冷作模具鋼的性能及分類

冷作模具鋼的性能及分類

1工藝沖頭工藝作為主要的成像工具，建模已成為重要的加工設(shè)備。家用電器約80%的零部件、機(jī)電行業(yè)約70%的零部件均采用模具成形。模具材料的性能、質(zhì)量和品種問題往往會(huì)影響模具質(zhì)量、壽命及成本。隨著冷作制品向高精度、高效率、多品種發(fā)展,要求冷作模具鋼具有耐磨性和較高的韌性等[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。我國傳統(tǒng)的冷作模具鋼品種少,質(zhì)量差。如CrWMn含碳量較高,容易產(chǎn)生嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物,導(dǎo)致模具在使用中的崩刃和開裂,影響使用性能;高碳高鉻工具鋼Cr12、Cr12MoV有高的耐磨性,但其碳化物偏析較嚴(yán)重,導(dǎo)致變形的方向性和強(qiáng)韌性的降低。D2(Cr12Mo1V1)鋼和Cr12MoV鋼相比,D2鋼的碳化物偏析較之Cr12MoV略有改善,強(qiáng)度與韌性稍有提高,D2鋼制作的模具,其使用壽命也有不同程度的提高。為了提高鋁管沖頭的使用壽命,用新型冷作模具鋼7Cr7Mo2V2Si代替原Cr12MoV鋼,并采用優(yōu)化的淬火、回火工藝處理使沖頭壽命提高至原來的4倍,再經(jīng)表面強(qiáng)化處理,沖頭壽命進(jìn)一步提高至原來的8倍。可見,合理選擇及應(yīng)用優(yōu)質(zhì)、新型模具材料,可以提高模具使用壽命。本文總結(jié)了各種冷作模具鋼的性能及其應(yīng)用范圍,以便指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。2冷作模具的特性冷作模具是在常溫下完成對(duì)金屬或金屬材料進(jìn)行塑性變形的模具,如彎曲、拉拔、沖裁、擠壓、冷鐓、滾絲和搓絲等。冷作模具在工作中受到拉伸、壓縮、沖擊、疲勞、摩擦等機(jī)械力的作用,其失效形式是磨損、脆斷、塑性變形、咬合等。因此,冷作模具鋼應(yīng)具有的性能要求如下[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。(1)良好的耐磨性:冷作模具工作時(shí),模具與坯料之間產(chǎn)生很大的摩擦,為防止在模具表面劃出一些微觀凹凸不平的痕跡,而對(duì)模具表面造成破壞,應(yīng)使模具表面具有良好的耐磨性。在下貝氏體或回火馬氏體的基體上分布有細(xì)小的、彌散分布的細(xì)顆粒狀碳化物的組織,具有良好的耐磨性。(2)足夠的強(qiáng)度和韌性:為了防止由于沖擊重載荷、偏心彎曲載荷、應(yīng)力集中等引起模具的破裂和折斷,要求模具具有一定的強(qiáng)度和韌性。(3)良好的抗疲勞性:冷作模具一般是承受交變載荷作用的,所以所發(fā)生的破壞多為疲勞破壞。模具材料抵抗疲勞破壞的能力與其化學(xué)成分、組織狀態(tài)、碳化物形態(tài)及分布、表面粗糙度等有關(guān)。(4)抗咬合粘結(jié)能力:抗咬合能力就是對(duì)可能發(fā)生冷焊的抵抗能力。模具工作時(shí)模具表面與坯料直接接觸時(shí)應(yīng)力高,摩擦力大,坯料可能被模具冷焊在模具型腔表面而形成金屬瘤,而在后續(xù)的坯料成形中在工作表面產(chǎn)生劃痕。3可擴(kuò)張型碳化物模具設(shè)計(jì)常用的冷作模具鋼有以下幾種[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,16,17,18,19,20]:(1)低淬透性冷作模具鋼,如碳素工具鋼T7A、T8A、T10A、T12A及滾動(dòng)軸承鋼如GCr15等。碳素工具鋼易于鍛造成形,切削加工性能比較好,但淬透性差,常規(guī)淬火的淬硬層只有1.5～5mm,淬火變形開裂傾向大,回火穩(wěn)定性差,耐磨性和熱強(qiáng)性都較低(適用于250℃以下溫度),因而只適合于制作形狀簡(jiǎn)單、要求不高的小型冷作模具。GCr15是軸承專用鋼,主要用于制造各種滾動(dòng)軸承零件。