冷作模具钢的选材与热处理
冷作模具钢的选材与热处理
冷作模具概述
冷作模具是在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具，它种类繁多、结构复杂，模具在使用中受到压缩、拉伸、弯曲、冲击、摩擦等机械力的作用。冷作模具正常失效形式主要有磨损、脆断、折弯、咬合、塌陷、啃伤、软化等，因此要求冷作模具用钢在相变热处理后，具有高的变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳、抗咬合等能力，以保证模具具有一定的耐用度。
▇ 冷作模具的性能要求
根据冷作模具的工作条件及失效形式，冷作模具钢应具有如下基本性能：
۞ 高硬度和高耐磨性，工作时保持锋利的刃口
۞ 较高的强度和韧性及～定的热硬性，工作时刃部不易崩裂或塌陷。
۞ 较好的淬透性，保证淬火态有较高的硬度和一定的淬透深度。
۞ 较好的加工工艺性和成形性，较好的淬火安全性，热处理变形小，在复杂断面上不易淬裂。
★ 模具的耐磨性
冷作模具在工作时，表面与坯料之间产生许多次摩擦，模具必须在这种情况下仍能保持较低的表面粗糙值和较高的的尺寸精度，以防早期失效。为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%，材料的组织为回火马氏体或下贝氏体，其上分布均匀、细小的粒状碳化物。因此钢中的碳的质量分数一般都在0.6%以上。
★ 模具的韧性
模具材料的韧性，要根据模具工作条件来决定，对于受强烈冲击载荷的模具，如冷作模具的冲裁模、冷镦模具等，困受冲击载荷较大，需要高的韧性;对于一般工作条件下的冷作模具的失效形式是疲劳断裂，因此模具不必具有过高的冲击韧度值。
★ 模具的强度
模具的强度即模具零件在工作过程中抵抗变形和断裂的能力。强度指标是冷作模具设计和材料选择的重要依据，主要包括：拉伸屈服点、压缩屈服点等。屈服是衡量模具零件塑性变形抗力的指标，也是最常用的强度指标。为了获得高的强度，模具制造过程中，要选择合适的模具材料，并通过适当的热处理工艺来达到其要求。
★ 模具的抗疲劳性能
冷作模具通常是在交变载荷的作用下发生疲劳破坏的，因此为了提高模具的使用寿命，需要有较高的抗疲劳性能。导致模具疲劳的因素有：钢中带状和网状碳化物、粗大晶粒;模具表面有微小刀痕、凹槽及截面尺寸变化过大和表面脱碳等。
★ 模具的抗咬合性
当冲压R材料与模具表面接触时，在高压摩擦下润滑油膜被破坏，此时被冲压金属冷焊在模具型腔表面形成金属瘤，从而在工件表面划出痕迹。咬合抗力就是对发生冷焊的抵抗力。
▇ 模具的工艺性能要求
★ 可锻性
锻造不仅减少了模具材料的机械加工余量，节约钢材，而且改善模具材料的内部缺陷，如碳化物偏析、减少有害物质、改善钢的组织状态等。为了获得良好的锻造质量，对可锻造的要求是：热锻变形抗力低、韧性好、锻造温度范围宽，锻裂、冷裂及网状碳化物的倾向性小。
★可加工性
对可加工性的要求是：切削力小，切削量大，刃磨损小以及加工后模具表面光洁。冷作模具钢主要属于过共析钢和莱氏体钢，大多数切削加工比较困难，为了获得良好的切削加工性，需要进行热处理，对于表面质量要求高的模具可选用含硫，钙等元素的易切削模具钢。
★ 可磨削性
为了保证模具具有较好的表面粗糙度和尺寸精度，大部分模具都必须经过磨削加工。对可磨削性的要求是：对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤和磨裂，如加强模具钢的磨削性，可以通过在炼钢过程中加变剂、如硅、钙、稀土元素等。
★ 热处理工艺性
热处理工艺性能主要包括：淬透性，淬硬性，耐回火性，过热敏感性化脱碳倾向，淬火变形和开裂倾向等。
★ 淬透性和淬硬性
