第6章 冷作模具材料 6．1 冷作模具的工作条件与性能要求 6．1．1 冷作模具的工作条件 6．1．2 冷作模具的性能要求

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1 第6章 冷作模具材料 6．1 冷作模具的工作条件与性能要求 6．1．1 冷作模具的工作条件 6．1．2 冷作模具的性能要求
第6章 冷作模具材料 6．1 冷作模具的工作条件与性能要求 6．1．1 冷作模具的工作条件 6．1．2 冷作模具的性能要求 6．1．3 典型冷作模具材料的性能分析 6．2 冷作模具材料的选用 6．3 冷作模具的制造工艺路线 6．4 冷作模具的热处理 6．4．1 冷作模具钢的热处理特点 6．4．2 典型冷作模具的热处理 6．5 冷作模具热处理实例 6．5．1 硅钢片冷冲裁模具 6．5．2 不锈钢表壳冷挤压模具 目录

2 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。
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。

3 6.1 冷作模具材料的工作条件与性能要求 6.1.1 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
6.1.2 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

4 6.1.3 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。
如图6-1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。 图6-1 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)

5 提高淬火温度，淬火马氏体变粗，钢的强韧性下降，如图6-2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6-3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。 图6-2 T10钢的淬火温度对强韧性的影响 图6-3 T10钢的淬火温度对淬透性的影响

6 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6-1所示。
碳素工具钢的力学性能与回火温度的关系，如图6-4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。 图6-4 T12钢的力学性能与回火温度的关系 (淬火温度:780℃)

7 (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。

8 CrWMn钢的临界点:Ac1≈750℃，Accm≈940℃，Ar1≈710℃，Ms≈255℃ 。 (2)力学性能
(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6-5～图6-7所示。 图6-5 CrWMn钢力学性能与淬火温度的关系 图6-6 CrWMn钢硬度与淬火温度的关系 图6-7 CrWMn钢硬度与回火温度的关系

9 (3)工艺性能 ①锻造工艺 CrWMn钢具有良好的锻造性能，其锻造工艺见表6-6。 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。

10 (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
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6-8 淬火温度对Cr12MoV钢的 图6-9 淬火温度对Cr12MoV钢的 硬度、晶粒度和残余奥氏体的影响 抗弯强度、冲击韧度的影响

11 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6-10 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。 图 回火温度对Cr12MoV钢硬度的影响

12 (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。

13 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。

14 6.2 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。

15 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。

16 6.3 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。  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。

17 6.4 冷作模具材料的热处理 6.4.1 冷作模具材料的热处理特点
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。

18 6.4.2 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:

19 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。

20 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 ④典型拉深模的热处理工艺如表6-20所示。

21 3.冷挤压模的热处理 (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 典型冷挤压模热处理工艺如表6-21所示。

22 4.冷镦模的热处理 (1)冷镦模模具的性能要求 冷镦压是指金属坯料在室温下受冲击压力后高度方向尺寸减少，而垂直于压力方向的横截面积尺寸增加的成型方法。 要求冷镦模具有高硬度、高强度、高耐磨和足够的韧性。为保证冷镦模具有较好的强度和韧性，冷镦凹模的表层应有1.5 mm以上的硬化层，硬度为58～62HRC，而心部只需硬度较低、韧性较好的索氏体组织，不能将整个截面都淬硬。 (2)冷镦模模具的热处理特点 为了能满足冷镦模的性能要求，冷镦模的热处理有如下特点: ①采用喷水淬火方法 ②回火要充分 ③采用快速加热工艺以减少冷镦模的淬火变形 ④采用表面处理

23 6.5 冷作模具材料热处理实例 硅钢片冷冲裁模具 用Cr12MoV钢制作的硅钢片冷冲裁模具，其设计硬度为58～62HRC，正常的使用寿命为每模20万件以上。 1.制造工艺路线 2.具体分析 （1）材料选择:Cr12MoV钢 （2）锻造工艺:多向反复镦粗→拔长→镦粗 （3）热处理工艺 Cr12MoV钢导热性较差，因而在淬火加热时需要根据模具的尺寸与复杂程度进行两次以上的预热，以减少模具内外的温差，降低材料内应力，有效改善碳化物的分布形态，为淬火时组织和性能的最佳配合创造先决条件，有效提高模具使用寿命。适当提高回火温度，可保证模具在硬度降低不多的情况下获得较好的韧性，减小模具的内应力，均匀热处理后的显微组织，获得所需的力学性能。 6.5.2 不 锈钢表壳冷挤压模具 不锈钢表壳形状较复杂，其材料为0Cr18Ni9钢。 7Cr7Mo2V2Si钢制造的表壳冷挤压凸模

24 思考题 6-1 简述冷作模具的工作条件与性能要求。 6-2 冷作模具钢应具备哪些特性? 6-3 冷作模具是如何选材的?
6-1 简述冷作模具的工作条件与性能要求。 6-2 冷作模具钢应具备哪些特性? 6-3 冷作模具是如何选材的? 6-4 什么是基体钢?有哪些典型钢种?与高速钢相比，其成分、性能特点有什么不同?应用场合如何? 6-5 从工艺性能和承载能力角度判断下列钢号属于哪种冷作模具钢 W6Mo5Cr4V2，Cr4W2MoV，Cr12Mo1V1，5CrW2Si， 6CrNiMnSiMoV，7CrSiMnMoV，7Cr7Mo2V2Si，9Cr18， 9Cr6W3Mo2V2，GCr15。 6-6 冲裁模的热处理基本要求有哪些?其热处理工艺有哪些特点? 6-7 拉深模的基本性能要求有哪些?如何预防拉深模的拉毛和粘附? 6-8 试述冷作模具的热处理特点。 目录