沖壓模具材料的要求及選用

沖壓模具材料的要求及選用沖壓模具工作時要承受沖擊、振動、摩擦、高壓和拉伸、彎扭等負(fù)荷，甚至在較高的溫度下工作（如冷擠壓），工作條件復(fù)雜，易發(fā)生磨損、疲勞、斷裂、變形等現(xiàn)象。因此，對模具工作零件材料的要求比普通零件高。由于各類沖壓模具的工作條件不同，所以對模具工作零件材料的要求也有所差異。沖裁模材料的要求對于薄板沖裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度，而對厚板沖裁模除了要求具有高的耐磨性、抗壓屈服點外，為防止模具斷裂或崩刃，還應(yīng)具有高的斷裂抗力、較高的抗彎強(qiáng)度和韌性。拉深模材料的要求要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性（抗咬合性）、高的耐磨性和硬度、一定的強(qiáng)韌性以及較好的切削加工性能，而且熱處理時變形要小。冷擠壓模材料的要求要求模具工作零件有高的強(qiáng)度和硬度、高耐磨性，為避免沖擊折斷，還要求有一定的韌性。由于擠壓時會產(chǎn)生較大的升溫，所以還應(yīng)具有一定的耐熱疲勞性和熱硬性11.2.2沖壓模具材料的種類及特性制造沖壓模具的材料有鋼材、硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金、鋅基合金、低熔點合金、鋁青銅、高分子材料等等。目前制造沖壓模具的材料絕大部分以鋼材為主，常用的模具工作部件材料的種類有：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻或中鉻工具鋼、中碳合金鋼、高速鋼、基體鋼以及硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金等等。碳素工具鋼在模具中應(yīng)用較多的碳素工具鋼為T8A、T10A等，優(yōu)點為加工性能好，價格便宜。但淬透性和紅硬性差，熱處理變形大，承載能力較低。低合金工具鋼低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入了適量的合金元素。與碳素工具鋼相比，減少了淬火變形和開裂傾向，提高了鋼的淬透性，耐磨性亦較好。用于制造模具的低合金鋼有CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV（代號CH-1）、6CrNiSiMnMoV（代號GD）等。高碳高鉻工具鋼常用的高碳高鉻工具鋼有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代號D2）,它們具有較好的淬透性、淬硬性和耐磨性，熱處理變形很小，為高耐磨微變形模具鋼，承載能力僅次于高速鋼。但碳化物偏析嚴(yán)重，必須進(jìn)行反復(fù)鐓拔（軸向鐓、徑向拔丿改鍛，以降低碳化物的不均勻性，提高使用性能。高碳中鉻工具鋼用于模具的高碳中鉻工具鋼有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它們的含鉻量較低，共晶碳化物少，碳化物分布均勻，熱處理變形小，具有良好的淬透性和尺寸穩(wěn)定性。與碳化物偏析相對較嚴(yán)重的高碳高鉻鋼相比，性能有所改善。高速鋼高速鋼具有模具鋼中最高的的硬度、耐磨性和抗壓強(qiáng)度，承載能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代號8-4-1）和含鎢量較少的W6Mo5Cr4V2（代號6-5-4-2,美國牌號為M2）以及為提高韌性開發(fā)的降碳降釩高速鋼6W6Mo5Cr4V（代號6W6或稱低碳M2）o高速鋼也需要改鍛，以改善其碳化物分布?；w鋼在高速鋼的基本成分上添加少量的其它元素，適當(dāng)增減含碳量，以改善鋼的性能。這樣的鋼種統(tǒng)稱基體鋼。