冷作模具钢的选材与热处理

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关心的问题,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提出对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的摩擦。冷作模具在生产中常见的失效形式有以下几类:
(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)磨损失效钢片

模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗,使工作部位叨口、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叫:

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

冷作模具钢的牌号、热处理、性能和用途.png
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Cr12MolV1(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。

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。

Cr12MoV淬火.png

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。

合理选取模具材料及实施正确的热处理工艺是保证模具热处理后寿命的关键。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。

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