第6章冷作模具材料

1、6 61 1 冷作模具的工作條件與性能要求冷作模具的工作條件與性能要求 6 61 11 1 冷作模具的工作條件冷作模具的工作條件 6 61 12 2 冷作模具的性能要求冷作模具的性能要求 6 61 13 3 典型冷作模具材料的性能分析典型冷作模具材料的性能分析6 62 2 冷作模具材料的選用冷作模具材料的選用6 63 3 冷作模具的制造工藝路線冷作模具的制造工藝路線6 64 4 冷作模具的熱處理冷作模具的熱處理 6 64 41 1 冷作模具鋼的熱處理特點冷作模具鋼的熱處理特點 6 64 42 2 典型冷作模具的熱處理典型冷作模具的熱處理6 65 5 冷作模具熱處理實例冷作模具熱處理實例 6 6

2、5 51 1 硅鋼片冷沖裁模具硅鋼片冷沖裁模具 6 65 52 2 不銹鋼表殼冷擠壓模具不銹鋼表殼冷擠壓模具第第6 6章章 冷作模具材料冷作模具材料目錄 冷作模具材料的正常失效形式主要是磨損、脆斷、彎曲、咬合、塌陷、啃傷、軟化等。 要求冷作模具鋼應在相應的熱處理后，具有高的變形抗力、斷裂抗力、耐磨損、抗疲勞、不咬合等能力。 6.1 6.1 冷作模具材料的工作條件與性能要求冷作模具材料的工作條件與性能要求6.1.1 6.1.1 冷作模具材料的工作條件冷作模具材料的工作條件 冷作模具是指在常溫下對材料進行壓力加工冷作模具是指在常溫下對材料進行壓力加工或其他加工所使用的模具。典型的冷作模具主要或其他

3、加工所使用的模具。典型的冷作模具主要有沖裁模、拉深模、擠壓模、冷鐓模等。各類冷有沖裁模、拉深模、擠壓模、冷鐓模等。各類冷作模具都是在常溫下對工件材料施力，使其產(chǎn)生作模具都是在常溫下對工件材料施力，使其產(chǎn)生變形或分離，從而獲得一定的形狀、尺寸和性能變形或分離，從而獲得一定的形狀、尺寸和性能的成品件。由于各類冷作模具不同，所以其工作的成品件。由于各類冷作模具不同，所以其工作條件也不同。條件也不同。 6.1.2 冷作模具材料的性能要求冷作模具材料的性能要求1.使用性能要求 （1）耐磨性 （2）韌性 （3）強度 （4）抗疲勞性 （5）抗咬合性 2.工藝性能要求 （1）可鍛性 （2）可切削性 （3）可磨

4、削性 （4）熱處理工藝性 6.1.3 6.1.3 典型冷作模具材料的性能分析典型冷作模具材料的性能分析 1.1.碳素工具鋼碳素工具鋼 (1)化學成分;(2)力學性能;(3)工藝性能;(4)使用范圍。 (2)力學性能 如圖6-1所示，碳素工具鋼隨回火溫度升高而硬度降低，但下降趨勢與碳含量有關，碳含量越高，鋼中析出的碳化物顆粒越多，阻止了硬度的下降，因而碳含量高的鋼回火時硬度降低程度比碳含量低的鋼小。圖6-1 T10鋼的硬度、殘余奧氏體量與回火溫度的 關系 (780淬火、水冷、回火保溫1 h)圖6-2 T10鋼的淬火溫度對強韌性的影響 圖6-3 T10鋼的淬火溫度對淬透性的影響 提高淬火溫度淬火溫

5、度，淬火馬氏體變粗，鋼的強韌性強韌性下降，如圖6-2所示。但適當提高淬火溫度，可提高碳素工具鋼的淬透性淬透性，增加硬化層深度，提高模具的承載能力，如圖6-3所示。所以，對于容易淬透的小型模具，可采用較低的淬火溫(760780)；對于大、中型模具，應適當提高淬火溫(800850)或采用高溫快速加熱工藝。 碳素工具鋼的硬度隨回火溫度的升高而下降，在低溫區(qū)(150200)回火，硬度下降不多，當回火溫度超過200時，硬度才明顯下降，如圖6-1所示。 碳素工具鋼的力學性能與回火溫度的關系，如圖6-4所示，當回火溫度為220250時抗彎強度達到極大值，可是碳素工具鋼在200250回火時，會產(chǎn)生回火脆性，導