它們不僅有高速鋼的特點，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲勞強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于高速鋼，為高強(qiáng)韌性冷作模具鋼，材料成本卻比高速鋼低。模具中常用的基體鋼有6Cr4W3Mo2VNb（代號65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代號LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代號012AL）等。硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金的硬度和耐磨性高于其它任何種類的模具鋼，但抗彎強(qiáng)度和韌性差。用作模具的硬質(zhì)合金是鎢鈷類，對沖擊性小而耐磨性要求高的模具，可選用含鈷量較低的硬質(zhì)合金。對沖擊性大的模具，可選用含鈷量較高的硬質(zhì)合金。鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以鐵粉加入少量的合金元素粉末（如鉻、鉬、鎢、釩等丿做粘合劑，以碳化鈦或碳化鎢為硬質(zhì)相，用粉末冶金方法燒結(jié)而成。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的基體是鋼，克服了硬質(zhì)合金韌性較差、加工困難的缺點，可以切削、焊接、鍛造和熱處理。鋼結(jié)硬質(zhì)合金含有大量的碳化物，雖然硬度和耐磨性低于硬質(zhì)合金，但仍高于其它鋼種，經(jīng)淬火、回火后硬度可達(dá)68~73HRC。11.2.3沖壓模具材料的選用及熱處理要求一.沖裁模具材料的選用及熱處理要求選用沖裁模具材料應(yīng)考慮工件生產(chǎn)的批量，若批量不大就沒有必要選擇高壽命的模具材料；還應(yīng)考慮被沖工件的材質(zhì)，不同材質(zhì)適用的模具材料亦有所不同。對于沖裁模具，耐磨性是決定模具壽命的重要因素，鋼材的耐磨性取決于碳化物等硬質(zhì)點相的狀況和基體的硬度，兩者的硬度越高，碳化物的數(shù)量越多，則耐磨性越好。常用沖壓模具鋼材耐磨性的劣優(yōu)依次為碳素工具鋼一合金工具鋼一基體鋼一高碳高鉻鋼一高速鋼一鋼結(jié)硬質(zhì)合金一硬質(zhì)合金。此外還必須考慮工件的厚度、形狀、尺寸大小、精度要求等因素對模具材料選擇的影響。傳統(tǒng)模具用鋼

長期以來，國內(nèi)薄板沖裁模用鋼為T10A、CrWMn、9Mn2V、Cr12和Cr12MoV等。沖壓模具材料的要求及選用其中T10A為碳素工具鋼，有一定強(qiáng)度和韌性。但耐磨性不高，淬火容易變形及開裂，淬透性差，只適用于工件形狀簡單、尺寸小、數(shù)量少的沖裁模具。沖壓模具材料的要求及選用T10A碳素工具鋼的熱處理工藝為：760~810°C水或油淬，160~180°C回火，硬度59~62HRC。CrWMn、9Mn2V是高碳低合金鋼種，淬火操作簡便，淬透性優(yōu)于碳素工具鋼，變形易控制。但耐磨性和韌性仍較低，應(yīng)用于中等批量、工件形狀較復(fù)雜的沖裁模具。CrWMn鋼的熱處理工藝為：淬火溫度820~840°C油冷，回火溫度200°C,硬度60~62HRC。9Mn2V鋼的熱處理工藝為：淬火溫度780~820°C油冷，回火溫度150~200°C,空冷，硬度60~62HRC。注意回火溫度在200~300°C范圍有回火脆性和顯著體積膨脹，應(yīng)予避開。Cr12和Cr12MoV為高碳高鉻鋼，耐磨性較高，淬火時變形很小，淬透性好，可用于大批量生產(chǎn)的模具，如硅鋼片沖裁模。但該類鋼種存在碳化物不均勻性，易產(chǎn)生碳化物偏析，沖裁時容易出現(xiàn)崩刃或斷裂。