8.1冷作模具钢的特征及制造工艺
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冷镦材料与热处理方法
冷作模具钢的特征及制造工艺
冷作模具钢的特征及制造工艺
一、概论 冷作模具钢在紧固件行业中应用量最多，它广泛 用于冲裁，拉深，冷镦，滚丝等工序。冷作模具的材 料应具有高的硬度，强度和耐磨性，足够的韧度和较 小的热处理变形量。因此，冷作模具应在淬火回火后 的组织中有一定量的剩余碳化物，并要求分布均匀， 形态圆整，细密马氏体针要均匀，细小，弥散。对于 形状简单的小型工模具，可选用碳素工具钢;精度要求 较高的中小型工模具，可选用低合金工模具钢，如 CrWMn ，9S iCr,GD钢等，对于要求淬透性好，而且 具有高硬度，高强度，高耐磨，高承载能力的大中型 模具，应选用高铬钢，高速钢，基体钢等来制作。 冷作模具服役后条件 经常承受冲击、磨损、弯曲、 剪切，因此，要求其材料应具备优良的强韧性。为了 满足某些工模具的比较苛刻的使用要求，对不同材料 的工模具的热处理工艺和组织应有一些特殊的要求， 以便进一步改进工模具的性能，提高其使用寿命。
冷作模具钢的特征及制造工艺
3. 热处理 a 、应采用合理的工艺，减小模具热处理变形（一般采 用多段加热工艺，同时防止淬火开裂），同时考虑 所采用的热处理方式，应避免合金元素的蒸发，在 材料淬透性允许的条件下，尽可能采用真空热处理 气淬技术，减小热处理变形，避免热处理后较大的 加工余量，导致表面过热，影响模具寿命，但对淬 硬性较差材料或高温下易挥发元素的材料，如含高 Ni 等，宜采用盐熔热处理。 b、 推荐采用高浓度渗碳热处理技术，积极参加应用渗 碳技术，阻止模具表面脱碳，同时提高表面耐磨性， 并利用渗碳淬火后表面形成高压应力，提高模具的 疲劳抗力。
冷作模具钢的特征及制造工艺
GM钢 其牌号为Cr6W3MoZV2钢,它是制作精密,耐磨, 高寿命冷作模具的莱氏体钢,由于GM钢的碳,铬,钼含量相 对比较低,因此其碳化物带状分布倾向较轻微,GM钢锻后 要及时进行球化退火,以利后继的机械加工.推荐采用的淬 火工艺为:1100~1160℃加热油冷淬火或分级淬 火,520~560℃回火三次,硬度为65HRC.GM钢在冷冲模,多 功位级进模,滚丝模,切边模等领域使用,寿命都有大幅提高. 10. CrWMn钢 CrWMn的淬透性极好,工件直径小于50mm 时能在硝盐中淬透,淬火加热时晶粒长大倾向低,淬火后的 残余奥氏体较多,淬火变形小.因钨和铬都是碳化物形成元 素碳化物的熔点高,因此淬火回火后的剩余碳化物较多,使 硬度提高,但钢的碳化物不均匀性也比较严重,常常是造成 模具失效的主要原因. 9.
冷作模具钢的特征及制造工艺9mn2v钢这是一种利用我国资源丰富的锰和钒而不含铬的冷作模具钢它有很好的淬火性是极易锻造和加工的模具钢含锰量增加会使淬火后残余奥氏体含量增加因此淬火变形小但对稳定性稍差耐回火性也差由于钒有细化晶粒的作用因此改善了由锰带来的过热倾向和颗粒长大的倾向6crzsi钢该钢的淬火性好耐回火性好等温转变比较稳定有利于分解淬火和等温淬火
冷作模具钢的特征及制造工艺
9SiCr 钢中增加的含硅量后,强化了铁素体,明显提高 了钢的硬度和强度,回火时又有阻止硬度降低的作用,用 语制作小型冷作模具,如:搓丝板,冷冲模等等.9SiCr钢的 淬透性好,工件尺寸小于60mm时在硝盐中能淬硬,直径 小于80mm时油中可淬硬,其网状碳化物析出的敏感性低, 带状碳化物偏析倾向较轻,由于含硅量的增加,同时也增 加了钢的脱碳倾向. 三、制造工艺对模具寿命的影响 一般冷作模具制造工艺流程，下料→镦造→球化退 火→机加工→淬火，回火处理→冰冷处理→精加工（包 括电脉冲加工）→研磨，抛光处理→表面强化处理。 优化的冷作模具制造工艺流程，下料→镦造→球化 退火→机加工→真空淬火回火处理（目的减小热处理变 形）→冰冷处理→表面强化处理。 11.
