冷作模具钢及其热处理工艺讲解

5.1 冷作模具材料的工作条件与性能要求
5.1.1 冷作模具材料的工作条件 1.冲裁模 2.拉深模 3.挤压模 4.冷镦模 5.1.2 冷作模具材料的性能要求
1.使用性能要求 （1）耐磨性 （2）韧性 （3）强度 （4）抗疲劳性 （5）抗咬合性
2.工艺性能要求 （1）可锻性 （2）可切削性 （3）可磨削性 （4）热处理工艺性
3.挤压模模具材料的选用 传统的冷挤压模模具材料有碳素工具钢T10A钢，高碳低 合 金 钢 CrWMn，60Si2Mn 钢 ， 高 耐 磨 冷 作 模 具 钢 Cr12， Cr12MoV钢，冷作模具用高速钢W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2钢等。 4.冷镦模模具材料的选用 凸模必须承受强烈的冲击力，对模具寿命要求不高或轻 载的冷镦模 凸 模―― 可 采9SiCr，T10A，Cr12MoV，GCr15，60Si2Mn 钢制造； 凹模――可采用T10A，Cr12MoV，GCr15钢制造;对于重载 、高寿命冷镦模，应采用高强韧性、高耐磨性新型模具钢， 如012Al，65Nb，LD，LM，18Ni，GM，6W6Mo5Cr4V钢。
5．2 冷作模具材料的选用 5．3 冷作模具的制造工艺路线 5．4 冷作模具的热处理
5．4．1 冷作模具钢的热处理特点 5．4．2 典型冷作模具的热处理 5．5 冷作模具热处理实例 6．5．1 硅钢片冷冲裁模具
冷作模具材料的正常失效形式主要是磨损、脆 断、弯曲、咬合、塌陷、啃伤、软化等。
要求冷作模具钢应在相应的热处理后，具有高 的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳、不咬 合等能力。
线切割加工对模具热处理的影响： 冲裁模的加工工艺、工作条件、失效形式、性 能要求不同，其热处理特点也不同。对有线切割加 工的模具，线切割工序安排在淬火和回火之后，因 为它破坏了工件热处理后的应力状态，并在表层产 生了600～900 MPa的拉应力，造成了局部应力的叠 加，导致在线切割加工过程中的变形和开裂。这种 变形和开裂既和被切割工件的尺寸有关，又和被切 除部分的体积有关。这是因为尺寸越大，内应力越 大;切去部位越多，造成内应力的局部叠加的几率 越大，变形和开裂的可能性越大。
图5-4 T12钢的力学性能 与回火温度的关系 (淬火 温度:780℃)
(3)工艺性能 ①锻造性能: ②预先热处理: ③淬火及回火: (4)使用范围 碳素工具钢生产成本低，易于冷、热加工，在 退火状态下硬度较低，通过热处理后可以获得较高 的硬度，具有一定的耐磨性。但淬透性差，淬火变 形大，耐磨性不高。因此，碳素工具钢适于制造尺 寸较小、形状简单、负荷较轻、生产批量不大的冷 作模具。
2.冷拉深模的热处理
(1)冷拉深模的性能要求 在冷拉深时，冲击力很小，主要要求模具具有高的强度 和耐磨性，在工作时不发生粘附和划伤，具有一定韧性及较 好的切削加工性能，并要求热处理时模具变形小。对模具用 钢的强度要求可以根据被拉深材料的强度和板材的厚度来决 定，拉深件批量的大小及形状也应予以考虑。 (2)冷拉深模的热处理特点 制定和实施热处理工艺时主要注意以下几点: ①避免模具表面产生氧化、脱碳 ②避免模具表面产生硬化接点 ③对被拉深材料进行良好的润滑
图5-5 CrWMn钢力学 性能与淬火温度的关 系
图5-6 CrWMn钢硬度 与淬火温度的关系
图5-7 CrWMn钢硬 度与回火温度的关系
(3)工艺性能 ①锻造工艺 CrWMn钢具有良好的锻造性能。 ②退火工艺: CrWMn钢锻后需进行等温球化退火，退火温度为790～ 830℃，等温温度为700～720℃，退火后的组织比较均匀， 退火后硬度为207～255HBS。 ③淬透性:CrWMn钢淬透性较好，淬火变形小。在油中的临 界淬透直径为30～50mm。直径40～50mm的钢件在低于200℃ 的硝盐浴中冷却即可淬透。 (4)使用范围 CrWMn钢具有较好的淬透性，淬火变形小，耐磨性、热硬 性、强韧性均优于碳素工具钢，是使用较为广泛的冷作模具 钢。主要用于制造要求变形小，形状较复杂的轻载冲裁模( 料厚<2 mm)，轻载拉深、弯曲、翻边模等。
