冷作模具钢的选材与热处理

冷作模具钢的选材与热处理镇江船艇学院黄晓艳刘源镇江高等专科学校刘波【摘要】在模具制造中，合理地选材与正确制定热处理工艺是至关重要的，它直接关系到产品的质量及经济效益。

本文分析了冷作模具钢的工作条件及失效形式，提出能满足冷作模具钢工作条件的性能要求，再选择适用的材料并进行相应的热处理，以保证其性能要求。

【关键词】冷作模具钢；选材；热处理冷作模具钢用来制造在冷态下使金属塑性变形的模具，如冲裁模、冷镦模、剪切模、拉丝模等。

如何合理的选择冷作模具材料和正确确定热处理方法，以提高模具的使用寿命是生产中最为重要的问题，它直接关系到产品的质量及经济效益。

若要正确合理地选择和使用材料，必须了解冷作模具的工况条件及其失效形式，才能较准确地掌握冷作模具材料的主要性能要求，从而选择出合适的材料并制定出合理的冷、热加工工艺路线。

本文主要探讨冷作模具钢的选材和热处理工艺。

1 冷作模具钢失效形式与性能要求冷作模具在工作时，被加工材料的变形抗力较大，模具刃口部位承受很大的压力、冲击力，模具的工作部分与坯料之间产生强烈地摩擦。

冷作模具在生产中常见的失效形式有以下几类[1]。

（1）断裂失效。

冷作模具承受的载荷大都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施加的，模具在使用中突然出现大裂纹或发生破损而失效。

如冲裁模具崩刃，冷挤压模和冷镦模的凸模断裂，凹模破裂。

在冷镦模、冷挤压模工作时，由于成形力大，在金属变形过程中模具表面的瞬时温度很高，造成温度循环，也加速疲劳裂纹产生。

（2）过载失效。

材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷（包括随机波动载荷）作用引起的失效，包括韧度不足和强度不足两类失效。

如凸模的折断、开裂，冷镦、冷挤压凸模中由于材料抗压、弯曲抗力不足，易出现镦头下凹、弯曲变形失效。

（3）磨损失效。

模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使工作部位（刃口、凸模）形状和尺寸发生变化引起的失效。

如厚板冲裁模刃口、冷镦冷挤模型腔尺寸超差。

根据冷作模具的工作条件及失效形式，冷作模具钢应具有如下基本性能[2～3]：a.高硬度和高耐磨性，工作时保持锋利的刃口，表1列出了对冷作模具硬度的要求。

表1 冷冲模的硬度要求c.较好的淬透性，保证淬火态有较高的硬度和一定的淬透深度。

d.较好的加工工艺性和成形性，较好的淬火安全性，热处理变形小，在复杂断面上不易淬裂。

2 冷作模具钢的选材及热处理常用的冷作模具钢有碳素工具钢、低合金工具钢、高铬和中铬冷作模具钢、基体钢和低碳高速钢类冷作模具钢。

2.1 碳素工具钢碳素工具钢一般选用高级优质碳素工具钢，以改善模具的韧性。

根据模具的种类和具体工作条件不同选用不同含碳量的碳素工具钢；对耐磨性要求较高、不受或受冲击较小的模具可选用T13A、T12A；对受较大冲击的模具则应选择T7A、T8A；而对耐磨性和韧性均有一定要求的模具（如冷镦模）可选择T10A。

碳素工具钢的预热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度，改善切削加工性能，为淬火做组织准备；若锻造组织中存在网状渗碳体，则应在球化退火之前进行正火，以消除网状渗碳体。

最终热处理为淬火+低温回火（回火温度一般为180～200℃），正常组织为回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。