冷作模具钢的特征及制造工艺
9Mn2V钢 这是一种利用我国资源丰富的锰和钒而不含 铬的冷作模具钢,它有很好的淬火性,是极易锻造和加工的 模具钢,含锰量增加,会使淬火后残余奥氏体含量增加,因此 淬火变形小,但对稳定性稍差,耐回火性也差,由于钒有细化 晶粒的作用,因此改善了由锰带来的过热倾向和颗粒长大 的倾向 3. 6CrZSi钢 该钢的淬火性好,耐回火性好,等温转变比较 稳定,有利于分解淬火和等温淬火.对于用于要求在4248HRC范围或耐磨性的冷作模具时,常采用880-980℃加 热淬火,而要求高硬度58-63HRC高耐磨的冷作模具时采用 950-980℃加热淬火. 4. Cr12MoV钢 它是一种高铬微变形模具钢系列的一种,其 综合性能最好,与Cr12钢相比,因加入鉏而进一步提高了钢 的淬透性,细化了晶粒,细化了共晶碳化物,改善了韧性,提 高了耐回火性,碳化物的数量,粒度,形态,不均匀程度都比 Cr12钢有较大的改善.Cr12MoV钢除耐磨性稍逊于Cr12钢 外,强度和韧性都比Cr12 钢好. 2.
冷作模具钢的特征及制造工艺
表1常用冷作模具钢牌号及化学成分 常用的冷作模具钢的牌号和化学成分见表1 对部分牌号钢种如下简介 二、 1. Cr12钢 属高铬微变形模具钢，经常用于制造高 耐磨，微变形，高负荷服役后条件下的冷作模具，因 含铬量高使钢的淬透性很好。因组织中含有大量共晶 碳化物，故又称为莱氏体钢。大量碳化物的存在不仅 使硬度很高，而且能阻止晶粒长大，可以通过控制淬 火加热温度来控制合金元素向奥氏体的溶解量，从而 使模具得到微变形，甚至不变形。残余奥氏体量的多 少与模具的变形量密切相关，如针对不同要求通过制 定不同热处理工艺来控制淬火后的残余奥氏体量，以 满足生产上的不同要求。由于Cr12钢中碳化物的不均 匀性较严重，增大了钢的脆性，在锻后应进行球化退 火处理。在淬火回火状态都仍会残留有较大的淬火应 力，因此，淬火后回火必须充分，否则易在磨削和服 役中开裂。
冷作模具钢的征及制造工艺
2. 精加工 对于冷作模具切消加工最好安排在热处理淬火之 前（除非模具过于复杂），目的在于避免机械加工过程 中在表面形成的拉应力，导致模具疲劳性能的降低。 线切割电脉冲加工为材料的熔化加工过程，加工后容 易在模具表面形成熔化层和热影响层，降低模具表面的 硬度，耐磨性，减小热处理表面形成的压应力而降低模 具的热疲劳性能，因此热处理后一般最好不再进行线切 割电脉冲加工或者减小加工余量，或者采用加工后研磨， 抛光的方式减小表面加工层的影响，以避免切削加工， 尤其是线切割电脉冲加工对模具表面损伤而影响的模具 寿命。
冷作模具钢的特征及制造工艺
012A1钢 其牌号为 5Cr4Mo3SiMnVA1钢,是冷热兼用 的基体钢.钢中适量增加了锰和硅,提高了因溶强化效果,因 此提高了基体强度,有添加了微量铝,使钢材的韧度有了明 显提高,012A1钢十分适用与进行渗碳或碳氩共渗来有效 提高模具的耐磨性.冷作模具的热处理工艺,1090~1100℃ 加热油冷淬火或分级冷却,510℃回火2h回火二次,硬度为 60-62HRC. 8. CG-Z钢 其牌号为6 Cr4Mo3NiZWV钢,是冷热肩用的 基体钢.钢中的合金元素钼,钒能促进二次硬化效果,提高热 硬性.但含钼量高会导致钢有脱碳倾向,过热敏感性也较大. 镍元素能提高韧度和热疲劳性能.CG-Z钢加热强度超过计 划1120℃,晶粒会明显长大.淬火后回火强度在650℃时有 二次硬化峰. 冷作模具的热处理工艺,1100~1140℃加热后油冷淬火或 分级冷却,560℃回火二次,硬度为60-61HRC. 7.
