冲压模用钢的研究现状

冲压模用钢的研究现状 Written by Peter at 2021 in January
冲压模用钢的最新研究现状摘要
模具钢的生产和制造是衡量现代模具整体技术水平的指标，也是模具工业发展中不可忽视的重要环节。

随着模具需要量的急剧增加，模具制造业已经逐步发展成为一个独立的行业，而且其发展速度领先于其他行业[1]。

所以国际上提出：“模具是工业发展的基石”，“模具是促进社会繁荣的动力”。

模具是制造业重要的工艺基础。

模具制造分为原材料制造、加工、热处理与表面处理。

若各工艺不能达到最佳化组合，很难制造高性能模具。

即使取得一项新技术，若其他相关工艺不能与该项新技术相匹配，则不能改善模具寿命，甚至出现相反效果，所以不得已只能采用成熟技术。

模具钢的简介
根据模具工作条件的不同，将模具钢分为三类，即冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。

1、冷作模具钢是用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、滚丝模等类型的模具，冷作模具钢的含碳量较高，大部分属于过共析钢或莱氏体钢，经最终热处理后具有较高的硬度和耐磨性。

目前世界上通用的冷作模具钢可分为三种类型：
1)低合金冷作模具钢：以美国的ASTM A681标准中的O1（9CrWMnV）和O2
（9Mn2V）为代表；
2)中合金冷作模具钢：以美国的ASTM A681标准中的A2钢（Cr5MoV）为代表；
3)高碳高铬型冷作模具钢：以美国的ASTM A681标准中D2（Cr12Mo5V1）和D3（Cr12）为代表。

2、热作模具钢主要用于制造热锻模、热挤压模和压铸模等。

热作模具钢的含碳量一般在0.30~0.60%范围内，属于中碳钢，在使用过程中具有较高强度，较高的韧性以及足够的冷热疲劳强度等。

目前世界上用量最大的三类通用型热作模具钢为：
1)低合金热作模具钢：代表性的钢号为5CrNiMo（V）、5CrMnMo等；
2)中合金热作模具钢：这类钢为铬系热作模具钢，代表性的钢号H13
（4Cr5MoSiV1）、H11（4Cr5MoSiV）等；
3)高合金热作模具钢：应用最广的传统的热作模具钢，代表性的钢号H21
（~3Cr2W8V）。

3、塑料模具钢是近十年来发展起来的新型钢种，此类型钢种类繁多，用途极广。

由于塑料模具钢的工作环境和使用性能要求，钢中含碳量较低，合金成分较低，为了达到其使用性能，对塑料模具钢的纯洁度要求十分苛刻，成品模具呈镜面状态，尺寸朝宽厚板方向发展。

塑料模具钢目前分为5类：1）非合金型：主要采用中碳结构钢，以日本的S55C为代表；
2）预硬型：一般采用中碳合金钢，以美国的P20钢为代表；
3）时效硬化型：此类钢在低、中碳合金钢中，通过加入通过Ni、Al、Ti、Cu等元素，淬火后硬度较低，便于加工成模具，然后通过变形很小的时效硬化处理使模具达到要求的硬度；
4）渗碳型塑料模具钢：此类钢种在含碳量很低的合金钢上采用冷挤压反印法压出型腔，然后经渗碳淬火后使用；
5）整体淬硬型塑料模具钢：一般采用高淬透性的冷作模具钢（如高碳高铬钢、空淬钢）或热作模具钢（如铬系热作模具钢）等。

冲压材料应用冷作模具钢
目前我国常用的冷作模具钢仍是低合金工具钢 CrWMn和高碳高铬工具钢Cr12MoV及Cr12这些老的钢号。

CrWMn钢有适当的淬透性和耐磨性，热处理变形小，但CrWMn钢锻后需较严格地控制冷速，并采用适当的热处理，使碳化物呈均匀细小的粒状，分布于基体上，否则易形成网状碳化物，导致模具在使用中的崩刃和开裂。

