温度范围宽，选择不同的淬火温度可满足不同模具的强度和韧性要求。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

5．基体钢6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）（3）工艺性能

65Nb钢的变形抗力较高铬钢、高速钢低，碳化物均匀性好，因而具有良好的锻造性能，但该钢的导热性较差，锻时必须缓慢加热，锻造温度范围为1120~850℃，锻后缓冷。锻坯要及时退火，退火工艺为：加热860℃，等温温度730~740℃，退火硬度为183~207HBS。由于该钢退火易软化，延长等温时间，硬度可降低至180HBS左右，这就为模具本身的冷挤压成型提供了条件，因此对65Nb钢模具可以采用冷挤压成形，这是65Nb钢的最大优点。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求三、常用冷作模具材料

5．基体钢6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）（4）应用范围

65Nb钢是以W6Mo5Cr4V2高速钢为母体，在其淬火基体成分的基础适当增加含碳量，并加入适量铌合金的改型基体钢。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。由于65Nb钢中加入适量铌，能起到细化晶粒的作用，并能提高韧性和改善工艺性能，因此可以用来制造各类冷作模具，适于制造复杂、大型或加工难变金属的冷挤压模具以及受冲击负荷较大的冷镦模具，模具的使用寿命有明显提高。任务一冷作模具材料的工作条件及性能要求一、冷冲裁模具材料的选用冲裁模工作零件材料的选用考虑以下因素：①模具寿命的高低；

②冲压件的材质不同材质的冲压件，其冲压的难易程度相差很大；

③冲压件的产量如批量不大，就没有必要选用高性能的模具材料；④材料价格。任务二冷作模具材料的选用一、冷冲裁模具材料的选用

(1)薄板冲裁模具用钢:

薄板冲裁模国内长期以来主要用材有T10A，CrWMn，9Mn2V，Cr12及Cr12MoV钢等。

(2)厚板冲裁模具用钢:

一般批量较小时，可选T8A钢，用T8A钢制作模具寿命不高。对于批量较大的厚板冲裁模可选用W18Cr4V钢或W6Mo5Cr4V2钢制作凸模，用Cr12MoV钢制作凹模。任务二冷作模具材料的选用二、冷拉深模具材料的选用

对于小批量生产，可选用表面淬火钢或铸铁;

对于轻载拉深模，宜选用碳素钢T10A钢，高碳低合金钢9Mn2V，CrWMn，GD钢，基体钢（65Nb钢）等;

对于重载拉深模，可选用高耐磨冷作模具钢Cr12，Cr12MoV，Cr12Mo1V1，Cr5Mo1V，GM钢等。任务二冷作模具材料的选用三、冷挤压模具材料的选用传统的冷挤压模具材料有碳素工具钢T10A，高碳低合金钢CrWMn、60Si2Mn，高耐磨冷作模具钢Cr12、Cr12MoV，冷作模具用高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V等。这些材料在使用过程都发现凸模易折断，凹模易胀裂，模具的使用寿命不高，这表明了模具材料的强韧性较差。新型模具钢如冷作模具用高速钢6W6Mo5Cr4V1，高耐磨冷作模具钢LD，基体钢65Nb、012Al、LM2、GD，硬质合金和钢结硬质合金等可大大提高强韧性，提高模具的使用寿命。任务二冷作模具材料的选用四、冷镦模具材料的选用