碳素工具钢主要优点是加工性能好、成本低，缺点是淬透性低、耐磨性欠佳、淬火变形大、使用寿命低[4]；故一般只适合制造尺寸小、形状简单、精度低的轻负荷模具。

2.2 低合金工具钢低合金工具钢应用较广泛的钢号有9Mn2V、9SiCr、CrWMn和滚动轴承钢GCr15。

与碳素工具钢相比，低合金工具钢具有较高的淬透性、较好的回火稳定性、较好的耐磨性和较小的淬火变形，综合力学性能较好。

常用于制造尺寸较大、形状较复杂、精度较高的低中负荷模具。

低合金工具钢的缺点是网状碳化物倾向较大，其韧性不足而可能导致模具的崩刃或折断等早期失效。

常用低合金冷作模具钢的牌号、热处理、性能和用途见表2所示。

表2 常用冷作模具钢的牌号、热处理、性能和用途（代号CH）、6CrMnNiMoVWSi（代号DS）、CrNiWMoV等。

这些钢的淬透性好，淬火温度较低、热处理变形小，价格低，具有较好的强度和韧性的配合，适用于制造精密复杂模具。

CH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，具有良好的淬透性和淬硬性（可达60HRC 以上），强度和韧性较高，崩刃后能补焊。

用于制作强韧性要求较高的冷作模具，如冲孔凹模、中薄钢板（2～5mm厚）的修边落料模等。

由于该钢可以采用火焰加热空冷淬硬，所以也用于制造要求表面火焰淬火的部分汽车模具。

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

GD钢的淬火温度范围较宽，淬透性好，也可火焰加热空冷淬火，具有良好的强韧性。

当用于制造易崩刃及断裂的冷冲模具时，模具寿命较高。

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2h，硬度58～62HRC。

由于空冷即可淬硬，也可采用火焰加热淬火。

DS钢是一种冲击冷作模具钢，其冲击韧性显著优于常用的高韧性刀片用工具钢6CrW2Si[5]。

2.3 高铬和中铬冷作模具钢这是一种专用的冷作模具钢，具有更高的淬透性、耐磨性和承载强度，且淬火变形小，广泛用于尺寸大、形状复杂、精度高的重载冷作模具。

高铬模具钢Cr12型常用的有3个牌号：Cr12、Cr12MoV和Cr12Mo1V1（代号D2）。

Cr12钢的含碳量高达2.0％～2.3％。

它具有优良的淬透性和耐磨性，但韧性较差，多用于小动载条件又要求高耐磨或形状简单的拉伸模和冲裁模，在正确设计的情况下可以冲压厚度小于6mm的钢板，但应用在逐步减少。

Cr12MoV和Cr12Mo1V1的含碳量降至1.45％—1.7％和1.4％—1.6％。

它们有相似的性能和较好的淬透性，在保持Cr12钢优点的基础上，其韧性得以改善，经高温淬火和高温回火后还具有一定的热硬性，在用于对韧性不足而易于开裂、崩刃的模具上，已取代Cr12钢；和Cr12MoV钢相比，Cr12Mo1V1（D2钢）的碳化物偏析较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[6]。

Cr12型钢也是一种莱氏体钢，其锻造与预备热处理方式与高速钢相似，退火后的硬度低于255HBW。

其淬火工艺及用途见表2。

淬火回火后的组织为回火马氏体+颗粒状碳化物+少量残余奥氏体。

图1为用Cr12MoV钢制造的冲裁模淬火回火工艺。

图1 Cr12MoV制冲裁模的淬火回火工艺中铬模具钢是针对Cr12型高铬模具钢中碳化物多而粗大，且分布不均匀的缺点发展起来的钢种。

典型的牌号有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5Mo1V，其中Cr4W2MoV使用较多。

此类钢的含碳量进一步降至1.0％～1.25％，突出的优点是形成的碳化物细小且呈均匀分布状态，韧性明显改善，热处理变形小、综合力学性能较佳。

可用于代替Cr12型钢制造易崩刃、开裂与折断的冷作模具，其寿命大幅度提高。

2.4 基体钢和低碳高速钢类冷作模具钢对要求高耐磨性的模具（如某些冷挤压的凸模）也有采用高速钢来制造的，但往往又由于其韧性较差而早期失效。

为提高它的韧性而研究发展了基体钢，其化学成分相当于高速钢淬火后的基体组织成分，因而基体钢中共晶碳化物数量少且细小均匀，韧性也相对提高了。

近年来国内研制的基体钢是以W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2钢的基体成分为基础发展改性的。