6、致韌性下降，因此韌性要求較高的碳素工具鋼應避免在此溫度回火。而承受彎曲及抗壓載荷的碳素工具鋼仍可采用220280回火，以獲得高抗彎強度，提高模具的使用壽命。 圖6-4 T12鋼的力學性能與回火溫度的關系 (淬火溫度:780) (3)工藝性能 鍛造性能: 預先熱處理: 淬火及回火: (4)使用范圍 碳素工具鋼生產(chǎn)成本低，易于冷、熱加工，在退火狀態(tài)下硬度較低，通過熱處理后可以獲得較高的硬度，具有一定的耐磨性。但淬透性差，淬火變形大，耐磨性不高。因此，碳素工具鋼適于制造尺碳素工具鋼適于制造尺寸較小、形狀簡單、負荷較輕、生產(chǎn)批量不大的冷寸較小、形狀簡單、負荷較輕、生產(chǎn)批量不大的冷作模具作模具。 2.2

7、.高碳低合金鋼高碳低合金鋼( (CrWMnCrWMn鋼鋼) ) (1)化學成分 CrWMn鋼的臨界點:Ac1750，Accm940，Ar1710，Ms255 。 (2)力學性能 CrWMn鋼具有高淬透性，由于鎢形成碳化物，所以這種鋼在淬火及低溫回火后具有比鉻鋼和9SiCr鋼更多的過剩碳化物和更高的硬度及耐磨性，如圖6-5圖6-7所示。 圖6-5 CrWMn鋼力學性能與淬火溫度的關系圖6-6 CrWMn鋼硬度與淬火溫度的關系圖6-7 CrWMn鋼硬度與回火溫度的關系(3)(3)工藝性能工藝性能 鍛造工藝CrWMn鋼具有良好的鍛造性能。 退火工藝:CrWMn鋼鍛后需進行等溫球化退火等溫球化退火，退

8、火溫度為790830，等溫溫度為700720，退火后的組織比較均勻，退火后硬度為207255HBS。 淬透性:CrWMn鋼淬透性較好，淬火變形小。在油中的臨界淬透直徑為3050mm。直徑4050mm的鋼件在低于200的硝鹽浴中冷卻即可淬透。 ( (4 4) )使用范圍使用范圍 CrWMn鋼具有較好的淬透性，淬火變形小，耐磨性、熱硬性、強韌性均優(yōu)于碳素工具鋼，是使用較為廣泛的冷作模具鋼。主要用于制造要求變形小，形狀較復雜的輕載沖裁模主要用于制造要求變形小，形狀較復雜的輕載沖裁模( (料厚料厚2 2 mm)mm)，輕載拉深、彎曲、翻邊模等，輕載拉深、彎曲、翻邊模等。 3.3.高耐磨冷作模具鋼高耐磨

9、冷作模具鋼(Cr12(Cr12型高碳高鉻鋼型高碳高鉻鋼) ) (1)化學成分；(2)力學性能；(3)工藝性能；(4)使用范圍。 (2)力學性能 圖6-8 淬火溫度對Cr12MoV鋼的 圖6-9 淬火溫度對Cr12MoV鋼的硬度、晶粒度和殘余奧氏體的影響 抗彎強度、沖擊韌度的影響 Cr12型鋼在淬火加熱時碳化物大量溶于奧氏體中，淬火后得到高硬度的馬氏體?；鼗饡r自馬氏體中析出大量彌散分布的碳化物，其硬度很高，因而提高了鋼的耐磨性。如圖6-10 所示，Cr12MoV鋼經(jīng)1020淬火，520回火時出現(xiàn)明顯的二次硬化二次硬化，而且淬火溫度愈高，這種效應愈顯著。在200左右回火時，其抗彎、抗壓強度最高；在

10、400左右回火，斷裂韌度最高。 圖6-10 回火溫度對Cr12MoV鋼硬度的影響 (3)工藝性能 鍛造工藝: 由于Cr12型鋼屬于高碳高合金鋼，其導熱性能差，塑性低，變形抗力大，鍛造溫度范圍窄，組織缺陷嚴重，所以其鍛造性能差鍛造性能差。 退火工藝: Cr12型鋼一般采用等溫球化退火工藝等溫球化退火工藝，加熱溫度為850870，保溫 24 h，等溫溫度為740760，保溫46 h，退火組織為索氏體+合金碳化物。退火后硬度為207255HBS。 淬透性: Cr12型鋼Cr的質(zhì)量分數(shù)高達約12%，所以具有高淬透高淬透性性。截面尺寸為300400 mm以下的模具在油中完全可以淬透，控制淬火溫度可以調(diào)節(jié)