用于生产工件批量不大的冷镦模具，一般选择碳素工具钢或低合金冷作模具钢，对模具型腔表面进行局部淬火，使型腔表面硬度达到HRC60左右，而模具心部硬度为HRC35~45左右。应根据模具的截面尺寸，选择具有一定淬透性的模具钢，以得到比较理想的淬硬层深度。淬硬层过浅，可能造成使用中型腔塌陷；硬化层过深，可能使模具在使用过程中出现开裂现象。任务二冷作模具材料的选用四、冷镦模具材料的选用对于要求使用寿命长的冷镦模具，则采用高合金模具钢（如Cr5Mo1V，Cr12，Cr12MoV，7CrMo2V2Si等）、高速钢（如W6Mo5Cr4V2，W18Cr4V，粉末高速钢等）、钢结硬质合金或钴含量较高韧性好的硬质合金制造。为了使模具能承受较高的冲击载荷，一般采用镶块式模具结构。模具外套采用高韧性的合金结构钢或4Cr5MoSiV1等热作模具钢制造，热处理后的硬度为HRC45左右。高硬度冷镦模具镶块采用高合金模具材料制造，用冷压或热压法镶入外套，使之紧密接触，外套对内套造成一定的压应力，以改善模具的服役条件，延长模具的使用寿命。任务二冷作模具材料的选用四、冷镦模具材料的选用

凸模必须承受强烈的冲击力，对模具寿命要求不高或轻载的冷镦模：

凸模――可采9SiCr，T10A，Cr12MoV，GCr15，60Si2Mn钢制造；

凹模――可采用T10A，Cr12MoV，GCr15钢制造;对于重载、高寿命冷镦模，应采用高强韧性、高耐磨性新型模具钢，如012Al，65Nb，LD，LM，18Ni，GM，6W6Mo5Cr4V钢。任务二冷作模具材料的选用用Cr12MoV钢制作的硅钢片冷冲裁模

具，其设计硬度为58~62HRC，正常的使用寿命为每模20万件以上。

1.该模具的制造工艺路线：下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火+低温回火→平磨→线切割加工→成型组装。其中锻造工艺为:始锻温度1000～1100℃，终锻温度800～850℃，锻造方法为，多向反复镦粗—拔长—镦粗；球化退火工艺如图4-11所示：淬火和回火工艺如图4-12所示任务三冷作模具的制造工艺路线图4-11Cr12MoV钢的球化退火工艺曲线图4-12Cr12MoV钢的淬火和回火工艺曲线分析

1.材料选择：Cr12MoV钢属于高耐磨微变形冷作模具钢，其特点是具有高的耐磨性、淬透性、微变形、高热稳定性、高抗弯强度，仅次于高速钢，是冷冲裁模、冷镦模等冷作模具的重要材料。

2.锻造工艺：Crl2MoV属于高碳高铬钢，其特点是升温速度慢，锻造温度范围窄，一般始锻温度为1050～1100℃，终锻温度为840～880℃。在锻造方法上，对于Crl2MoV这样的高碳高铬钢，一般应采用变向锻造法，即多向反复镦粗—拔长—镦粗，而且要严格按照正确的锻造操作规程进行，以使材料组织中粗大的条状和块状碳化物充分破碎，消除带状组织的存在，以获得均匀的显微组织和力学性能。任务三冷作模具的制造工艺路线

3.热处理工艺：Crl2MoV钢热导性较差，因而在淬火加热时需要根据模具的尺寸大小复杂程度进行两次以上的预热，以减少模具内外的温差，降低材料的内应力；有效地改善碳化物的分布形态，为淬火时组织和性能的最佳配合创造先决条件，有效地提高模具使用寿命。适当提高回火温度，可保证模具在硬度降低不多的情况下获得较好的韧性，减小模具的内应力，均匀热处理后的显微组织，获得所需的力学性能。任务三冷作模具的制造工艺路线分析常用冷作模具的制造工艺路线如下:

(1)一般成型冷作模具

锻造→球化退火→机械加工成型→淬火与回火→钳修装配;

(2)成型磨削及电加工冷作模具

锻造→球化退火→机械粗加工→淬火与回火→精加工成型（凸模成型磨削，凹模电加工）→钳修装配;

(3)复杂冷作模具

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。任务三冷作模具的制造工艺路线由上述工艺路线可知，模具在制造过程中，为改善切削加工性能及获得最终的综合机械性能，一般都要经过预先热处理和最终热处理。机加工前的热处理称为第一热处理或预备热处理。机加工后，为达到模具的使用性能要求，需要进行热处理，称为最终热处理或第二热处理。在生产中，热处理工艺的安排是根据模具的材料和技术要求而定的，同时对模具的最终机械性能起着决定性的作用。因此，合理安排热处理工序对降低产品成本、减少废品、提高模具质量尤为重要。任务三冷作模具的制造工艺路线

