冲压模具材料的种类及特性

冲压模具材料的种类及特性制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。

目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，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(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。

3. 高碳高铬工具钢常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2），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硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。

模具中常用的有 W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2（代号6-5-4-2，美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒高速钢 6W6Mo5 Cr4V（代号6W6或称低碳M2）。

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（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）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。

冲压模具材料的选用及热处理要求冲裁模具材料的选用及热处理要求选用冲裁模具材料应考虑工件生产的批量，若批量不大就没有必要选择高寿命的模具材料；还应考虑被冲工件的材质，不同材质适用的模具材料亦有所不同。

对于冲裁模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。

常用冲压模具钢材耐磨性的劣优依次为碳素工具钢—合金工具钢—基体钢—高碳高铬钢—高速钢—钢结硬质合金—硬质合金。

此外还必须考虑工件的厚度、形状、尺寸大小、精度要求等因素对模具材料选择的影响。

1.传统模具用钢长期以来，国内薄板冲裁模用钢为 T10A 、 CrWMn 、9Mn2V、Cr12 和Cr12MoV 等。

其中 T10A 为碳素工具钢，有一定强度和韧性。

但耐磨性不高，淬火容易变形及开裂，淬透性差，只适用于工件形状简单、尺寸小、数量少的冲裁模具。

T10A 碳素工具钢的热处理工艺为： 760~810 ℃水或油淬， 160~180 ℃回火，硬度59~62HRC 。

CrWMn 、 9Mn2V 是高碳低合金钢种，淬火操作简便，淬透性优于碳素工具钢，变形易控制。

但耐磨性和韧性仍较低，应用于中等批量、工件形状较复杂的冲裁模具。

CrWMn 钢的热处理工艺为：淬火温度 820~840 ℃油冷，回火温度 200 ℃，硬度 60~62HRC 。

9Mn2V 钢的热处理工艺为：淬火温度 780~820 ℃油冷，回火温度 150~200 ℃，空冷，硬度 60~62HRC 。

注意回火温度在 200~300 ℃范围有回火脆性和显著体积膨胀，应予避开。

Cr12 和 Cr12MoV 为高碳高铬钢，耐磨性较高，淬火时变形很小，淬透性好，可用于大批量生产的模具，如硅钢片冲裁模。

但该类钢种存在碳化物不均匀性，易产生碳化物偏析，冲裁时容易出现崩刃或断裂。

其中， Cr12 含碳量较高，碳化物分布不均比 Cr12MoV 严重，脆性更大一些。

Cr12 型钢的热处理工艺选择取决于模具的使用要求，当模具要求比较小的变形和一定韧性时，可采用低温淬火、回火（ Cr12 为 950~980 ℃淬火， 150~200 ℃回火； Cr12MoV 为 1020~1050 ℃淬火， 180~200 ℃回火）。

若要提高模具的使用温度，改善其淬透性和红硬性，可采用高温淬火、回火（ Cr12 为 1000~1100 ℃淬火， 480~500 ℃回火； Cr12MoV 为 1110~1140 ℃淬火，500~520 ℃回火）。

高铬钢在 275~375 ℃区域有回火脆性，应予避免。

2.常用模具新钢种为了弥补传统模具钢种性能的不足，国内开发或引进了以下性能较好的冲压模具用钢：（ 1 ） Cr12Mo1V1 （代号 D2 ）钢为仿美国 ASTM 标准中的 D2 钢引进的钢种，属 Cr12 型钢。

由于 D2 钢中 Mo 、 V 含量增加，细化了晶粒，改善了碳化物的分布状况，因此 D2 钢的强韧性（冲击韧度、抗弯强度、挠度）比 Cr12MoV 钢有所提高，耐磨性和抗回火稳定性也比 Cr12MoV 更高。

可用深冷处理，提高硬度并改善尺寸稳定性。

用 D2 钢制作的冲裁模具寿命要高于 Cr12MoV 钢模具。

D2 钢的锻造性能和热塑成形性比 Cr12MoV 钢略差，机械加工性能和热处理工艺与 Cr12 型钢相似。

（ 2 ） Cr6WV 钢为高耐磨微变形高碳中铬钢，碳、铬含量均低于 Cr12 型钢，碳化物的分布状态较 Cr12MoV 均匀，具有良好的淬透性。

热处理变形小，机械加工性能较好。

抗弯强度、冲击韧度优于 Cr12MoV ，只是耐磨性略低于 Cr12 型钢。

用于承受较大冲击力的高硬度、高耐磨板料冲裁模，其效果好于 Cr12 型钢。

钢的常用热处理工艺为：淬火温度9701 ~ 000℃，一般可热油或硝盐分级淬火冷却，尺寸不大的部件可采取空冷。

淬火后应立即回火，回火温度160210 ~ ℃，硬度 58 ~ 62HRC。

（ 3 ） Cr4W2MoV 钢也是高耐磨微变形高碳中铬钢，替代 Cr12 型钢而研制的钢种，碳化物均匀性好，耐磨性高于 Cr12MoV ，适于制作形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具，可用于硅钢片冲裁模。

