冷作模具鋼的選材與熱處理

 

　　冷作模具概述

 

　　冷作模具是在常溫下對材料進行壓力加工或其他加工所使用的模具，它種類繁多、結構復雜，模具在使用中受到壓縮、拉伸、彎曲、沖擊、摩擦等機械力的作用。冷作模具正常失效形式主要有磨損、脆斷、折彎、咬合、塌陷、啃傷、軟化等，因此要求冷作模具用鋼在相變熱處理后，具有高的變形抗力、斷裂抗力、耐磨損、抗疲勞、抗咬合等能力，以保證模具具有一定的耐用度。

 

　　▇ 冷作模具的性能要求

 

　　根據冷作模具的工作條件及失效形式，冷作模具鋼應具有如下基本性能：

 

　　高硬度和高耐磨性，工作時保持鋒利的刃口

 

　　較高的強度和韌性及～定的熱硬性，工作時刃部不易崩裂或塌陷。

 

　　較好的淬透性，保證淬火態有較高的硬度和一定的淬透深度。

 

　　較好的加工工藝性和成形性，較好的淬火安全性，熱處理變形小，在復雜斷面上不易淬裂。

 

　　★ 模具的耐磨性

 

　　冷作模具在工作時，表面與坯料之間產生許多次摩擦，模具必須在這種情況下仍能保持較低的表面粗糙值和較高的的尺寸精度，以防早期失效。為提高冷作模具的抗耐磨性能，通常要求模具硬度高于加工件硬度30%～50%，材料的組織為回火馬氏體或下貝氏體，其上分布均勻、細小的粒狀碳化物。因此鋼中的碳的質量分數一般都在0.6%以上。

 

　　★ 模具的韌性

 

　　模具材料的韌性，要根據模具工作條件來決定，對于受強烈沖擊載荷的模具，如冷作模具的沖裁模、冷鐓模具等，困受沖擊載荷較大，需要高的韌性;對于一般工作條件下的冷作模具的失效形式是疲勞斷裂，因此模具不必具有過高的沖擊韌度值。

 

　　★ 模具的強度

 

　　模具的強度即模具零件在工作過程中抵抗變形和斷裂的能力。強度指標是冷作模具設計和材料選擇的重要依據，主要包括：拉伸屈服點、壓縮屈服點等。屈服是衡量模具零件塑性變形抗力的指標，也是更常用的強度指標。為了獲得高的強度，模具制造過程中，要選擇合適的模具材料，并通過適當的熱處理工藝來達到其要求。

 

　　★ 模具的抗疲勞性能

 

　　冷作模具通常是在交變載荷的作用下發生疲勞破壞的，因此為了提高模具的使用壽命，需要有較高的抗疲勞性能。導致模具疲勞的因素有：鋼中帶狀和網狀碳化物、粗大晶粒;模具表面有微小刀痕、凹槽及截面尺寸變化過大和表面脫碳等。

 

　　★ 模具的抗咬合性

 

　　當沖壓R材料與模具表面接觸時，在高壓摩擦下潤滑油膜被破壞，此時被沖壓金屬冷焊在模具型腔表面形成金屬瘤，從而在工件表面劃出痕跡。咬合抗力就是對發生冷焊的抵抗力。

 

　　▇ 模具的工藝性能要求

 

　　★ 可鍛性

 

　　鍛造不僅減少了模具材料的機械加工余量，節約鋼材，而且改善模具材料的內部缺陷，如碳化物偏析、減少有害物質、改善鋼的組織狀態等。為了獲得良好的鍛造質量，對可鍛造的要求是：熱鍛變形抗力低、韌性好、鍛造溫度范圍寬，鍛裂、冷裂及網狀碳化物的傾向性小。

 

　　★可加工性

 

　　對可加工性的要求是：切削力小，切削量大，刃磨損小以及加工后模具表面光潔。冷作模具鋼主要屬于過共析鋼和萊氏體鋼，大多數切削加工比較困難，為了獲得良好的切削加工性，需要進行熱處理，對于表面質量要求高的模具可選用含硫，鈣等元素的易切削模具鋼。

 

　　★ 可磨削性

 

　　為了保證模具具有較好的表面粗糙度和尺寸精度，大部分模具都必須經過磨削加工。對可磨削性的要求是：對砂輪質量及冷卻條件不敏感，不易發生磨傷和磨裂，如加強模具鋼的磨削性，可以通過在煉鋼過程中加變劑、如硅、鈣、稀土元素等。

 

　　★ 熱處理工藝性

 

　　熱處理工藝性能主要包括：淬透性，淬硬性，耐回火性，過熱敏感性化脫碳傾向，淬火變形和開裂傾向等。

 

　　★ 淬透性和淬硬性

 