冷作模具钢的特征及制造工艺
c、高合金钢模具材料中一般含有较多的Cr,Mo,V,W,Nb等 强碳化物形成元素，从而提高模具的强度，红硬性等性 能，在热处理回火处理中，具有明显的二次硬化特性， 即在低温回火和高温回火形成两次高硬度，为此，根据 冷作模具的实际使用温度，可选择性应用回火温度。另 一方面，较多的合金元素，具有很强的抗回火软化性能， 因此，需要进行多次的回火，避免回火不充分引起早期 失效（脆断和龟裂），一般要求至少二次回火（更多采 用三次回火工艺）。 4、 喷丸，研磨，抛光处理 淬火回火后，进行喷丸处理可以形成表面压应力层， 改变淬火，回火处理后的表面拉应力状态，进行模具抛 光处理，可消除模具加工表面缺陷而提高模具寿命，一 般采用人工加工。
冷作模具钢的特征及制造工艺
GD钢 其牌号为6CrNiMn SiMoV钢,是一种碳化物偏析 小而淬透高的高强韧钢.通过热处理可获得较多的板条马 氏体,碳化物细小,均匀,总量比较少,淬火强度较低,淬火强 度区间宽,尤其使用于中小企业的热处理条件,可制作各种 冷作模具,很好出现崩量和断裂现象,GD钢是室冷变形模 具钢,退火状态硬度较高,故必须经球化退火利于机械加工. 6. 65NbG钢 其牌号为 6Cr4W3MoZVNb,是以高速钢 为母体,适当降低含碳量,并用少量铌合金化的改型基体钢, 是一种高强韧冷作模具钢,特别适用于复杂,大型的冷挤压 模具和受冲击负荷较大的冷镦模具.其淬火回火工艺可按 不同要求适当选择. 要求韧度高时,1080~1120℃加热后油冷淬火,520~540℃ 回火,1~2h,回火二次,要求硬度高时,1120~!1180℃加热 后油冷淬火,540~580℃回火把~2h,回火二次. 5.
冷作模具钢的特征及制造工艺
5、冰冷处理 原理是降低模具中残余奥氏体，形成表面压应力， 提高硬度和表面耐磨性，疲劳性能，但需注意安全（液 氩使用不当，会对人体产生烧伤）。 冰冷处理的一般规范：模具（室温状态）→液氮（196℃）/2h→自然回到室温→180-190℃/4h回火→室冷。 6、表面强化技术 冷作模具采用的表面处理技术，主要有涂层处理 （如真空涂TiN或TiCN）,镀层处理（如镀Cr,Ni-P镀）， 多元共渗处理（如C，N，O，或C，N，O，S），离子 注入形成表面合金化层，渗B处理，物理气相沉积 （PVD），化学气相沉积（CVD）等，其中以PVD工 艺最为适用。
冷作模具钢的特征及制造工艺
1. 下料，镦造。球化退火 模具钢原材料一般为锻坏形成或棒材，其内容组织 中碳化物呈沿晶界网状分布，这种组织如果不经过进一 步的锻造加工，使用时裂纹容易沿晶界萌生并扩张，降 低模具的承载能力，最终导致模具的早期崩裂。 通过锻造和随后的球化退火处理，形成均匀，细小， 弥散分布的碳化物，改善模具内部的组织条件，尤其是 碳化物分布，为最终热处理准备组织条件，避免局部的 应力集中产生热处理开裂，同时有助于提高模具的寿命， 解决断裂和龟裂问题。 球化退火工艺应选择在各钢种牌号Ac1 以上 30~50℃保温4-6h，等流在Ar1强度之间约680~700℃ 时间6-8h，可形成球化珠光体组织。
冷作模具钢的特征及制造工艺
冷作模具钢的特征及制造工艺