其中含镍基体钢6Cr4Mo3NiWV（CG—2）的强度和断裂韧度都较高，但其热加工较难掌握，容易产生内裂而报废，生产成本高，因而使用范围受到限制。

含钛基体钢中6W8Cr4VTi有较高的硬度、强度和高温性能以及回火稳定性，多用于冷冲切边模具等，也可用于要求不高的刀具和某些热挤压模具。

而6Cr5Mo3W2VsiTi则相对有较好的强韧性，多用于承受冲击载荷较大的冷挤压冷冲模具。

但由于钢中钛的加入，给钢的浇注操作带来一些麻烦，使钢的扩大应用受到限制。

6W6Mo5Cr4V钢有较好的加工工艺性、高强度及较好的韧性，且耐磨性也好，一般多用于要求高强韧性的冷挤压模和冷冲模。

65Cr4W3Mo2VNb（简称65Nb）取自W6Mo5CrV2钢正常淬火后的基本成分，碳含量比高速钢低，碳质量分数的中限为0.65％，故名65Nb。

此类钢具有较好的耐磨性和较强的高温韧性，可以代替Cr12MoV、W18Cr4V钢，用于重载冲裁模和冷挤压模、冷镦模。

65Nb钢锻造和退火工艺性能良好，热处理温度范围宽，其热处理工艺：1080～1180℃盐浴炉加热（15～20s/mm）油淬，520～560℃回火2次，硬度57～63HRC。

当采用比W6Mo5CrV2钢正常淬火温度低的温度淬火后，65Nb钢组织为在碳含量较低的马氏体基体上均匀分布着细粒状未溶碳化物。

通过热处理参数的调整，可以得到不同的强度、韧性、耐磨性配合，以适合不同模具的性能要求。

低碳高速钢（如6W6Mo5Cr4V等）由于降低了碳化物的含量和分布均匀性，使其在保持硬度和耐磨性的同时，抗弯强度、冲击韧性和塑性都有显著提高，虽然耐磨性略低，仍可用低温氮碳共渗提高表面硬度和耐磨性。

其热处理工艺和高速钢W6Mo5Cr4V2相似。

3 结束语合理选取模具材料及实施正确的热处理工艺是保证模具寿命的关键。

影响冷作模具的使用寿命是一个综合的因素；原材料选择的合理性、原材料内部的冶金质量、设计和制造工艺的合理性、使用条件和操作工人的技术水平等。

但其中模具材料的选用和相应的热处理工艺应是重要因素。

据调查，在所有的模具失效因素中，模具的材料和热处理约占70％的比例，成为影响模具寿命的主要因素。

因此，在模具的整个设计制造过程中，模具材料的选用和热处理工艺是否适当显得尤为重要。

参考文献[1] 陈再良，陈蕴博，佟晓辉，吕东显.冷作模具钢及其失效分析中的几个相关问题[J].理化检验—物理分册，2005，42（增刊）[2] 余建宏.机械工程材料[M].北京：中国电力出版社，2005.[3] 王运炎，叶尚川.机械工程材料[M].北京：机械工业出版社，1999.[4] 赵昌盛，朱邦全.我国模具材料的应用发展[J].模具制造，2004，（11）[5] 陈钰秋等.高韧性冷作模具钢（DS钢）的研究及应用[J].特殊钢，2000，（4）[6] 方钟惠.逐步进入我国模具市场的D2钢.特殊钢[J]，1993，（5）。