11、殘余奧氏體量，實現(xiàn)微變形淬火。 6.2 6.2 冷作模具材料的選用冷作模具材料的選用 1. 1.沖裁模模具材料的選用沖裁模模具材料的選用 (1)薄板沖裁模具用鋼: 薄板沖裁模國內(nèi)長期以來主要用材有T10AT10A，CrWMnCrWMn，9Mn2V9Mn2V，Cr12Cr12及及Cr12MoVCr12MoV鋼等。 (2)厚板沖裁模具用鋼: 一般批量較小時可選T8AT8A鋼，用T8A鋼制作模具壽命不高。 對于批量較大的厚板沖裁模可選用W18Cr4VW18Cr4V 鋼或W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2鋼制作凸模，用Cr12MoVCr12MoV鋼制作凹模。2.2.拉深模模具材料的選用拉深模模具

12、材料的選用 對于小批量生產(chǎn)，可選用表面淬火鋼或鑄鐵;對于輕載拉深模，宜選用碳素鋼T10A鋼，高碳低合金鋼9 9Mn2VMn2V，CrWMnCrWMn，GDGD鋼，基體鋼（鋼，基體鋼（6565NbNb鋼）鋼）等;對于重載拉深模，可選用高耐磨冷作模具鋼Cr12Cr12，Cr12MoVCr12MoV，Cr12Mo1V1Cr12Mo1V1，Cr5Mo1VCr5Mo1V，GMGM鋼鋼等等。 3.3.擠壓模模具材料的選用擠壓模模具材料的選用 傳統(tǒng)的冷擠壓模模具材料有碳素工具鋼T10A鋼，高碳低合金鋼CrWMn，60Si2Mn鋼，高耐磨冷作模具鋼Cr12，Cr12MoV鋼，冷作模具用高速鋼W18Cr4V，W

13、6Mo5Cr4V2鋼等。 4.4.冷鐓模模具材料的選用冷鐓模模具材料的選用 凸模必須承受強烈的沖擊力，對模具壽命要求不高或輕載的冷鐓模 凸模可采9SiCr，T10A，Cr12MoV，GCr15，60Si2Mn鋼制造； 凹?？刹捎肨10A，Cr12MoV，GCr15鋼制造;對于重載、高壽命冷鐓模，應采用高強韌性、高耐磨性新型模具鋼，如012Al，65Nb，LD，LM，18Ni，GM，6W6Mo5Cr4V鋼。 6.3 6.3 冷作模具的制造工藝路線冷作模具的制造工藝路線 常用冷作模具的制造工藝路線如下: (1)一般成型冷作模具 鍛造球化退火機械加工成型淬火與回火鉗修裝配; (2)成型磨削及電加工冷

14、作模具 鍛造球化退火機械粗加工淬火與回火精加工成型（凸模成型磨削，凹模電加工）鉗修裝配; (3)復雜冷作模具 鍛造球化退火機械粗加工高溫回火或調(diào)質(zhì)機械加工成型 鉗修裝配。 總之，模具制造工藝路線應根據(jù)材質(zhì)及使用性能，選擇合理的熱處理工藝方案，并根據(jù)模具具體情況在工藝路線中合理安排。但這也不是一成不變的，對于同一材質(zhì)的不同模具，可采用不同的熱處理方法、不同的工藝路線，因而獲得的組織及機械性能也不相同。在生產(chǎn)中應針對滿足模具的要求適當安排，從而獲得最大的經(jīng)濟效益。 6.4 6.4 冷作模具材料的熱處理冷作模具材料的熱處理 6.4.1 6.4.1 冷作模具材料的熱處理特點冷作模具材料的熱處理特點 (

15、1)冷作模具鋼含合金元素量多且品種多，合金化較復雜。鋼的導熱性差，而奧氏體化溫度又高，因此加熱過程宜緩慢，多采用預熱或階梯式升溫方式。 (2)為保護鋼的表面質(zhì)量，加熱介質(zhì)應予重視，所以普遍采用控制氣氛爐、真空爐等先進加熱設備和方法，鹽浴加熱應充分凈化。 (3)在達到淬火目的的前提下，應采用較緩和的冷卻方式，如等溫淬火、分級淬火、高壓氣淬、空冷淬火等。(4)為了進一步強化，應采用冷處理、滲氮等表面處理方式。 (5)鹽浴處理后應及時清理，并高度重視工序間的防護工作。 (6)冷作模具鋼價格昂貴，冷作模具工件加工復雜、周期長、制造成本高、不宜返修。所以工藝制定和操作應十分慎重，以保證生產(chǎn)全過程的安全。