　　淬透性主要取決于鋼的化學成分、合金元素含量和淬火前的組織狀態。淬透性好的模具鋼淬火時采用較溫和的冷卻介質，就可以獲得較深的硬化層。對于形狀復雜的小型模具，采用淬透性的模具鋼制造以減少模具的變形和開裂;對于大截面，深型腔模具，選用高淬透性鋼制造，淬火后心部也臺匕得到良好的組織和硬度。淬硬性主要取決于鋼的含碳量，所以對要求耐磨性高的冷作模具，一般選用高碳合金鋼制造。

 

　　★ 耐回火性

 

　　耐回火性是在回火過程中隨著溫度的升高，鋼材硬度下降的能力。回火溫度相同，硬度下降少的鋼耐回火性好。耐回火性越高，鋼的熱硬性越高，在相同的硬度下，其韌性也較好。—般對于受到強烈擠壓和摩擦的冷作模具，也要求模具材料具有較好的耐回火性。

 

　　★ 過熱敏感性

 

　　模具在加熱過程中，過熱現象會得到粗大的馬氏體，降低模具的韌性，增加模具早斷裂的危險，所以冷作模具鋼有過熱傾向要求。

 

　　★ 氧化脫碳傾向

 

　　模具在加熱過程中如果發生現氧化脫碳現象，就會改變模具的形狀和性能，嚴重降低模具的硬度、耐磨性和使用壽命，使模具早期失效，所以要求冷作模具的氧化脫碳傾向小。對于容易發生氧化脫碳的含鉬量較高的模具鋼。宜采用真空熱處理、可控溫熱處理、鹽浴熱處理等，以避免模具鋼氧化脫碳。

 

　　★ 淬火變形和開裂傾向

 

　　模具鋼淬火變形、開裂傾向與材料成分及原始組織狀態，工件幾何形狀，熱理工藝方法及參數等都有很大關系，模具設計選材時必須加以考慮。特別是—些形狀復雜的精密模具，淬火后難以修整，這就要求材料淬火、回火后的變形程度小，—般應選擇微變形鋼。

 

　　▇  冷作模具材料的選用

 

　　合理地選用模具材料并進行的成形加工和適當的熱處理，能夠有效的提高模具使用壽命。例如，對于形狀簡單，不易變形，截面不大，承受載荷較輕的冷作模具，常選用碳素工具鋼有，T9，T10，T11等和高碳低合金鋼9Mn2V，CrWMn，Cr2等制造;對于形狀復雜，容易變形，截面較大，承受載荷較大的冷作模具，宜選用高耐磨模具鋼Crl2模具鋼、Crl2MoV模具鋼、Cr4W2V模具鋼、Cr2Mn2SiWMoV模具鋼、SKD11模具鋼、D2模具鋼等制造;對于承受大沖擊載荷的冷作模具，常選用沖擊韌性較高的模具鋼，如DC53模具鋼、4Cr4MoSiVA模具鋼、Cr5MoSiVlS模具鋼、CrNiMo模具鋼、4CrMnSiMoV模具鋼、7CrSiMnMoV模具鋼等制造。要求使用壽命較長的硅鋼片冷沖模，無論承受輕載荷或重載荷，一般都選用Crl2模具鋼、Crl2MoV模具鋼、Cr2Mn2SiWMoV模具鋼、鋼制造。在選用模具材料時，往往需要考慮生產批量。生產批量小或中等的，常選用碳素工具鋼或高碳低合金模具鋼;而生產批量大，則選用高耐磨模具鋼。

 

　　鑒于沖頭與凹模的工作條件和使用性能要求存在著差別，所選用的鋼材也有所不同。例如冷擠壓鋼件和硬鋁件時，凹模常選用Crl2模具鋼、Crl2MoV模具鋼;為了延長沖頭的使用壽命，則可選用高速工具鋼W18Cr4V模具鋼、W6MoSCr4V2模具鋼、W12M03Cr4V3N模具鋼，如果沖頭同樣選用Crl2模具鋼、Crl2MoV模具鋼則使用壽命低，一般僅為凹模的一半或更低。

 

　　▇ 結束語

 

　　模具材料的選擇要考慮優點和制約的平衡，需要和可能的平衡，結果產生有各種不同的結果。在現實生產中，根據模具的工作條件和失效形式來考慮材料使用性能，根據工廠的設備來考慮材料的工藝性能，根據市場的需求和反映，并綜合考慮材料的價格等非技術方面因素。

 

　　合理選取模具材料及實施正確的熱處理工藝是保證模具壽命的關鍵。影響冷作模具的使用壽命是一個綜合的因素;原材料選擇的合理性、原材料內部的冶金質量、設計和制造工藝的合理性、使用條件和操作工人的技術水平等。但其中模具材料的選用和相應的熱處理工藝是重要因素。據調查，在所有的模具失效因素中，模具的材料和熱處理約占70%的比例，成為影響模具壽命的主要因素。因此在模具的整個設計制造過程中，模具材料的選用和熱處理工藝是否適當顯得尤為重要。