Cr4W2MoV 钢的热处理工艺：要求强度、韧性较高时，采用低温淬火、低温回火工艺：淬火温度 960~980 ℃，回火温度 280~320 ℃，硬度 60~62HRC 。

要求热硬性和耐磨性较高时，采用高温淬火、高温回火工艺：淬火温度 1020~1040 ℃，回火温度 50 0~540 ℃，硬度 60~62HRC 。

（ 4 ） 7CrSiMnMoV( 代号 CH-1) 钢为空淬微变形低合金钢、火焰淬火钢，可以利用火焰进行局部淬火，淬硬模具刃口部分。

淬火温度（ 800~1000 ℃），具有良好的淬透性和淬硬性（可达 60 HRC 以上），强度和韧性较高，崩刃后能补焊。

可代替 CrWMn 、 Cr12MoV 钢，制作形状复杂的冲裁模。

CH-1 钢的推荐热处理工艺：淬火温度 900~920 ℃，油冷， 190~200 ℃回火 1~3 小时，硬度 58~62 HRC 。

（ 5 ） 6CrNiSiMnMoV( 代号 GD) 钢为高韧性低合金钢，淬透性好，空淬变形小，耐磨性较高。

其强韧性显著高于CrWMn 和 Cr12MoV 钢，不易崩刃或断裂。

尤其适用于细长、薄片状凸模及大型、形状复杂、薄壁凸凹模。

GD 钢的推荐热处理工艺：淬火温度 870~930 ℃（ 900 ℃最佳），盐浴炉加热（ 45s/mm ），油冷或空冷、风冷， 175~230 ℃回火 2 小时，硬度 58~62 HRC 。

由于空冷即可淬硬，也可采用火焰加热淬火。

（ 6 ） 9Cr6W3Mo2V2( 代号 GM) 钢为高耐磨高强韧合金钢，各项工艺性能良好，其耐磨性、强韧性、加工性能均优于 Cr12 型钢，能够用于高速压力机冲压下的多工位级进模等精密模具，是较理想的耐磨、精密冲压模具用钢。

GM 钢的热处理工艺：淬火温度 1080~1120 ℃，硬度64~66HRC 。

回火温度 540~560 ℃，回火二次。

（ 7 ） Cr8MoWV3Si ( 代号 ER5) 钢属高耐磨高强韧合金钢，具有较好的电火花加工性能，强度、韧性、耐磨性都优于 Cr12 型钢，适用于大型精密冲压模具。

用于硅钢片冲裁模，一次刃磨寿命为 21 万次，总寿命高达 360 万次，是目前合金钢冲模冲裁硅钢片的较高寿命水平。

ER5 钢的推荐热处理工艺：对高耐磨性、高强韧性的模具，采用 1150 ℃淬火， 520~530 ℃回火 3 次；对重载服役条件下的模具，采用 1120~1130 ℃淬火， 550 ℃回火 3 次。

3、硬质合金及钢结硬质合金当工件的批量极大时，可以考虑选用硬度和耐磨性比各类模具钢种更高的硬质合金或钢结硬质合金。

用作模具材料的硬质合金为钨钴类，随着含钴量的增加，韧性及抗弯强度提高而硬度降低。

对于承受冲击力较小的模具，可以选用含钴量较低的 YG10X ；承受冲击力中等或较大的模具，可以选用含钴量较高的 YG15 或 YG20 。

硬质合金的缺点为韧性较差、难以加工，作为模具的工作部件可以设计为镶拼结构。

钢结硬质合金的性能介于硬质合金和高速钢之间，能够机械加工和热处理，可以用于制作复杂的高寿命模具。

用作冲裁模的钢结硬质合金有 DT 、 GT35 、TLMW50 、 GW50 等。

4、厚板冲裁模具厚板冲裁模承受的冲压力高于薄板冲模，为重载冲裁模，易磨损、崩刃和断裂，所以要求模具材料应具有高的耐磨性和强韧性。