高碳高铬工具钢有高的耐磨性，但其碳化物偏析较严重，导致变形的方向性和强韧性的降低。

通过反复镦拨可在一定程度上改善其偏析程度。

1981年，我国引入国际通用的高碳高铬工具钢D2（Cr12Mo1V1）。

和
Cr12MoV钢相比，D2钢的碳化物偏析较之Cr12MoV略有改善，强度与韧性稍有提高，D2钢制作的模具，其使用寿命亦有不同程度的提高[4]。

高速钢（主要是W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V）有更高的耐磨性和强度，常用于制作模具，但其韧性不能满足复杂大型和受冲击负荷大的模具的需要。

为了改善这类钢的强韧性，我国开发了一些新的冷作模具钢，如：
1：低合金冷作模具钢
这类钢的主要特点是工艺性好，淬火温度低，热处理变形小，强韧性好，并具有适当的耐磨性。

如 GD（6CrMnNiMoVSi）、7CrSiMnMoV（简称CH）、DS 钢等。

GD钢用于制作易崩刃、断裂的冷冲模具有高的使用寿命[5]。

CH钢的成分与日本的SX105V钢相同，是一种火焰淬火钢，常用于制做汽车等生产线上用的模具零件，火焰淬火时加热模具刃口切料面，硬化层下又有一个高韧性的基体做衬垫，从而使模具获得较高的使用寿命[3[。

DS钢是一种冲击冷作模具钢，其冲击韧性显着优于常用的高韧性刀片用工具钢6CrW2Si[6]。

2：基体钢
基体钢一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢。

美国、日本在七十年代初即研究过牌号为Vasco MA、Vasco Matrix I和MOD2的基体钢，相当于M2和M36高速钢的基体，但未得到广泛的使用。

我国研制了一些基体钢，如65Cr4W3Mo2VNb（简称65Nb）、 65W8Cr4VTi（简称LM1）
65Cr5Mo3W2VSiTi（简称LM2）钢等。

这些基体钢的主要特点是其含碳量稍高于基体的含碳量，以增加一次碳化物量和提高耐磨性，还加入少量的强碳化物形成元素铌或钛，以形成比较稳定的碳化物，阻止淬火加热时晶粒的长大并改善钢的工艺性能。

这类基体钢已较广泛地用于制作冷挤压、厚板冷冲、冷镦等模具，特别适于难变形材料用的大型复杂模具，还可用做黑色金属的温热挤压模具[7]。

3：韧性较高的耐磨冷作模具钢
为了改善Cr12型冷作模具钢的碳化物偏析，提高其韧性，并进一步增加钢的耐磨性，我国做了大量的研究工作，开发出不少新的钢种，如 LD[8]、
ER5[9]和GM[10]钢等。