其中，Cr12含碳量較高，碳化物分布不均比Cr12MoV嚴(yán)重，脆性更大一些。Cr12型鋼的熱處理工藝選擇取決于模具的使用要求，當(dāng)模具要求比較小的變形和一定韌性時，可采用低溫淬火、回火（Cr12為950~980°C淬火，150~200°C回火；Cr12MoV為1020~1050°C淬火，180~200°C回火）。若要提高模具的使用溫度，改善其淬透性和紅硬性，可采用高溫淬火、回火（Cr12為1000~1100°C淬火，480~500°C回火；Cr12MoV為1110~1140°C淬火,500~520°C回火）。高鉻鋼在275~375°C區(qū)域有回火脆性，應(yīng)予避免。常用模具新鋼種為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)模具鋼種性能的不足，國內(nèi)開發(fā)或引進(jìn)了以下性能較好的沖壓模具用鋼：（1丿Cr12Mo1V1（代號D2）鋼為仿美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的D2鋼引進(jìn)的鋼種，屬Cr12型鋼。由于D2鋼中Mo、V含量增加，細(xì)化了晶粒，改善了碳化物的分布狀況，因此D2鋼的強(qiáng)韌性（沖擊韌度、抗彎強(qiáng)度、撓度）比Cr12MoV鋼有所提高，耐磨性和抗回火穩(wěn)定性也比Cr12MoV更高?？捎蒙罾涮幚?，提高硬度并改善尺寸穩(wěn)定性。用D2鋼制作的沖裁模具壽命要高于Cr12MoV鋼模具。D2鋼的鍛造性能和熱塑成形性比Cr12MoV鋼略差，機(jī)械加工性能和熱處理工藝與Cr12型鋼相似。（2丿Cr6WV鋼為高耐磨微變形高碳中鉻鋼，碳、鉻含量均低于Cr12型鋼，碳化物的分布狀態(tài)較Cr12MoV均勻，具有良好的淬透性。熱處理變形小，機(jī)械加工性能較好?？箯潖?qiáng)度、沖擊韌度優(yōu)于Cr12MoV,只是耐磨性略低于Cr12型鋼。用于承受較大沖擊力的高硬度、高耐磨板料沖裁模，其效果好于Cr12型鋼。鋼的常用熱處理工藝為：淬火溫度9701~000°C,—般可熱油或硝鹽分級淬火冷卻，尺寸不大的部件可采取空冷。淬火后應(yīng)立即回火，回火溫度160210~°C,硬度58~62HRC。（3丿Cr4W2MoV鋼也是高耐磨微變形高碳中鉻鋼，替代Cr12型鋼而研制的鋼種，碳化物均勻性好，耐磨性高于Cr12MoV，適于制作形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的沖壓模具，可用于硅鋼片沖裁模。Cr4W2MoV鋼的熱處理工藝：要求強(qiáng)度、韌性較高時，采用低溫淬火、低溫回火工藝：淬火溫度960~980°C,回火溫度280~320°C,硬度60~62HRC。要求熱硬性和耐磨性較高時，采用高溫淬火、高溫回火工藝：淬火溫度1020~1040°C,回火溫度500~540°C，硬度60~62HRC。（4）7CrSiMnMoV（代號CH-1）鋼為空淬微變形低合金鋼、火焰淬火鋼，可以利用火焰進(jìn)行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火溫度（800~1000°C）,具有良好的淬透性和淬硬性（可達(dá)60HRC以上），強(qiáng)度和韌性較高，崩刃后能補(bǔ)焊?？纱鍯rWMn、Cr12MoV鋼，制作形狀復(fù)雜的沖裁模。CH-1鋼的推薦熱處理工藝，淬火溫度900~920°C,油冷,190~200°C回火1~3小時，硬度58~62HRC。（5丿6CrNiSiMnMoV（代號GD）鋼為高韌性低合金鋼，淬透性好，空淬變形小，耐磨性較高。其強(qiáng)韌性顯著高于CrWMn和Cr12MoV鋼，不易崩刃或斷裂。尤其適用于細(xì)長、薄片狀凸模及大型、形狀復(fù)雜、薄壁凸凹模。