冷作模具材料及其强化技术(2)

冷作模具高原2011.7•模具材料的性能水平、材质优劣、使用合理与否等因素，对于模具的制造精度、合格品率、工作时的承载能力、寿命及成本，均有密切的关系。一、冷作模具材料•因此在设计和制造模具过程中，对于选材方面应综合考虑模具的种类、制件批量、制件材料和制件复杂程度等因素。而对于模具材料本身，则要考虑它的力学性能、耐磨性、耐热性、耐蚀性、热变形、淬透性、机械加工性、价格和供货情况。•目前任何一种好材料、新材料都难以满足所有的性能要求，所以只能根据实际的使用条件，在满足主要性能情况下来选择模具材料。模具材料一般选用碳素工具钢、合金工具钢、合金结构钢、硬质合金、铸铁、有色金属等。通常把模具钢分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。冷作模具钢的应用。•冷作模具钢用于制造冷冲压模(冲裁模、弯曲模、拉伸模、成型模、压型模、)、冷镦模、冷挤压模、冷剪切刀、冷滚压模(搓丝板、滚丝模、滚齿纹模、成形滚牙模)、拉拔模(钢管、圆钢冷拔模)。•冷作模具使用温度较低，一般不超过300℃，对模具材料的高温性能没有特殊的要求，但要求在常温下具有高硬度、高强度、高耐磨性、高抗疲劳性、足够的韧性、高淬透性和热处理不变形(或小变形)及淬火、回火时不易开裂等性能。•可用的冷作模具钢品种上百种，按照钢中碳的含量及合金元素含量，并结合使用性能，分为高碳工具钢、合金工具钢、轴承钢、高速钢、钢结合金、硬质合金等。冷作模具常用钢的型号、主要特性、工作硬度及用途如表1所示。•在机械制造业中，冷冲模具是一种十分重要的成型工具。冷冲模具的工作条件极其恶劣．除经受很大的拉、压应力和弯曲载荷外。还受周期性的冲击力，并伴有较大的机械磨损。冷冲模具的基本失效方式为折断、崩刃软塌以及刃部磨损。因此，相应对冷冲模具钢的性能要求为：在具有足够韧性的条件下，必须有高的强度硬度和耐磨性。•国内外常用的冷冲模具材料有CrWMn、Cr12MoV、W18Cr4V以及W6Mo5Cr4V2等。新近发展的高强韧冷冲模具钢有基体钢65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)、012AL(50CrMo3SiMnVAI)CG-2(60Cr4Mo3Ni2WV)和6W6Mo5Cr4V等。•近年来，将弹簧钢用作冷冲模具钢也是一个重要的发展方向．如弹簧钢60Si2Mn代Cr12钢已成功地运用于制造小型冷冲模。提高冷冲模的使用寿命，除研制新材料外，开发新的热处理工艺，提高模具材料的强韧性是十分重要的。对冷冲模具的刃部进行表面热处理．在保持较高的强韧性条件下，提高工作部位的耐磨性是热处理的重要发展趋势。二、冷冲模具钢的性能、影响因素和使用寿命•1.性能特点•冷冲模具钢的硬度高，淬火回火后的硬度一般为HRC58~60，这是保证冷冲模不变形软塌和保持一定耐磨性的基本条件。•冷冲模具钢应具有高的抗压屈服强度和抗压强度，以保证冲模不致因软塌、折断而失效。对于同一种冷冲模具钢，抗压屈服强度与硬度成正比关系。冷冲模具钢还需具有一定的抗弯强度，承受冲模使用过程中所受的弯曲载荷。•冲模钢与其他冷非模具钢的韧性相比，由于使用中受冲击力较大，尤其要求具有较高的韧性。冷冲模具钢的韧性一般由冲击韧性ak值表征。最近已将断裂韧性Klc作为冷冲模具钢的韧性指标。由于冷冲模的实际使用工况都承受载荷变化率很大的动载，作用模体内的应力强度因子变化率K可达105~106MPam1/2／s。•因此，常规机械性能的评定已不能完全反映这类模具的使用性能，而进一步需要动态加载下断裂韧性Kld来评定，亦即冷冲模具钢需具有高的动态断裂韧性KId值。2.影响性能的因素对于一定化学成分的冷冲模具钢，其性能取决于热处理后钢的组织结构状态。•1)碳化物相•碳化物相对冲模钢的强度硬度、塑性韧性以及耐磨性均有显著的影响。•增加碳化物质点数目可明显提高钢的耐磨性。细小弥散，均匀分布的碳化物可提高钢的强度硬度。V、Nb、Ti等强碳化物形成元素的碳化物可细化晶粒，增加钢的强韧性。但粗大或呈带状、网状分布的碳化物会显著降低钢的韧性。