冷作模具材料及表面热处理

冷作模具材料及表面热处理

机械设计制造及其自动化郑丽

摘要:在模具设计与制造中，采用合理的热处理工艺可以提高模具的使用性能，延长模具的使用寿命，此外，还能改善模具的加工工艺性，提高加工质量，减少刀具磨损。冷作模具材料用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、冷剪切刀、冷成型模、冷拉丝模等。它的工作条件非常恶劣，它要承受较高的拉伸应力，压缩应力，冲击应力，承受剧烈的摩擦磨损以及疲劳载荷，所以冷作模具需要进行合理的热处理工艺。

关键词：冷作模具;材料性能；热处理。

Abstract: In the mold design and manufacturing, heat treatment process can improve the performance of the use of molds, to extend the life of the mold, but also to improve the mold processing technology to improve processing quality and reduce tool wear. Cold-working die materials used in the manufacture of cold die, cold heading die, cold extrusion die, cold shear knives, cold molding, cold drawing mode. Very poor working conditions, it has to withstand high tensile stress, compressive stress, impact stress, under severe friction and wear and fatigue loads, so the cold-working die need for reasonable heat treatment process.

Key words: cold-working die; material properties; heat treatment.

1冷作模具的定义

冷作模具是指在室温下完成对金属或非金属材料进行塑化变形加工的工艺装备。

2冷作模具的分类

它包括冷冲裁模具、冷挤压模具、冷镦模具、冷拉伸模具、拉丝模具、弯曲模具、压印模具、螺纹压制模具等。其完成的工序有冲孔、落料、挤压、冷镦、拉伸、滚丝、拉丝、弯曲、成型等。

3冷作模具材料的分类

冷作模具材料可以分为模具钢、硬质合金、低熔点合金、高分子材料、陶瓷、合金铸铁等。根据其性能的不同冷作模具钢主要可分为低淬透性冷作模具钢、低变形冷作模具钢、高耐磨微变形冷作模具钢、高耐磨微变形冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、抗冲击冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢以及高耐磨高韧性冷作模具钢。

3.1 低淬透性冷作模具钢

低淬透性冷作模具钢中，使用最多的是碳素工具钢和GCr15轴承钢。碳素工具钢中碳的质量分数在0.7%—1.3%范围内，价格便宜，原材料来源方便，加工性能良好，淬火温度低，热处理后具有较高的表面硬度和较好的耐磨性，适以制造尺寸较小、形状简单、负载较轻、生产批量不大的冷作模具。缺点是淬透性低，淬火温度范围窄，淬火变形大，较大的模具不能淬透，而且表面淬硬层和中心部分之间的硬度值相差很大，容易使模具在淬火时开裂，因此很少用来制造精度要求高、形状复杂、承载力较大的冷作模具。主要有T7A—T12A,其中T10A用量最多，冷冲模很少用T8A，主要原因是T8A淬火加热时容易过热，淬火变形大，强韧性较低，耐磨性也较差。

3.2高耐磨微变形冷作模具钢

高耐磨微变形冷作模具钢一般是高碳高铬钢，是一种高合金冷作模具钢，应用量最多最广泛；这类钢大部分是莱氏体钢，组织中有大量共晶化合物，淬火后有大量共晶碳化物存在，同时含有

大量的残余奥氏体，因此热处理后变形小、耐磨性高、承载力大，经常用来制造高耐磨、微变形、高负荷条件下工作的冷加工用模具。但由于高碳高铬莱氏体中有大量的共晶碳化物分布不均，因此易出现崩刃脆裂的现象。代表号钢有：Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr12W、Cr12V、Gr4W2MoV 等。

3.3高强度高耐磨冷作模具钢

传统的高速钢即是此类钢的典型钢种。高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，采用低温淬火、快速加热淬火等工艺措施可以有效地改善其性能；在热处理的过程中高速钢必须经过3次以上回火，主要因为前两次回火冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体，必须经过回火才能消除前次回火时产生的组织应力。该类钢主要包括W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W12Mo3Cr4V等，这些高速钢在制造重载荷方面获得了良好的效果。

4 冷作模具钢的失效形式及预防措施

由于冷作模具在工作过程中会常常受到压缩、拉伸、弯曲、冲击、摩擦等作用，因此出现的主要失效形式有过载失效、磨损失效和疲劳失等。

4.1 过载失效

过载失效系指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷作用引起的失效，包括韧度不足和强度不足两类失效。其中对韧度不足出现的脆断失效应予以重视。

(1)材料韧度不足的失效

由于此类失效前无宏观征兆和断裂突发性，这种失稳态下的断裂失效在冷挤压和冷镦模具中容易出现，其特征是失效产生前无明显塑性变形，宏观断口无剪切唇，且比较平坦，造成模具不可修复的永久失效。

(2)强度不足失效

在冷镦、冷挤压冲头中材料抗压、弯曲抗力不足，易出现镦头下凹、弯曲变形失效。在新产品开发中容易产生此类失效，原因是工作载荷过大，模具硬度偏低有关。同时说明材料强度不足，塑性有余，有韧度潜力可以发挥。

4.2磨损失效

磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使工作部位形状和尺寸发生变化引起的失效。

4.3 疲劳失效

冷作模具载荷都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施加的，这种状态与小能量多冲疲劳实验相似。由于模具材料多冲疲劳的断裂寿命在1000—5000次，通常裂纹疲劳源和裂纹扩散区无明显界限。

4.4 预防过早失效的措施

(1)细化冷作模具钢的碳化物的颗粒或晶粒尺寸，可提高材料强度和断裂韧度，提高材料抗脆断能力。

(2)提高模具表面质量。

(3)复相组织增韧增强，在材料中增加一种或数种增韧增强的弥散组织，可以起到吸收能量，阻碍裂纹扩展的作用。