GD鋼的推薦熱處理工藝，淬火溫度870~930C（900°C最佳），鹽浴爐加熱（45s/mm）,油冷或空冷、風(fēng)冷,175~230°C回火2小時，硬度58~62HRC。由于空冷即可淬硬，也可采用火焰加熱淬火。(6丿9Cr6W3Mo2V2(代號GM)鋼為高耐磨高強(qiáng)韌合金鋼，各項工藝性能良好，其耐磨性、強(qiáng)韌性、加工性能均優(yōu)于Cr12型鋼，能夠用于高速壓力機(jī)沖壓下的多工位級進(jìn)模等精密模具，是較理想的耐磨、精密沖壓模具用鋼。GM鋼的熱處理工藝：淬火溫度1080~1120°C,硬度64~66HRC?；鼗饻囟?40~560°C,回火二次。(7丿Cr8MoWV3Si(代號ER5)鋼屬高耐磨高強(qiáng)韌合金鋼，具有較好的電火花加工性能，強(qiáng)度、韌性、耐磨性都優(yōu)于Cr12型鋼，適用于大型精密沖壓模具。用于硅鋼片沖裁模，一次刃磨壽命為21萬次，總壽命高達(dá)360萬次，是目前合金鋼沖模沖裁硅鋼片的較高壽命水平。ER5鋼的推薦熱處理工藝：對高耐磨性、高強(qiáng)韌性的模具，采用1150C淬火，520~530C回火3次；對重載服役條件下的模具，采用1120~1130°C淬火,550°C回火3次。3，硬質(zhì)合金及鋼結(jié)硬質(zhì)合金當(dāng)工件的批量極大時，可以考慮選用硬度和耐磨性比各類模具鋼種更高的硬質(zhì)合金或鋼結(jié)硬質(zhì)合金。用作模具材料的硬質(zhì)合金為鎢鈷類，隨著含鈷量的增加，韌性及抗彎強(qiáng)度提高而硬度降低。對于承受沖擊力較小的模具，可以選用含鈷量較低的YG10X;承受沖擊力中等或較大的模具，可以選用含鈷量較高的YG15或YG20。硬質(zhì)合金的缺點為韌性較差、難以加工，作為模具的沖壓模具材料的要求及選用工作部件可以設(shè)計為鑲拼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)硬質(zhì)合金的性能介于硬質(zhì)合金和高速鋼之間，能夠機(jī)械加工和熱處理，可以用于制作復(fù)雜的高壽命模具。用作沖裁模的鋼結(jié)硬質(zhì)合金有DT、GT35、TLMW50、GW50等。厚板沖裁模具厚板沖裁模承受的沖壓力高于薄板沖模，為重載沖裁模，易磨損、崩刃和斷裂，所以要求模具材料應(yīng)具有高的耐磨性和強(qiáng)韌性。傳統(tǒng)模具用鋼傳統(tǒng)的重載沖裁模具鋼種主要有T8A、Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。其中T8A為碳素工具鋼，雖然淬透性、韌性比T10A鋼有所改善，但易殘存網(wǎng)狀碳化物、熱硬性差，只能用于工件批量較小的中厚沖裁模。T8A工具鋼的熱處理工藝為：790~820°C水或油淬，160~180°C回火,硬度58~61HRC。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2為高速工具鋼，具有很高的硬度、抗壓強(qiáng)度和耐磨性，但韌性較低，工作時有可能產(chǎn)生崩刃或斷裂，而且價格較貴。建議采用低溫淬火、快速加溫淬火等工藝措施來改善其韌性。對于工件批量較大的厚板沖裁模，可以用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2鋼做凸模,Cr12MoV鋼做凹模。W18Cr4V鋼的推薦熱處理工藝：1220~1250°C淬火;550~570°C回火3次。W6Mo5Cr4V2鋼的推薦熱處理工藝：1160~1200°C淬火:550~570°C回火3次。常用模具新鋼種為了克服高速工具鋼的缺點，提高使用壽命，重載沖裁模具可選用降碳降釩高速鋼6W6Mo5Cr4V(6W6)和以高速鋼成分為基礎(chǔ)，添加少量的其它元素構(gòu)成的高強(qiáng)韌性模具鋼一基體鋼，如65Nb鋼、LD鋼、012AL鋼、CG-2鋼等等。