冷作模具材料及其强化技术

• 冷作模具使用温度较低，一般不超过 ℃ ，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所示。
.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。
) 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。、、等强碳 化物形成元素的碳化物可细化晶粒，
• 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 为代表， 中铬型钢以为代表。此类钢 中以为主加合金元素， 其主要作用有 两方面：
• 其一，钢中大量的使曲线右移， 显著 提高钢的淬透性。一般的冷冲模具空 冷即可淬透， 且大量的使钢的点急剧 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。
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。
• ) 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。
• 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。
• 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。
二、冷冲模具钢的性能、 影响因素和使用寿命
• . 性能特点 • 冷冲模具钢的硬度高， 淬火回火后的
硬度一般为， 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 一般由冲击韧性值表征。最近已将断 裂韧性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 可达 ／。
• 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来评定， 亦即冷冲模具钢需具有高的动态断裂 韧性值。
• 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、 、、、、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。
• ) 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。
• ． 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。
一、冷作模具材料
• 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。
• 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Fra Baidu bibliotek 性、价格和供货情况。
• 国内外常用的冷冲模具材料有、、 以 及等。新近发展的高强韧冷冲模具钢 有基体钢()、()
• ( ) 和等。
• 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． 如弹簧钢代 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。
• 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)。