常用冲裁模具主要零件材料的性能及热处理工艺

常用冲裁模具主要零件材料的性能及热处理工艺摘要：简要介绍了国内常用模具钢的种类及发展概况，简述了常用主要零件材料的性能及热处理工艺，及发展现状及技术趋势。关键字：模具材料冲裁模具性能及热处理工艺近年来，伴随着制造业的迅速发展，我国的模具工业一直以15%左右的增速快速发展，在世界模具产值中所占比例显著提高。模具制造的首要问题是模具材料。制造模具及其零件的材料有很多，如钢，铸铁，非铁合金及其合金、高温合金、硬质合金、钢结硬质合金、有机高分子材料、无机非金属材料、天然或人造金刚石等。但其中钢是用的最多，应用范围最广的材料。目前我国模具用钢广泛，除了工具钢(碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢)外，还有轴承钢、弹簧钢、调质钢、渗碳钢、不锈钢等，钢种达数十种之多，但常用的只有20余种，而用量最多的是Cr12、Cr12MoV、CrWMn、3Cr2W8V、5CrMnMo、5CrNiMo、45、40Cr等。一．模具钢的分类及发展模具用钢主要分三大类，冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢。目前我国常用的冷作模具钢仍多是碳素工具钢（T7A、T8A、T10A、T12A）、低合金工具钢CrWMn、高碳高铬钢Cr12、Cr12MoV、高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等传统的典型钢种，不过也引进。研制了多种新的钢种以适应不断提高的要求。热作模具钢主要用于制造高温状态下进行压力加工的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦模具等。随锻压机械能力的加大、加工件形状的复杂化，尤其是被加工材料加工难度的增大，如加工钛合金、高合金钢、不锈钢和耐热钢，模具趋向大型化、高性能。对热作模具用钢性能的要求也越来越高，传统的热作模具钢5CrNiMo和5CrMnMo钢由于热强性、热稳定性较低、易龟裂和塌陷，使用寿命短。3Cr2W8V钢由于钨含量高、耐热振性较差、易热疲劳，导致龟裂等缺陷。近年来，一些具有较高的热强性、高的热疲劳性和良好的韧性的新型热作模具钢相继问世。由于塑料模具的快速发展，目前塑料模具材料已逐渐形成了较独立的体系,但国内塑料成型模具材料尚未形成系列，一般塑料模具常采用正火态的45钢或40Cr钢经调质制造。硬度要求较高的塑料模具采用CrWMn或Cr12MoV等钢制造。近年来，我国新型塑料模具钢的研制取得了一定进展，并引进了一些在国外已通用的钢种，以满足塑料模具钢多方面的性能要求。二．冲裁模冲裁模具，是在冷冲压加工中，将金属或非金属加工成零件或半成品的一种特殊工艺装备。是沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。当被冲裁加工的材料较硬或变形抗力较大时，冲模的凸、凹模应选取耐磨性好、强度高的材料。而导柱导套则要求耐磨和较好的韧性，故多采用低碳钢表面渗碳淬火。又如，碳素工具钢的主要不足是淬透性差，在冲模零件断面尺寸较大时，淬火后其中心硬度仍然较低，但是，在行程次数很大的压床上工作时，由于它的耐冲击性好反而成为优点。对于固定板、卸料板类零件，不但要有足够的强度，而且要求在工作过程中变形小。另外，还可以采用冷处理和深冷处理、真空处理和表面强化的方法提高模具零件的性能。对于凸、凹模工作条件较差的冷挤压模，应选取有足够硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢，同时应具有一定的红硬性和热疲劳强度等。所以在制造冲裁模具的材料应有一定的选择，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。1．碳素工具钢：在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。2.低合金工具钢：低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV、6CrNiSiMnMoV等。3.高碳高铬工具钢：常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1，它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔（轴向镦、径向拔）改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。4.高碳中铬工具钢：用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。5.高速钢：高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V和含钨量较少的W6Mo5Cr4V2以及为提高韧性开发的降碳降钒高速钢6W6Mo5Cr4V。高速钢也需要改锻，以改善其碳化物分布。6.基体钢：在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有6Cr4W3Mo2VNb、7Cr7Mo2V2Si、5Cr4Mo3SiMnVAL等。7.硬质合金和钢结硬质合金：硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用含钴量较低的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、钼、钨、钒等）做粘合剂，以碳化钛或碳化钨为硬质相，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达68~73HRC。8.新材料：冲裁模具使用的材料属于冷作模具钢，是应用量大、使用面广、种类最多的模具钢。主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。目前冷作模具钢的发展趋势是在高合金钢D2（相当于我国Cr12MoV）性能基础上，分为两大分支：一种是降低含碳量和合金元素量，提高钢中碳化物分布均匀度，突出提高模具的韧性。如美国钒合金钢公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊钢公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一种是以提高耐磨性为主要目的，以适应高速、自动化、大批量生产而开发的粉末高速钢。如德国的320CrVMo13，等。为了提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐蚀性，必须采用热、表处理新技术，尤其是表面处理新技术。除人们熟悉的镀硬铬、氮化等表面硬化处理方法外，近年来模具表面性能强化技术发展很快，实际应用效果很好。其中，化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及盐浴渗金属（TD）的方法是几种发展较快，应用最广的表面涂覆硬化处理的新技术。它们对提高模具寿命和减少模具昂贵材料的消耗，有着十分重要的意义。模具技术的发展应该为适应模具产品“交货期短”、“精度高”、“质量好”、“价格低”的要求服务。在不久的将来中国的模具将会有更大发展。