(1)6W6Mo5Cr4V(6W6)鋼為高強(qiáng)韌性高速鋼，由于降低了碳化物的含量和分布均勻性，使其在保持硬度和耐磨性的同時，抗彎強(qiáng)度、沖擊韌性和塑性都有顯著提高，雖然耐磨性略低，仍可用低溫氮碳共滲提高表面硬度和耐磨性。其熱處理工藝和高速鋼W6Mo5Cr4V2相似。(2)6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)鋼65Nb鋼取自W6Mo5CrV2鋼正常淬火后的基本成分，碳含量比高速鋼低，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的中限為0.65%,故名65Nb。各合金元素在鋼中的作用和在高速鋼中相似，另加入3%的Nb可形成高穩(wěn)定性的碳化物NbC,能有效阻止奧氏體晶粒長大，改善鋼的力學(xué)性能和工藝性能。這種鋼具有較好的耐磨性和較強(qiáng)的高溫韌性，可以代替Cr12MoV、W18Cr4V鋼，用于重載沖裁模和冷擠壓模、冷鐓模。65Nb鋼鍛造和退火工藝性能良好，熱處理溫度范圍寬，淬火溫度可以在1080~1180°C,回火溫度在520~600°C之間選擇。當(dāng)采用比W6Mo5CrV2鋼正常淬火溫度低的溫度淬火后，其組織為在碳含量較低的馬氏體基體上均勻分布有細(xì)粒狀未溶碳化物。通過熱處理參數(shù)的調(diào)整，可以得到不同的強(qiáng)度、韌性、耐磨性配合，以適合不同模具的性能要求。65Nb鋼的熱處理工藝：1080~1180°C鹽浴爐加熱(15~20s/mm)油淬，520~560°C回火2次,硬度57~63HRC。(3)7Cr7Mo2V2Si(LD)鋼LD鋼含碳、含鈷量高于65Nb,含釩量也較高。釩可細(xì)化晶粒，提高耐磨性。因此其抗壓、抗彎強(qiáng)度和耐磨性均高于65Nb由于具有良好的強(qiáng)韌性和耐磨性，因而適于制造各種重載模具。LD鋼的推薦熱處理工藝：850°C預(yù)熱,1100~1150°C淬火；油冷后530~570°C回火2~3次，每次1~2小時，硬度57~63HRC。（4丿5Cr4Mo3SiMnVAL（012AL）鋼012AL鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3~0.7%的鋁，目的是為了細(xì)化晶粒，提高鋼的沖擊韌性和熱加工塑性，加Si則為了強(qiáng)化基體。012AL鋼強(qiáng)韌性高，綜合性能好，通用性強(qiáng)，是冷、熱兼用型模具鋼。其抗彎強(qiáng)度及撓度高于W18Cr4V高速鋼，代替高速鋼作模具時很少發(fā)生折斷現(xiàn)象。可以用作中厚板料沖裁模具和各類冷、熱作模具。012AL鋼的推薦熱處理工藝：1090T120°C鹽浴爐加熱（30s/mm）油淬，510°C回火2次,每次油冷2小時,硬度60~62HRC。（5丿6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2）鋼CG-2鋼在成分中加Ni，強(qiáng)化了基體，改善了韌性和高溫性能。同時增加M減少W，以降低碳化物的偏析。CG-2鋼具有高的強(qiáng)度和強(qiáng)韌性，在熱處理到高硬度時仍能維持良好的韌性，較好地解決了高硬度與韌性的合理配合。但鍛造塑性較差，退火后硬度偏高。亦可用作中厚板料沖裁模具和各類冷、熱作模具。CG-2鋼的熱處理工藝：淬火溫度1100T140°C加熱（20s/mm）,油冷,540°C回火2次，每次2小時，空冷，硬度60~62HRC。二.拉深模具材料的選用及熱處理要求表11.2.1各種板料適用的拉深模材料由于拉深模具的失效主要為粘附磨損和磨粒磨損，并以粘附磨損為主。因此選用的模具材料必須具有較高的耐磨性和抗粘附性能，以及足夠的強(qiáng)度。按被拉深材料考慮適用的拉深模材料可以參考表11-1。選用時還應(yīng)考慮被拉深材料的板料厚度、拉