•2)残余奥氏体•淬火后存在的残余奥氏体有利于减小钢的淬火变形，因此对改善热处理工艺性能有利。但热处理后，钢中的残余奥氏体在不同的条件下，对其性能有着各种不同的影响。•当残余奥氏体不超过20%时，对钢的硬度影响不明显，但对抗压屈服强度不利。近几年的研究工作证明，在板条马氏体束之间存在一薄层残余奥氏体，可对裂纹扩展起阻碍作用，从而提高钢的断裂韧性。•3)钢中马氏体形态和大小•当钢中的马氏体以细小板条状为主时，钢的强韧性较好，若钢中的马氏体以粗大片状为主时，则钢的塑韧性较差。借助改变热处理工艺参数，以尽可能获得较多的板条状马氏体。•3．冷冲模具钢的使用寿命•影响冲模寿命的因素很多，如设计不合理、加工不当等，但冲模热处理后的性能则是影响冲模寿命的主要因素。冲模的使用寿命是指冲模失效至不可修复而报废时所加工的产品件数。•所以，提高冲模的使用寿命就是避免冲模的早期失效。冲模的硬度不足，则使冲模软塌变形而失效，若冲模的韧性和断裂抗力不足，则使冲模崩块或脆性失效。因此，必须提高冲模的强韧性和耐磨性，以提高冲模的使用寿命。三、冷冲模具钢的分类和特点•附表所列各类冷冲模具钢均各具优缺点，且各类钢之间又有某些共同点，在一定条件下可相互代用或替换。•第一类为碳工钢，目前已很少使用。此类钢的特点是合金元素含量少，淬透性差，硬化层浅，因而其承载能力低，一般仅用于小批量生产的轻载冷冲摸。•第二类为低合金钢，这类钢与碳工钢相比因复合添加了Cr、W、Mn、Si、Mo、V等合盒元素，使淬透性和耐磨性得到改善。此类钢淬火操作简便，变形易于控制，但强韧性仍较低，是中、小批量生产用的轻载复杂形状冷冲模具的基本材料。•第三类为铬系冷冲摸具钢，它又可分为高铬型和中铬型两类。高铬型钢以Cr12MoV为代表，中铬型钢以Cr5MoV为代表。此类钢中以Cr为主加合金元素，其主要作用有两方面：•其一，钢中大量的Cr使C曲线右移，显著提高钢的淬透性。一般的冷冲模具空冷即可淬透，且大量的Cr使钢的Ms点急剧下降，淬火后钢中存在较多的残余奥氏体，淬火后工件的体积变化小因此此类钢可用于形状复杂，尺寸较大的冷冲模具。•其二，Cr是碳化物形成元素，使钢的S点、E点左移，钢中存在大量的一次和二次碳化物，可显著提高钢的耐磨性，此类钢可用作高耐磨重载冷冲模具。钢中的Mo、V可细化晶粒和碳化物。由于高铬型钢属莱氏体钢，其莱氏体共晶碳化物的不均匀性很大，故其脆性较大。与高铬钢相比，中铬钢适当降低了铬和碳的含量，使脆性得以改善。•第四类属高速钢。该类钢中含有大量碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等。其主加元素W、Mo等在淬火后回火时形成大量细小弥散，且不易聚集长大的高硬度合金碳化物，造成二次硬化效应，可提高钢的强度硬度以及红硬性。•高速钢中Cr的良好作用是提高淬透性和耐磨性，V的作用是细化晶粒，降低过热敏感性，并能提高耐磨性。高速钢的承载能力是各类冷作模具钢中较高的一类材料，是重载冲头的重要材料。•第五类为基体钢。该类钢的化学成分相当于高速钢的淬火组织中除去过剩碳化物的基体化学成分。再舔加少量其他元素，适当调整碳含量，以改善钢的性能基体钢的特点是既有高速钢的高强度、高硬度，又不致因含大量碳化物使钢变脆和疲劳强度降低。该类钢适用于对强韧性以及耐疲劳等综合性能要求较高的冷冲模。•第六类为Si—Mn系弹簧钢。将弹簧钢用作冷冲模具钢是近几年才发展起来的。此类钢的成分特点是碳含量比一般冷冲模具钢低，属亚共析钢。这避免了由于大量的一次和二次碳化物引起的韧性下降。•钢中的Si可提高钢的变形抗力和冲击疲劳抗力，Mn能提高钢的淬透性。弹簧钢适用于对韧性、疲劳性能要求较高的冷冲摸具。该类钢不含有Cr、Mo、W等贵重元素，因而经济效果也较好。•目前虽然弹簧钢在冷作模具上的使用还很窄，但其前景是很乐观的。如江苏冶金研究所的研究结果表明，用60Si2Mn做冷作模具其淬火加热温度低、中温回火后的硬度和抗弯、挠度、冲击等基本性能与典型的冷作模具钢Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2等相当，且其抗弯性能优于Crl2MoV。