一、概论 冷作模具钢在紧固件行业中应用量最多，它广泛 用于冲裁，拉深，冷镦，滚丝等工序。冷作模具的材 料应具有高的硬度，强度和耐磨性，足够的韧度和较 小的热处理变形量。因此，冷作模具应在淬火回火后 的组织中有一定量的剩余碳化物，并要求分布均匀， 形态圆整，细密马氏体针要均匀，细小，弥散。对于 形状简单的小型工模具，可选用碳素工具钢;精度要求 较高的中小型工模具，可选用低合金工模具钢，如 CrWMn ，9S iCr,GD钢等，对于要求淬透性好，而且 具有高硬度，高强度，高耐磨，高承载能力的大中型 模具，应选用高铬钢，高速钢，基体钢等来制作。 冷作模具服役后条件 经常承受冲击、磨损、弯曲、 剪切，因此，要求其材料应具备优良的强韧性。为了 满足某些工模具的比较苛刻的使用要求，对不同材料 的工模具的热处理工艺和组织应有一些特殊的要求， 以便进一步改进工模具的性能，提高其使用寿命。
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3. 热处理 a 、应采用合理的工艺，减小模具热处理变形（一般采 用多段加热工艺，同时防止淬火开裂），同时考虑 所采用的热处理方式，应避免合金元素的蒸发，在 材料淬透性允许的条件下，尽可能采用真空热处理 气淬技术，减小热处理变形，避免热处理后较大的 加工余量，导致表面过热，影响模具寿命，但对淬 硬性较差材料或高温下易挥发元素的材料，如含高 Ni 等，宜采用盐熔热处理。 b、 推荐采用高浓度渗碳热处理技术，积极参加应用渗 碳技术，阻止模具表面脱碳，同时提高表面耐磨性， 并利用渗碳淬火后表面形成高压应力，提高模具的 疲劳抗力。
冷作模具钢的特征及制造工艺
GM钢 其牌号为Cr6W3MoZV2钢,它是制作精密,耐磨, 高寿命冷作模具的莱氏体钢,由于GM钢的碳,铬,钼含量相 对比较低,因此其碳化物带状分布倾向较轻微,GM钢锻后 要及时进行球化退火,以利后继的机械加工.推荐采用的淬 火工艺为:1100~1160℃加热油冷淬火或分级淬 火,520~560℃回火三次,硬度为65HRC.GM钢在冷冲模,多 功位级进模,滚丝模,切边模等领域使用,寿命都有大幅提高. 10. CrWMn钢 CrWMn的淬透性极好,工件直径小于50mm 时能在硝盐中淬透,淬火加热时晶粒长大倾向低,淬火后的 残余奥氏体较多,淬火变形小.因钨和铬都是碳化物形成元 素碳化物的熔点高,因此淬火回火后的剩余碳化物较多,使 硬度提高,但钢的碳化物不均匀性也比较严重,常常是造成 模具失效的主要原因. 9.
冷作模具钢的特征及制造工艺9mn2v钢这是一种利用我国资源丰富的锰和钒而不含铬的冷作模具钢它有很好的淬火性是极易锻造和加工的模具钢含锰量增加会使淬火后残余奥氏体含量增加因此淬火变形小但对稳定性稍差耐回火性也差由于钒有细化晶粒的作用因此改善了由锰带来的过热倾向和颗粒长大的倾向6crzsi钢该钢的淬火性好耐回火性好等温转变比较稳定有利于分解淬火和等温淬火
冷作模具钢的特征及制造工艺
9SiCr 钢中增加的含硅量后,强化了铁素体,明显提高 了钢的硬度和强度,回火时又有阻止硬度降低的作用,用 语制作小型冷作模具,如:搓丝板,冷冲模等等.9SiCr钢的 淬透性好,工件尺寸小于60mm时在硝盐中能淬硬,直径 小于80mm时油中可淬硬,其网状碳化物析出的敏感性低, 带状碳化物偏析倾向较轻,由于含硅量的增加,同时也增 加了钢的脱碳倾向. 三、制造工艺对模具寿命的影响 一般冷作模具制造工艺流程，下料→镦造→球化退 火→机加工→淬火，回火处理→冰冷处理→精加工（包 括电脉冲加工）→研磨，抛光处理→表面强化处理。 优化的冷作模具制造工艺流程，下料→镦造→球化 退火→机加工→真空淬火回火处理（目的减小热处理变 形）→冰冷处理→表面强化处理。 11.