常用冷作模具的制造工艺路线如下:

热处理工序在安排上应注意以下几点：（1）对于位置公差和尺寸公差要求严格的模具，为减少热处理变形，常在机加工之后安排高温回火或调质处理；（2）对于线切割加工模具，由于线切割加工破坏了淬硬层，增加淬硬层脆性和变形开裂的危险性，因而线切割加工之前的淬回火，常采用分级淬火或多次回火和高温回火，以使淬火应力处于最低状态，避免模具线切割时变形、开裂；（3）对于线切割加工后的模具，应及时进行再回火，回火温度不高于淬火后的回火温度，这样是为了稳定模具尺寸，并使表层组织有所改善。任务三冷作模具的制造工艺路线

热处理工序在安排上应注意以下几点：总之，模具制造工艺路线应根据材质及使用性能，选择合理的热处理工艺方案，并根据模具具体情况在工艺路线中合理安排。但这也不是一成不变的，对于同一材质的不同模具，又可采用不同的热处理方法、不同的工艺路线，因而获得的组织及机械性能也不相同。在生产中应针对满足模具的要求适当安排，这样才能获得最大的经济效益。任务三冷作模具的制造工艺路线不锈钢表壳形状较复杂，其材料为0Cr18Ni9。原来用于表壳冷挤压成形的凸、凹模均采用W18Cr4V钢，但挤压300件左右就会在凸模表带销成形部位根部产生裂纹，模具的其他部位无明显磨损现象。对裂纹处进行断面分析，没有发现原始裂纹存在，钢的碳化物不均匀性级别小于3级，晶粒度为10级，硬度为63HRC。分析结果表明，钢材质量没有问题，而是W18Cr4V钢的抗弯强度、韧性不能满足工作要求而使模具产生裂纹。要解决这个问题，可从两方面考虑，即修改模具结构或选用强韧性更高的钢来制凸模。但是修改模具结构会给挤压后的表壳加工带来很大困难，因此应选用高强韧性钢来制凸模而保留原模具结构。任务四冷作模具材料的热处理分析

高强韧性钢6W6Mo5Cr4V与7Cr7Mo2V2Si的抗弯强度都可达5000MPa以上，高于W18Cr4钢。但在此强度下7Cr7Mo2V2Si钢的冲击韧度值比6W6Mo5Cr4V钢高出近一倍，因此选用7Cr7Mo2V2Si钢作凸模。凸模毛坯尺寸为45mm×50mm×80mm，采用ø50mm棒料下料，反复镦拔3次，要求成品毛坯的钢材流线方向与凸模长轴方向垂直，与尺寸50mm方向平行，以保证凸模在工作状态时具有更高的强韧性。锻造加热过程要缓慢，保证充分烧透，始锻温度为1120℃，终锻温度为850℃，锻后砂冷。7Cr7Mo2V2Si钢凸模锻后退火工艺如图4-13所示，淬火、回火工艺如图4-14所示。任务四冷作模具材料的热处理分析图4-137Cr7Mo2V2Si钢凸模锻后退火工艺任务四冷作模具材料的热处理图4-147Cr7Mo2V2Si钢凸模淬火、回火工艺一、模具材料热处理综述模具在金属切削加工过程中，为改善切削加工性能及获得最终的综合力学性能，一般都要经过预先热处理和最终热处理。金属切削加工前的热处理称为第一热处理或预备热处理。金属切削加工后，为达到模具的使用性能要求，需要进行热处理，称为最终热处理或第二热处理。在生产中，热处理工艺的安排是根据模具的材料和技术要求而定的，同时对模具的最终力学性能起着决定性的作用。因此合理安排热处理工序对降低产品成本，减少废品，提高模具质量尤为重要。任务四冷作模具材料的热处理一、模具材料热处理综述