在这些钢中，适当降低了铬含量以改善碳化物偏析，增加钨、钼和钒的含量以增加二次硬化的能力和提高耐磨性。

与Cr12型冷作模具钢比较，这类钢的碳化物偏析有所改善，有较高的韧性。

这类钢比Cr12型冷作模具钢有更好的耐磨性，因而制做的模具有更高的寿命，更适于高速冲床和多工位冲床的使用。

冷冲压成型模具
冷冲压成型模具冷作模具钢广泛采用SKD11及DC53为代表的SKD11改良型8Cr系冷作模具钢。

该冷作模具钢含有粗大晶间碳化物组织，若未经热处理，夏比冲击值低，与上述热作压铸模具钢相比，改善冲击值不显着。

在提高淬火模具冲击值的同时，更应关注减少热处理产生形变，获得足够的硬度范围内，常采用缓冷淬火。

有两种热处理形变，一种是因冷却不当产生热处理形变，另一种是淬火马氏体相变及随后回火出现尺寸胀缩变化。

用淬火方法可减少热处理形变，但淬火、回火后不可避免出现尺寸胀缩变化。

对于冷作模具钢的模具制造，考虑热处理后尺寸变化极其重要。

之前以SDK11为代表冷作模具钢尺寸变化各向异性，造成淬火后沿锻压纵向伸长，横向收缩趋势。

若严格管理购进材料轧制或锻压纵向与横向尺寸变化，就可制造预测尺寸变化的模具。

若不掌握材料取向性，很难制造预测尺寸变化的模具。

淬火后需进行大量整修是导致降低模具生产率的主要原因。

因此，需要开发热处理尺寸变化各向同性，易控制的冷作模具钢。

试验表明，粗大晶间碳化物量越多，热处理后各向异性尺寸变化越明显，为此，开发出无粗大晶间碳化物的DCMX铸型锋钢。

SKD11和DCMX两种淬火钢，随着回火温度升高，尺寸变化率降低；当回火温度约为500℃时,显着增加尺寸变化率。

这是因为500℃区域残留奥氏体分解导致增加尺寸变化率。

在任何回火温度，SKD11纵向尺寸变化率均比横向尺寸变化率低，造成各向异性。

为缩小尺寸变化量，可通过调节回火温度加以尺寸调整。

鉴于SKD11纵、横向不同的尺寸变化量导致尺寸变化各向异性。

为期望较小尺寸变化量，用调节回火温度进行尺寸调整，通常，冷作模具钢在490℃～530℃高温回火。

但SKD11尺寸变化造成各向异性，即使调节回火温度也不会使各方向尺寸变化趋于零。

而DCMX钢不存在各向异性，在调整回火温度时，存在纵向与横向尺寸变化量为零的回火温度，在该条件下回火热处理模具尺寸毋须整修。

同以往
SKD11和8Cr系冷作模具钢相比，DCMX不存在粗大的晶间碳化物，易于制造高性能的冷作模具钢，冲击值高，提高了模具耐磨性，改善模具服役条件，延长模具使用寿命。

大连海事大学－船机修造工程交通行业重点实验室研究了一种新型高强韧性冷作模具钢DM9，替代目前Cr12MoV钢轴承圆锥滚子模具使用寿命低的落后局面，并可用于其他行业冷镦、冷挤压、冷冲等模具上。

应用相平衡热力学计算成分与多类型碳化物数量关系，并利用多类型碳化物热处理过程相变规律进行钢的成分设计和结构设计，获得在常规的锻轧和热处理工艺条件下，碳化物和马氏体超细化的冷作模具钢。

经熔炼、锻造、压
轧、退火、淬火和回火工艺研究，分析组织结构，测定热处理硬度、抗弯强度、屈服强度和冲击韧性。

所研制的DM9钢成本稍低于Cr12MoV钢，碳化物尺寸是Cr12MoV钢的1/8-1/10，抗弯屈服强度和冲击韧性高于Cr12MoV，锻轧工艺比Cr12MoV容易，淬火温度比Cr12MoV低约100℃，回火温度低200-300℃，使用寿命提高1倍以上。

如推广应用，每千吨DM9钢节约模具费用2,310万元，增产节约总值能超过3,000万元。

是替代Cr12MoV钢制作冷镦、冷挤压、冷冲模具的新材料。

DM9的组织、工艺、性能指标：
a.DM9中存在M3C、M23C6、M7C3、M6C、MC五种类型碳化物，840℃退火，碳化物平均尺寸0.66mm，极为均匀细化。

b.淬火、回火后，硬度62HRC，抗弯强度?bb≥3800MPa，冲击韧度72
J/cm2。

c.与Cr12MoV钢相比，DM9钢淬火温度降低100℃以上，屈服强度和冲击韧性高，锻轧热加工容易。

其技术工艺性能均优于Cr12MoV钢。

2．技术特点使用范围：
DM9钢作为替代Cr12MoV钢的新钢种具备如下三个优势：
（1）在常规的锻轧和热处理工艺条件下，碳化物及马氏体组织极为细化，是提高性能的基础；
（2）合金量低，且淬火、回火温度低，节约材料成本和热处理能源；
（3）在重冲冷镦、冷挤压、冷冲模具上应用，耐磨性、抗塑性变形能力及抗疲劳断裂性能高。

DM9钢属中合金模具钢，虽然抗高温回火性低于Cr12MoV钢，但在冷加工过程，模具升温不高，其抗回火性已足够。

相反，用高合金钢制作冷作模具，因为没有利用其抗高温回火性，是一种浪费合金元素和热处理能源的使用方法。

今后，进一步完善热处理工艺，并采取先进的真空热处理，加上表面强化工艺，会使DM9钢发挥更大的作用，因此，DM9钢会有广泛的推广应用前景。

DM9钢是替代Cr12MoV钢制作冷镦、冷挤压、冷冲模具的新材料。

该项目在冷作模具钢的合金设计和DM9钢新材料的研究上所取得的成果，既有重要的理论意义，又有重大的推广应用价值和明显的社会经济效益。

达到国际先进水平。

参考文献
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