3.冷挤ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ模的热处理
(1)冷挤压模模具的性能要求 冷挤压时，金属在三向不均匀的压力下产生塑性变形，这就需要模具 不但具有很高的强度和耐磨性，能承受住反复作用的高压力而不发生破坏 ，而且还应该具备抵抗微小塑性变形的能力，才能保证模具在高压下工作 时不变形。此外，金属变形过程中会产生热效应，使工件和模具的温度升 高，因此还需要模具具有较高的回火稳定性。 (2)冷挤压模模具的热处理特点 为了能满足冷挤压模具的性能要求，在制定和实施热处理工艺时应注 意以下几点: ①避免材料碳化物偏析 ②采用常用工艺的下限温度淬火 ③控制一定的残余奥氏体量 ④采用等温淬火方法 ⑤应用表面强化处理 ⑥在使用过程中进行低温去应力回火
图5-1 T10钢的硬度、残余奥氏体量与回火温度的 关系 (780℃淬火、水冷、回火保温1 h)
提高淬火温度，淬火马氏体变粗，钢的强韧性下降，如图 5-2所示。但适当提高淬火温度，可提高碳素工具钢的淬透性， 增加硬化层深度，提高模具的承载能力，如图5-3所示。所以， 对于容易淬透的小型模具，可采用较低的淬火温(760～ 780℃);对于大、中型模具，应适当提高淬火温(800～850℃) 或采用高温快速加热工艺。
2.高碳低合金钢(CrWMn钢)
(1)化学成分
CrWMn钢的临界点:Ac1≈750℃，Accm≈940℃，Ar1≈710℃，Ms≈255℃ 。
(2)力学性能 CrWMn钢具有高淬透性，由于钨形成碳化物，所以这种钢在淬火及低温 回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性， 如图5-5～图5-7所示。
5.2 冷作模具材料的选用
1.冲裁模模具材料的选用 (1)薄板冲裁模具用钢: 薄板冲裁模国内长期以来主要用材有T10A，CrWMn，9Mn2V， Cr12及Cr12MoV钢等。 (2)厚板冲裁模具用钢: 一般批量较小时，可选T8A钢，用T8A钢制作模具寿命不高。 对于批量较大的厚板冲裁模可选用W18Cr4V钢或W6Mo5Cr4V2 钢制作凸模，用Cr12MoV钢制作凹模。 2.拉深模模具材料的选用 对于小批量生产，可选用表面淬火钢或铸铁; 对于轻载拉深模，宜选用碳素钢T10A钢，高碳低合金钢9Mn2V ，CrWMn，GD钢，基体钢（65Nb钢）等; 对于重载拉深模，可选用高耐磨冷作模具钢Cr12，Cr12MoV， Cr12Mo1V1，Cr5Mo1V，GM钢等。
总之，模具制造工艺路线应根据材质及使用性能，选择合 理的热处理工艺方案，并根据模具具体情况在工艺路线中合理 安排。但这也不是一成不变的，对于同一材质的不同模具，可 采用不同的热处理方法、不同的工艺路线，因而获得的组织及 机械性能也不相同。在生产中应针对满足模具的要求适当安排 ，从而获得最大的经济效益。
5.1.3 典型冷作模具材料的性能分析
1.碳素工具钢 (1)化学成分；(2)力学性能；(3)工艺性能；(4)使用范围。
(2)力学性能 如图5-1所示，碳素工具钢随回火温度升高而硬度降低 ，但下降趋势与碳含量有关，碳含量越高，钢中析出的碳化 物颗粒越多，阻止了硬度的下降，因而碳含量高的钢回火时 硬度降低程度比碳含量低的钢小。
4.冷作模具用高速钢(W6Mo5Cr4V2钢) (1)化学成分；(2)力学性能；(3)工艺性能；(4)使用范围。
①锻造工艺: ②退火工艺: ●锻后退火:加热温度为840～860℃，保温2～4 h，缓慢 冷却到500℃以下出炉空冷或 炉冷到室温，硬度≤285HBS。 ●锻后等温退火:加热温度为840～860℃，保温2～4 h;炉 冷至740～760℃，保温4～6 h，炉冷到500℃以下出炉空冷， 硬度≤255HBS。 ③淬火工艺:W6Mo5Cr4V2钢的淬火工艺见表6-13。 ④回火工艺: 高速钢必须经过三次以上的回火，其原因主要是前次回火 冷却过程中残余奥氏体转变成“淬火”马氏体，必须经再次回 火才能消除前次回火时产生的组织应力，经三次回火后残余奥 氏体体积分数才降到2%～3%，硬度达到64HRC以上。
图5-2 T10钢的淬火温度对强韧性的影响 图5-3 T10钢的淬火温度对淬透性的影响
碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，在低温区 (150～200℃)回火，硬度下降不多，当回火温度超过200℃ 时，硬度才明显下降，如图5-1所示。
碳素工具钢的力学性能与回火温度的关系，如图5-4所 示，当回火温度为220～250℃时抗弯强度达到极大值，可 是碳素工具钢在200～250℃回火时，会产生回火脆性，导 致韧性下降，因此韧性要求较高的碳素工具钢应避免在此温 度回火。而承受弯曲及抗压载荷的碳素工具钢仍可采用 220～280℃回火，以获得高抗弯强度，提高模具的使用寿 命。
（五） 冷作模具钢
模具钢材料及热处理重要性
影响模具使用寿命的因素主要有设计结构、成形 及制造工艺、模具材料的选用、热处理工艺及表面 强化、润滑及使用维护等。据调查统计,在模具失效 的诸多因素中,由于模具用材和热处理不当而引起的 失效约占70%。
5 冷作模具材料钢及其热处理
5．1 冷作模具的工作条件与性能要求 5．1．1 冷作模具的工作条件 5．1．2 冷作模具的性能要求 5．1．3 典型冷作模具材料的性能分析
图5-10 回火温度对Cr12MoV钢硬度的影响
(3)工艺性能 ①锻造工艺: 由于Cr12型钢属于高碳高合金钢，其导热性能差， 塑性低，变形抗力大，锻造温度范围窄，组织缺陷严重 ，所以其锻造性能差。
②退火工艺: Cr12型钢一般采用等温球化退火工艺，加热温度为 850～870℃，保温 2～4 h，等温温度为740～760℃， 保温4～6 h，退火组织为索氏体+合金碳化物。退火后硬 度为207～255HBS。 ③淬透性: Cr12型钢Cr的质量分数高达约12%，所以具有高淬透 性。截面尺寸为300～400 mm以下的模具在油中完全可 以淬透，控制淬火温度可以调节残余奥氏体量，实现微 变形淬火。
5.4.2 典型冷作模具材料的热处理
1.冷冲裁模的热处理 冷冲裁模的热处理特点 ①薄板冲裁模的热处理特点: ②厚板冲裁模的热处理特点: 厚板冲裁模失效分析表明，崩刃、折断往往是厚板冲裁模 最早出现的失效形式。合理选择回火工艺，生产中制定热处 理工艺时可参考如下方法: ●高碳钢低温、短时、快速加热工艺: ●等温淬火工艺: ●利用多次相变重结晶，促使奥氏体晶粒细化: ●细化碳化物处理:
3.高耐磨冷作模具钢(Cr12型高碳高铬钢)
(1)化学成分；(2)力学性能；(3)工艺性能；(4)使用范围。 (2)力学性能
图5-8 淬火温度对Cr12MoV钢的 硬度、晶粒度和残余奥氏体的影响
图5-9 淬火温度对Cr12MoV钢的 抗弯强度、冲击韧度的影响
Cr12型钢在淬火加热时碳化物大量溶于奥氏体中，淬火后 得到高硬度的马氏体。回火时自马氏体中析出大量弥散分布的 碳化物，其硬度很高，因而提高了钢的耐磨性。如图5-10 所示， Cr12MoV钢经1020℃淬火，520℃回火时出现明显的二次硬化， 而且淬火温度愈高，这种效应愈显著。在200℃左右回火时，其 抗弯、抗压强度最高;在400℃左右回火，断裂韧度最高。
5.4 冷作模具材料的热处理
5.4.1 冷作模具材料的热处理特点 (1)冷作模具钢含合金元素量多且品种多，合金化较复杂。钢 的导热性差，而奥氏体化温度又高，因此加热过程宜缓慢，多 采用预热或阶梯式升温方式。 (2)为保护钢的表面质量，加热介质应予重视，所以普遍采用 控制气氛炉、真空炉等先进加热设备和方法，盐浴加热应充分 净化。 (3)在达到淬火目的的前提下，应采用较缓和的冷却方式，如 等温淬火、分级淬火、高压气淬、空冷淬火等。 (4)为了进一步强化，应采用冷处理、渗氮等表面处理方式。 (5)盐浴处理后应及时清理，并高度重视工序间的防护工作。 (6)冷作模具钢价格昂贵，冷作模具工件加工复杂、周期长、 制造成本高、不宜返修。所以工艺制定和操作应十分慎重，以 保证生产全过程的安全。
5.3 冷作模具的制造工艺路线
常用冷作模具的制造工艺路线如下: (1)一般成型冷作模具 锻造→球化退火→机械加工成型→淬火与回火→钳修装配; (2)成型磨削及电加工冷作模具 锻造→球化退火→机械粗加工→淬火与回火→精加工成型 （凸模成型磨削，凹模电加工）→钳修装配; (3)复杂冷作模具 锻造→球化退火→机械粗加工→高温回火或调质→机械加 工成型→钳修装配。