16、 6.4.2 6.4.2 典型冷作模具材料的熱處理典型冷作模具材料的熱處理 1.1.冷沖裁模的熱處理冷沖裁模的熱處理 冷沖裁模的熱處理特點 薄板沖裁模的熱處理特點:P79厚板沖裁模的熱處理特點:厚板沖裁模失效分析表明，崩刃、折斷往往是厚板沖裁模最早出現(xiàn)的失效形式。合理選擇回火工藝，生產(chǎn)中制定熱處理工藝時可參考如下方法: 高碳鋼低溫、短時、快速加熱工藝:等溫淬火工藝: 利用多次相變重結晶，促使奧氏體晶粒細化: 細化碳化物處理: 線切割加工對模具熱處理的影響：線切割加工對模具熱處理的影響： 沖裁模的加工工藝、工作條件、失效形式、性能要求不同，其熱處理特點也不同。對有線切割加工的模具，線切割工序安排

17、在淬火和回火之后，因為它破壞了工件熱處理后的應力狀態(tài)，并在表層產(chǎn)生了600900 MPa的拉應力，造成了局部應力的疊加，導致在線切割加工過程中的變形和開裂。這種變形和開裂既和被切割工件的尺寸有關，又和被切除部分的體積有關。這是因為尺寸越大，內(nèi)應力越大;切去部位越多，造成內(nèi)應力的局部疊加的幾率越大，變形和開裂的可能性越大。 2.2.冷拉深模的熱處理冷拉深模的熱處理 ( (1 1) )冷拉深模的性能要求冷拉深模的性能要求 在冷拉深時，沖擊力很小，主要要求模具具有高的強度高的強度和耐磨性和耐磨性，在工作時不發(fā)生粘附和劃傷，具有一定韌性一定韌性及較較好的切削加工性能好的切削加工性能，并要求熱處理時模具

18、變形小熱處理時模具變形小。對模具用鋼的強度要求可以根據(jù)被拉深材料的強度和板材的厚度來決定，拉深件批量的大小及形狀也應予以考慮。 ( (2 2) )冷拉深模的熱處理特點冷拉深模的熱處理特點 制定和實施熱處理工藝時主要注意以下幾點: 避免模具表面產(chǎn)生氧化、脫碳避免模具表面產(chǎn)生氧化、脫碳 避免模具表面產(chǎn)生硬化接點避免模具表面產(chǎn)生硬化接點 對被拉深材料進行良好的潤滑對被拉深材料進行良好的潤滑 3.3.冷擠壓模的熱處理冷擠壓模的熱處理 (1)冷擠壓模模具的性能要求冷擠壓模模具的性能要求 冷擠壓時，金屬在三向不均勻的壓力下產(chǎn)生塑性變形三向不均勻的壓力下產(chǎn)生塑性變形，這就需要模具不但具有很高的強度和耐磨性，

19、能承受住反復作用的高壓力而不發(fā)生破壞，而且還應該具備抵抗微小塑性變形的能力，才能保證模具在高壓下工作時不變形。此外，金屬變形過程中會產(chǎn)生熱效應，使工件和模具的溫度升高，因此還需要模具具有較高的回火穩(wěn)定性。 (2)冷擠壓模模具的熱處理特點冷擠壓模模具的熱處理特點 為了能滿足冷擠壓模具的性能要求，在制定和實施熱處理工藝時應注意以下幾點: 避免材料碳化物偏析避免材料碳化物偏析 采用常用工藝的下限溫度淬火采用常用工藝的下限溫度淬火 控制一定的殘余奧氏體量控制一定的殘余奧氏體量 采用等溫淬火方法采用等溫淬火方法 應用表面強化處理應用表面強化處理 在使用過程中進行低溫去應力回火在使用過程中進行低溫去應力回火 4.4.冷鐓模的熱處理冷鐓模的熱處理 ( (1 1) )冷鐓模模具的性能要求冷鐓模模具的性能要求 冷鐓壓是指金屬坯料在室溫下受沖擊壓力后高度方向尺寸減少，而垂