冷作模具钢的特征及制造工艺
9Mn2V钢 这是一种利用我国资源丰富的锰和钒而不含 铬的冷作模具钢,它有很好的淬火性,是极易锻造和加工的 模具钢,含锰量增加,会使淬火后残余奥氏体含量增加,因此 淬火变形小,但对稳定性稍差,耐回火性也差,由于钒有细化 晶粒的作用,因此改善了由锰带来的过热倾向和颗粒长大 的倾向 3. 6CrZSi钢 该钢的淬火性好,耐回火性好,等温转变比较 稳定,有利于分解淬火和等温淬火.对于用于要求在4248HRC范围或耐磨性的冷作模具时,常采用880-980℃加 热淬火,而要求高硬度58-63HRC高耐磨的冷作模具时采用 950-980℃加热淬火. 4. Cr12MoV钢 它是一种高铬微变形模具钢系列的一种,其 综合性能最好,与Cr12钢相比,因加入鉏而进一步提高了钢 的淬透性,细化了晶粒,细化了共晶碳化物,改善了韧性,提 高了耐回火性,碳化物的数量,粒度,形态,不均匀程度都比 Cr12钢有较大的改善.Cr12MoV钢除耐磨性稍逊于Cr12钢 外,强度和韧性都比Cr12 钢好. 2.
冷作模具钢的特征及制造工艺
表1常用冷作模具钢牌号及化学成分 常用的冷作模具钢的牌号和化学成分见表1 对部分牌号钢种如下简介 二、 1. Cr12钢 属高铬微变形模具钢，经常用于制造高 耐磨，微变形，高负荷服役后条件下的冷作模具，因 含铬量高使钢的淬透性很好。因组织中含有大量共晶 碳化物，故又称为莱氏体钢。大量碳化物的存在不仅 使硬度很高，而且能阻止晶粒长大，可以通过控制淬 火加热温度来控制合金元素向奥氏体的溶解量，从而 使模具得到微变形，甚至不变形。残余奥氏体量的多 少与模具的变形量密切相关，如针对不同要求通过制 定不同热处理工艺来控制淬火后的残余奥氏体量，以 满足生产上的不同要求。由于Cr12钢中碳化物的不均 匀性较严重，增大了钢的脆性，在锻后应进行球化退 火处理。在淬火回火状态都仍会残留有较大的淬火应 力，因此，淬火后回火必须充分，否则易在磨削和服 役中开裂。
冷作模具钢的征及制造工艺
2. 精加工 对于冷作模具切消加工最好安排在热处理淬火之 前（除非模具过于复杂），目的在于避免机械加工过程 中在表面形成的拉应力，导致模具疲劳性能的降低。 线切割电脉冲加工为材料的熔化加工过程，加工后容 易在模具表面形成熔化层和热影响层，降低模具表面的 硬度，耐磨性，减小热处理表面形成的压应力而降低模 具的热疲劳性能，因此热处理后一般最好不再进行线切 割电脉冲加工或者减小加工余量，或者采用加工后研磨， 抛光的方式减小表面加工层的影响，以避免切削加工， 尤其是线切割电脉冲加工对模具表面损伤而影响的模具 寿命。
冷作模具钢的特征及制造工艺
012A1钢 其牌号为 5Cr4Mo3SiMnVA1钢,是冷热兼用 的基体钢.钢中适量增加了锰和硅,提高了因溶强化效果,因 此提高了基体强度,有添加了微量铝,使钢材的韧度有了明 显提高,012A1钢十分适用与进行渗碳或碳氩共渗来有效 提高模具的耐磨性.冷作模具的热处理工艺,1090~1100℃ 加热油冷淬火或分级冷却,510℃回火2h回火二次,硬度为 60-62HRC. 8. CG-Z钢 其牌号为6 Cr4Mo3NiZWV钢,是冷热肩用的 基体钢.钢中的合金元素钼,钒能促进二次硬化效果,提高热 硬性.但含钼量高会导致钢有脱碳倾向,过热敏感性也较大. 镍元素能提高韧度和热疲劳性能.CG-Z钢加热强度超过计 划1120℃,晶粒会明显长大.淬火后回火强度在650℃时有 二次硬化峰. 冷作模具的热处理工艺,1100~1140℃加热后油冷淬火或 分级冷却,560℃回火二次,硬度为60-61HRC. 7.