淬透性主要取决于钢的化学成分、合金元素含量和淬火前的组织状态。淬透性好的模具钢淬火时采用较温和的冷却介质，就可以获得较深的硬化层。对于形状复杂的小型模具，采用淬透性的模具钢制造以减少模具的变形和开裂;对于大截面，深型腔模具，选用高淬透性钢制造，淬火后心部也台匕得到良好的组织和硬度。淬硬性主要取决于钢的含碳量，所以对要求耐磨性高的冷作模具，一般选用高碳合金钢制造。
★ 耐回火性
耐回火性是在回火过程中随着温度的升高，钢材硬度下降的能力。回火温度相同，硬度下降少的钢耐回火性好。耐回火性越高，钢的热硬性越高，在相同的硬度下，其韧性也较好。—般对于受到强烈挤压和摩擦的冷作模具，也要求模具材料具有较好的耐回火性。
★ 过热敏感性
模具在加热过程中，过热现象会得到粗大的马氏体，降低模具的韧性，增加模具早断裂的危险，所以冷作模具钢有过热倾向要求。
★ 氧化脱碳倾向
模具在加热过程中如果发生现氧化脱碳现象，就会改变模具的形状和性能，严重降低模具的硬度、耐磨性和使用寿命，使模具早期失效，所以要求冷作模具的氧化脱碳倾向小。对于容易发生氧化脱碳的含钼量较高的模具钢。宜采用真空热处理、可控温热处理、盐浴热处理等，以避免模具钢氧化脱碳。
★ 淬火变形和开裂倾向
模具钢淬火变形、开裂倾向与材料成分及原始组织状态，工件几何形状，热理工艺方法及参数等都有很大关系，模具设计选材时必须加以考虑。特别是—些形状复杂的精密模具，淬火后难以修整，这就要求材料淬火、回火后的变形程度小，—般应选择微变形钢。
▇ 冷作模具材料的选用
合理地选用模具材料并进行精确的成形加工和适当的热处理，能够有效的提高模具使用寿命。例如，对于形状简单，不易变形，截面不大，承受载荷较轻的冷作模具，常选用碳素工具钢有，T9，T10，T11等和高碳低合金钢9Mn2V，CrWMn，Cr2等制造;对于形状复杂，容易变形，截面较大，承受载荷较大的冷作模具，宜选用高耐磨模具钢Crl2模具钢、Crl2MoV模具钢、Cr4W2V模具钢、Cr2Mn2SiWMoV模具钢、SKD11模具钢、D2模具钢等制造;对于承受大冲击载荷的冷作模具，常选用冲击韧性较高的模具钢，如DC53模具钢、4Cr4MoSiVA模具钢、Cr5MoSiVlS模具钢、CrNiMo模具钢、4CrMnSiMoV模具钢、7CrSiMnMoV模具钢等制造。要求使用寿命较长的硅钢片冷冲模，无论承受轻载荷或重载荷，一般都选用Crl2模具钢、Crl2MoV模具钢、Cr2Mn2SiWMoV模具钢、钢制造。在选用模具材料时，往往需要考虑生产批量。生产批量小或中等的，常选用碳素工具钢或高碳低合金模具钢;而生产批量大，则选用高耐磨模具钢。
鉴于冲头与凹模的工作条件和使用性能要求存在着差别，所选用的钢材也有所不同。例如冷挤压钢件和硬铝件时，凹模常选用Crl2模具钢、Crl2MoV模具钢;为了延长冲头的使用寿命，则可选用高速工具钢W18Cr4V模具钢、W6MoSCr4V2模具钢、W12M03Cr4V3N模具钢，如果冲头同样选用Crl2模具钢、Crl2MoV模具钢则使用寿命低，一般仅为凹模的一半或更低。
▇ 结束语
模具材料的选择要考虑优点和制约的平衡，需要和可能的平衡，结果产生有各种不同的结果。在现实生产中，根据模具的工作条件和失效形式来考虑材料使用性能，根据工厂的设备来考虑材料的工艺性能，根据市场的需求和反映，并综合考虑材料的价格等非技术方面因素。
合理选取模具材料及实施正确的热处理工艺是保证模具寿命的关键。影响冷作模具的使用寿命是一个综合的因素;原材料选择的合理性、原材料内部的冶金质量、设计和制造工艺的合理性、使用条件和操作工人的技术水平等。但其中模具材料的选用和相应的热处理工艺是重要因素。据调查，在所有的模具失效因素中，模具的材料和热处理约占70%的比例，成为影响模具寿命的主要因素。因此在模具的整个设计制造过程中，模具材料的选用和热处理工艺是否适当显得尤为重要。
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