GCr15的鍛造性能較好,鍛造溫度范圍寬,網(wǎng)狀碳化物傾向小,鍛后組織為細(xì)晶片狀珠光體,允許有細(xì)小網(wǎng)狀碳化物,其組織可不經(jīng)正火即進(jìn)行球化退火。由于其具有優(yōu)良的性能,廣泛地用在落料模具,冷擠壓模具和成形模具等冷作模具中。但GCr15鋼錠容易出現(xiàn)縮松,縮孔,夾渣,鍛造時(shí)難于焊合;淬火開裂,低溫回火不能全部消除淬火應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋等。(2)低變形冷作模具鋼,如CrWMn、9SiCr、9Mn2V等,是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素如Cr,Mn,Si,W,V等發(fā)展而成的。CrWMn淬透性比GCr15好,常用于形狀復(fù)雜、耐磨性好的高精度沖模。因?yàn)殒u的碳化物比較穩(wěn)定,淬火加熱時(shí)不溶解,奧氏體晶粒較細(xì),又由于錳的存在,使淬火后有較多的殘留奧氏體,因此淬火變形小。9SiCr鋼具有碳化物分布均勻,淬透性、淬硬性較好,回火時(shí)硬度變化平穩(wěn),承載能力好,適合于等溫淬火等特點(diǎn),用于機(jī)械載荷較重的冷作模具,如滾絲模具,厚鋼板沖剪工具等,也可作為冷鐓模具材料。9Mn2V鋼不含鉻,錳可提高鋼的淬透性,釩可以抑制晶粒長(zhǎng)大。其碳化物比CrWMn鋼要少,但顆粒度比較大,因此耐磨性不及CrWMn,但仍比T10鋼的耐磨性要高出6～7倍。主要用于沖壓模具,冷擠壓模具。(3)高耐磨、微變形冷作模具鋼,該模具鋼適用于形狀復(fù)雜的重載冷作模具。典型的鋼種主要有Cr12、Cr12MoV等。Cr12MoV是萊氏體鋼,鋼中的鉻大部分都是集中在M7C3(M表示金屬)型共晶碳化物中,其硬度在1800～2800HV之間,既能阻止晶粒長(zhǎng)大,也是其耐磨性特別高的原因。在服役過程中,由于摩擦而升溫,在工模具表面形成Cr2O3薄膜,既能提高工模具表面的抗氧化抗腐蝕性能,同時(shí)還能降低表面的摩擦系數(shù),起到潤滑的作用。由于其熱處理變形小、耐磨性高、承載能力大,廣泛應(yīng)用于制造截面尺寸大、形狀復(fù)雜、承受較大載荷的各種冷作模具,如冷沖模具、擠壓模具、復(fù)雜模具上的鑲塊、拉絲模具、滾絲模具等。(4)高速鋼,典型的鋼種有:W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2,W12Mo3Cr4V3N等。高速鋼是紅硬性、耐磨性較高的高合金工具鋼,適用于承受巨大的外力作用和工作條件十分嚴(yán)峻的場(chǎng)合。4新冷卻工藝的鋼4.1材料的性能要求低合金冷作模具鋼主要特點(diǎn)是工藝性好,淬火溫度低,熱處理變形小,強(qiáng)韌性好,并具有適當(dāng)?shù)哪湍バ?。GD(6CrMnNiMoVSi)鋼是一種低合金工具鋼,也是典型的高強(qiáng)高韌性冷作模具鋼,用于制作易崩刃、斷裂的冷沖模具,有較高的使用壽命。其化學(xué)成分見表1。GD鋼是在CrWMn鋼的基礎(chǔ)上,適當(dāng)?shù)亟档吞己?以減少碳化物偏析,同時(shí)增加鎳、硅、錳,以增加基體的強(qiáng)度和韌性,少量鉬和釩可以細(xì)化晶粒,提高淬透性和耐磨性,并增加回火穩(wěn)定性,鉻的作用主要是提高淬透性。GD鋼基體具有較多的板條狀馬氏體,碳化物較少,且細(xì)小而均勻,可以取代CrWMn鋼和部分取代Cr12MoV鋼制造冷作模具,模具使用過程中很少崩韌和斷裂。力學(xué)性能見表2、表3。表2列出了GD鋼在不同的淬火回火溫度下獲得的硬度。由于Si,Cr的共同作用,使其具有較高的回火穩(wěn)定性,可滿足冷作模具的要求。由表3可知,GD鋼的強(qiáng)韌性明顯高于對(duì)比鋼,GD鋼采用等溫淬火工藝,在馬氏體基體上分布適量下貝氏體,具有明顯的韌化效果,是進(jìn)一步發(fā)揮材料潛能的有效途徑。實(shí)際使用情況見表4。由此可以看出,采用GD鋼制模具壽命明顯高于CrWMn鋼及Cr12MoV鋼。4.2熱處理工藝、組織和性能基體鋼一般指其成分與高速鋼淬火組織中基體化學(xué)成分相同的鋼。如65Nb鋼(65Cr4W3Mo2VNb)、CG-2鋼(6Cr4Mo3Ni2WV)等。