冷作模具钢的特征及制造工艺
c、高合金钢模具材料中一般含有较多的Cr,Mo,V,W,Nb等 强碳化物形成元素，从而提高模具的强度，红硬性等性 能，在热处理回火处理中，具有明显的二次硬化特性， 即在低温回火和高温回火形成两次高硬度，为此，根据 冷作模具的实际使用温度，可选择性应用回火温度。另 一方面，较多的合金元素，具有很强的抗回火软化性能， 因此，需要进行多次的回火，避免回火不充分引起早期 失效（脆断和龟裂），一般要求至少二次回火（更多采 用三次回火工艺）。 4、 喷丸，研磨，抛光处理 淬火回火后，进行喷丸处理可以形成表面压应力层， 改变淬火，回火处理后的表面拉应力状态，进行模具抛 光处理，可消除模具加工表面缺陷而提高模具寿命，一 般采用人工加工。
冷作模具钢的特征及制造工艺
GD钢 其牌号为6CrNiMn SiMoV钢,是一种碳化物偏析 小而淬透高的高强韧钢.通过热处理可获得较多的板条马 氏体,碳化物细小,均匀,总量比较少,淬火强度较低,淬火强 度区间宽,尤其使用于中小企业的热处理条件,可制作各种 冷作模具,很好出现崩量和断裂现象,GD钢是室冷变形模 具钢,退火状态硬度较高,故必须经球化退火利于机械加工. 6. 65NbG钢 其牌号为 6Cr4W3MoZVNb,是以高速钢 为母体,适当降低含碳量,并用少量铌合金化的改型基体钢, 是一种高强韧冷作模具钢,特别适用于复杂,大型的冷挤压 模具和受冲击负荷较大的冷镦模具.其淬火回火工艺可按 不同要求适当选择. 要求韧度高时,1080~1120℃加热后油冷淬火,520~540℃ 回火,1~2h,回火二次,要求硬度高时,1120~!1180℃加热 后油冷淬火,540~580℃回火把~2h,回火二次. 5.
冷作模具钢的特征及制造工艺
5、冰冷处理 原理是降低模具中残余奥氏体，形成表面压应力， 提高硬度和表面耐磨性，疲劳性能，但需注意安全（液 氩使用不当，会对人体产生烧伤）。 冰冷处理的一般规范：模具（室温状态）→液氮（196℃）/2h→自然回到室温→180-190℃/4h回火→室冷。 6、表面强化技术 冷作模具采用的表面处理技术，主要有涂层处理 （如真空涂TiN或TiCN）,镀层处理（如镀Cr,Ni-P镀）， 多元共渗处理（如C，N，O，或C，N，O，S），离子 注入形成表面合金化层，渗B处理，物理气相沉积 （PVD），化学气相沉积（CVD）等，其中以PVD工 艺最为适用。
冷作模具钢的特征及制造工艺
1. 下料，镦造。球化退火 模具钢原材料一般为锻坏形成或棒材，其内容组织 中碳化物呈沿晶界网状分布，这种组织如果不经过进一 步的锻造加工，使用时裂纹容易沿晶界萌生并扩张，降 低模具的承载能力，最终导致模具的早期崩裂。 通过锻造和随后的球化退火处理，形成均匀，细小， 弥散分布的碳化物，改善模具内部的组织条件，尤其是 碳化物分布，为最终热处理准备组织条件，避免局部的 应力集中产生热处理开裂，同时有助于提高模具的寿命， 解决断裂和龟裂问题。 球化退火工艺应选择在各钢种牌号Ac1 以上 30~50℃保温4-6h，等流在Ar1强度之间约680~700℃ 时间6-8h，可形成球化珠光体组织。