•用60Si2Mn钢制造的冷冲压模具，其使用寿命是9CrSi钢的2倍多，制成的加工10mm厚的汽车横梁冷冲孔模具的使用寿命是T10A钢的3～4倍，并代替Cr12钢制造小型冷冲模具。•弹簧钢属中碳钢，因而适用于动载模具．美国耐冲击工具钢Sj～Mn系列,如55SiMo(V)、55Si2Mo(V)钢，原属弹簧钢，后来发展成为特殊用途的钢种—抗震钢。它不仅具有高韧性和高疲劳抗，面且也有较好的耐磨性。•这类钢是利用Si抑制马氏体的回火分解，细化回火时碳化物质点大小，保证低温回火状态下具有高的韧性。由于其中加入了少量Mn、Mo、Cr、W等碳化物形成元素，在提高淬透性的同时，减少其脱碳和石墨化倾向，再加入少量V来细化晶粒。因此它既有较高的剪切抗力和正断抗力，同时义兼有足够的韧性。冷作用模具钢(冷镦模具钢和冷挤压模具材料）•对冷作模具材料的主要性能要求是：良好的耐磨性，足够的强度和韧性，高的疲劳寿命，良好的抗擦伤和咬合性能以及良好的工艺性能。•常用的冷镦模具钢有T10A、9SiCr、9Cr2、Crl2MoV等，凹模镶块可用Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2、WCo(含13～25Co)、Wl8Cr4V钢制造，形状复杂、冲击大的凸模可采用耐冲击钢5CrW2Si、60Si2Mn和基体钢。•冷镦模具表面要求高硬度(≥60HRC)，硬材料的冷镦模具要整体淬硬，以防压塌；在保证不堆塌的前提下，为了使模具有足够的韧性，防止开裂，冷镦模具的心部硬度以4O～50HRC为宜。冷挤压模具钢常用的模具材料有Cr12MoV、Cr12Mo1V1、W6Mo5Cr4V2钢和基体钢等。•内预应力高的常采用4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si钢(46～48HRC)，外预应力高的通常用4Cr5MoVSi、5CrNiMo等钢制造。低中碳钢的冷挤压模具要求有高的硬度(59～62HRC)，高的抗压屈服强度和适当的韧性。国内研制的新型冷作模具钢•新型的冷作用模具钢有65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2)5Cr4Mo3SiMnVAl(012A1)、65W8Cr4Ti(IM1)和65Cr5Mo3W2VSiTi(IM2)等；高的强韧性，良好的耐磨性，可是用于冷挤压模、冷镦模和冲模。冲压模具材料•炭素工具钢T8A、T10A、40Cr：最常用、最便宜、应用最广泛的冲模材料优点是加工性好，有一定的的硬度；但其淬火变形大，耐磨性能较差。热处理HRC58～62。低合金工具钢CrWMo、9CrSi钢淬透性能好，淬火时变形小，适用于中小型冲模HRC热处理58～62。•高炭高铬模具钢Cr12、Crl2MoV，其优点为易淬透、稳定性高、具有高强度、抗压强度高及微变形小；常用于冲击力大寿命高形状复杂的冲摸，热处理HRC58～62。高炭中铬模具钢Cr6WV、Cr4W2MoV，虽其耐磨性、淬透性能稍差，但因加入W、Mo、V元素，提高了钢的稳定性、综合力学性能，适用于弯曲模；热处理HRC58～62。•Crl2MoV、Cr2Mn2SiWMoV钢，具有高淬透性能，空冷硬度变形小；是冲压模与拉伸模的常用材料；热处理HRC58～62。YG硬质合金，是一种多相硬质合金材料，硬质合金是一种性能介于陶瓷与高速钢之间的工具与结构材料，其耐磨性、稳定性、综合力学性能、硬度都高；可用于大批量寿命高的小型冲摸。其缺点加工性能差，价格高。•YE钢结硬质合金，钢结硬质合金用钢作粘结剂，是不含钴的硬质合金，采用粉末冶金法烧结制成，是一种即具有合金钢的可加工性又具有硬质合金的高耐磨和高硬度的材料，是一种长寿命的好冲压模具材料。•近来国外为了降低模具材料成本，减少稀少的合金元素W、Mo及Cr等的消耗，出现了新的经济工具钢在这类钢中不是依靠添加高含量的一、二种元素，而是采用多元复合金化，以充分发挥其对强度和塑性综台性能的有利作用。•资料介绍8Cr4W2Si2MoV经济合金工具钢是重载冷冲压系统中使用W18Cr4V和W6Mo5Cr