1．冷作模具钢含合金元素量多且品种多，合金化较复杂。钢的导热性差，而奥氏体化温度又高，因此加热过程宜缓慢，多采用预热或阶梯式升温。

2．为保护钢的表面质量，加热介质应予重视，所以控制气氛炉、真空炉等先进加热设备和方法普遍采用，盐浴加热应充分净化。

3．在达到淬火目的的前提下，应采用较缓和的冷却方式。等温淬火、分级淬火、高压气淬、空冷淬火等是优先的方法。

4．为了进一步强化，采用冷处理、渗氮等表面处理方式有显著效果。

5．盐浴处理后应及时清理，工序间的防护工作很重要。

6．冷作模具钢价格昂贵，冷作模具零件加工复杂周期长，制造成本高，不宜返修。所以工艺制订和操作应十分慎重，避免质量事故，以保证生产全过程的安全。任务四冷作模具材料的热处理二、冷冲裁模的热处理

冷冲裁模的热处理特点

（1）薄板冲裁模的热处理特点:对于薄板冲裁模，应具有高的精度和耐磨性，因此在工艺上应保证模具热处理变形小、不开裂和高硬度。通常根据模具材料类型的不同采用不同的减少变形的热处理方法。任务四冷作模具材料的热处理二、冷冲裁模的热处理

（2）厚板冲裁模的热处理特点：由厚板冲裁模失效分析表明，崩刃、折断往往是厚板冲裁模最早出现的失效形式。那么厚板冲裁模热处理的出发点就应该保证模具有较高的强韧性和耐磨性。从热处理的角度提高强韧性主要是通过细化奥氏体晶粒、细化碳化物、获得板条马氏体、下贝氏体及复相组织，合理选择回火工艺，生产中制定热处理工艺时可参考如下方法:

●高碳钢低温、短时、快速加热工艺:

●等温淬火工艺:

●利用多次相变重结晶，促使奥氏体晶粒细化:

●细化碳化物处理任务四冷作模具材料的热处理二、冷冲裁模的热处理（3）线切割加工影响模具的热处理：对有线切割加工的模具，线切割工序安排在淬火和回火之后，因为它破坏了工件热处理后的应力状态，并在表层产生了600~900MPa的拉应力，造成了局部应力的叠加，导致在线切割加工过程中的变形和开裂。这种变形和开裂即和被切割工件的尺寸大小有关，又和被切除部分的体积有关。这是因为尺寸越大，内应力就要大些；切去部位越多，造成内应力的局部叠加的机率增加，变形和开裂的可能性越大。

任务四冷作模具材料的热处理二、冷冲裁模的热处理对于成型后，不再经机加工而直接淬火的冷冲裁模热处理应注意以下几点：①热处理变形要小。②表面不允许有脱碳层或强渗碳层。③在热处理时通常采用下限淬火温度加热④为提高冲裁模的使用寿命，常采用周期回火，这可减少冲裁工艺形成的拉应力。任务四冷作模具材料的热处理二、冷冲裁模的热处理对于成型后，需要进行线切割的冲裁模热处理时应该注意以下几点：①要求淬透性高，淬硬层深②热处理后的内应力应处于最小状态。③为使线切割模具尺寸相对稳定，并使表层组织有所改善，工件经线切割后必须及时进行再回火，回火温度不高于淬火后的回火温度。任务四冷作模具材料的热处理三、冷拉深模的热处理

1、冷拉深模的性能要求

在冷拉深时，冲击力很小，主要要求模具具有高的强度和耐磨性，在工作时不发生粘附和划伤，具有一定韧性及较好的切削加工性能，并要求热处理时模具变形小。对模具用钢的强度要求可以根据被拉深材料的强度和板材的厚度来决定，拉深件批量的大小及形状也应予以考虑。任务四冷作模具材料的热处理三、冷拉深模的热处理

2、冷拉深模的热处理特点

制定和实施热处理工艺时主要注意以下几点:

①避免模具表面产生氧化、脱碳

②避免模具表面产生硬化接点

③对被拉深材料进行良好