基體鋼既具有高速鋼的強(qiáng)度,紅硬性,耐磨性,又具有低合金鋼的韌性和塑性,已較廣泛地用于制作冷擠壓、厚板冷沖、冷鐓等模具,特別適于難變形材料用的大型復(fù)雜模具,還可用做黑色金屬的溫?zé)釘D壓模具。(1)65Nb鋼是以W6Mo5Cr4V2高速鋼為母體,在其淬火基體成分基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加含碳量,并用少量的鈮進(jìn)行合金化改型而成,其化學(xué)成分見表1。含碳量稍高于基體的含碳量,以便增加一次碳化物量和提高耐磨性,還加入少量的強(qiáng)碳化物形成元素鈮,以便形成比較穩(wěn)定的碳化物,阻止淬火加熱時(shí)晶粒的長(zhǎng)大并改善鋼的工藝性能。65Nb鋼是一種高強(qiáng)韌冷作模具鋼,可以用來制作復(fù)雜、大型或難變形金屬的冷擠壓模具和受沖擊負(fù)荷較大的冷鐓模具以及冷沖模具、冷剪模具等。熱處理工藝、組織和性能見表5。可見,在1080～1160℃加熱淬火,仍能保持細(xì)晶粒,硬度也較高;在1160℃加熱淬火時(shí)硬度最高,達(dá)到66.3HRC;在1180℃加熱淬火時(shí),晶粒開始長(zhǎng)大。因此,最適宜的淬火加熱溫度推薦采用1080～1160℃。在1120℃淬火,500和540℃回火時(shí)的力學(xué)性能見表6。(2)CG-2鋼是一種冷熱兼用的基體鋼,是一種國外基體鋼的改型鋼,其化學(xué)成分見表1。與高速鋼W6Mo5Cr4V2對(duì)比,其性能如下表7。對(duì)于承受較大擠壓力的冷擠壓模具,選擇屈服強(qiáng)度高的W6Mo5Cr4V2高速鋼制作,使用壽命較高,對(duì)承受壓力較小、形狀復(fù)雜和要求較高韌性的冷鐓模具,則選用CG-2鋼。4.3材料的性能對(duì)比典型的高韌性高耐磨性冷作模具鋼有LD鋼(7Cr7Mo2V2Si)和GM鋼(9Cr6W3Mo2V2)等[2,3,26,27,28,29,30]。(1)LD鋼既有高速鋼的強(qiáng)度,又有一定韌性,耐磨損,工藝性能優(yōu)良,變形小。其化學(xué)成分見表1。LD鋼的碳和鉻含量比Cr12MoV鋼的低得多,適當(dāng)降低鉻含量以改善碳化物的偏析,增加Mo、V的含量,以增加二次硬化能力和高耐磨性,其碳化物不均勻性顯著低于Cr12MoV鋼,保證了強(qiáng)度和耐磨性,并以硅增強(qiáng)鐵素體基體,因此LD鋼有高的強(qiáng)韌性。其力學(xué)性能見表8。采用不同模具鋼制作的冷剪切模具壽命對(duì)比見表9,可見采用LD鋼的壽命比Cr12MoV鋼的壽命提高8～10倍。(2)GM鋼是一種精密、耐磨,高韌性、高壽命的冷作模具的新鋼種。是萊氏體鋼,其韌性和耐磨性均高于Cr12鋼系列的高碳高鉻模具鋼。其化學(xué)成分見表1。GM鋼與其它幾種高強(qiáng)冷作模具鋼的性能對(duì)比見表10。可見,GM鋼的抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Cr12MoV鋼,硬度高且具有一定的韌性。GM鋼比Cr12MoV鋼的承載能力高得多,完全可以代替Cr12MoV鋼制作大型模具,GM鋼還有較為優(yōu)異的耐磨性能,在沖擊磨損情況下,其失重少于Cr12MoV鋼,在粘著磨損和磨粒磨損方面,也優(yōu)于基體鋼和高鉻鋼,比較接近高速鋼。5模具的選用、選用材料的化學(xué)成分直接影響材料的組織和性能,進(jìn)而影響模具的使用壽命。在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)情況合理選用。(1)CrWMn淬透性比GCr15好,常用于形狀復(fù)雜、耐磨性好的高精度沖模。但CrWMn鋼鍛后需較嚴(yán)格地控制冷速,并采用適當(dāng)?shù)臒崽幚?防止模具在使用中的崩刃和開裂。(2)Cr12MoV鋼等有高的耐磨性,但其碳化物偏析較嚴(yán)重,導(dǎo)致變形的方向性和強(qiáng)韌性的降低。相比Cr12MoV鋼,D2鋼制作的模具使用壽命有不同程度的提高。(3)W6Mo5Cr4V2和W18Cr4V具有高的耐磨性和強(qiáng)度,常用于制作承受較大擠壓力的冷擠壓模具,但其韌性不能滿足復(fù)雜大型和受沖