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书名：模具材料及表面处理 ISBN： 978-7-111-07622-3 作者：吴兆祥 出版社：机械工业出版社 本书配有电子课件,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,第二章 冷作模具材料,第一节 冷作模具对材料性能的要求,一、使用性能要求,冷作模具的受载形式,拉伸、弯曲、压缩 冲击、疲劳、摩擦,冷作模具的失效形式,磨损、开裂 断裂、变形、咬合、,使用性能的基本要求：,良好的耐磨性,模具硬度应高于工件的30%50% 模具组织应为M回或B下加细小碳化物,高强度 S、压应满足模具受载要求,足够的韧性（受冲击载荷大、易受偏心弯曲的模具）,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,良好的抗疲劳性：-1应满足模具的要求 良好的抗咬合性能：取决于润滑条件和成形材料的性质,二、工艺性能要求,锻造性,热锻变形抗力低、塑性好 锻造温度范围宽 锻裂、冷裂及碳化物析出倾向小,切削加工性,切削力小、切削用量大 刀具磨损小、加工表面光洁,磨削加工性,对砂轮质量及冷却条件不敏感 不易发生磨伤与磨裂,热处理工艺性,淬透性 ：获得淬硬层深度 回火稳定性：模具钢受热软化的能力 脱碳倾向、过热敏感性 淬火变形开裂倾向,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,三、冷作模具材料的成分特点,1、钢的含量,对高耐磨的冷作模具：0.7%2.3%C,对高强韧性冷作模具：0.5%0.7%C,2、合金化特点,加入强碳化物形成元素和增加淬透性的元素,主要合金元素的作用：,锰,淬透性 减小变形 有回火脆,硅,淬透性 回火稳定性 屈服强度 过热脱碳倾向大,铬,淬透性 抗氧化性 耐磨性 有回火脆性,镍,强度和韧性 淬透性 耐蚀性 有回火脆,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,钼、钨、钒：属强碳化物形成元素，具有二次硬化效果，对提高钢的回火稳定性、耐磨性、耐热性都具有显著作用。,第二节 冷作模具材料及热处理规范,冷作模具钢综合分类：, 低淬透性冷作模具钢 低变形冷作模具钢 高耐磨微变形冷作模具钢 抗冲击冷作模具钢 高强韧性冷作模具钢 高耐磨、高韧性冷作模具钢 特殊用途冷作模具钢,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,一、低淬透性冷作模具钢,（一）碳素工具钢,1、主要性能特点 优点：价格便宜，来源方便，较高的硬度，一定的耐磨性，易于锻造，易于软化。 缺点：淬透性差，淬火易于变形、开裂 ，模具寿命短。,典型钢种：T7A、T10A、T12A,2、热加工工艺,1）锻造 锻造工艺见表23。 工艺要点： 终锻温度不能过高，冷却速度不宜过缓（锻后空冷），以避免析出二次网状渗碳体。,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,无粗大或网状碳化物时，采用球化退火。 出现粗大或网状碳化物时，先正火再球化退火。,2）退火与正火,锻后模具毛坯应经预备热处理：,球化退火和正火工艺见表2-4、2-5。,3）淬火与回火,碳素工具钢淬火和回火工艺规范见表2-6，但对于具体模具应进行选择。,淬火温度的选择,考虑的因素见图2-1、2-2。,图2-1 淬火温度对T10A钢强韧性的影响,图2-2 淬火温度对T8钢淬硬层深度的影响,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,综合分析如下：,提高淬火温度，钢的强韧性下降，变形、开裂的倾向增大。但提高淬火温度，可提高淬透性，增加硬化层深度，提高模具的承载能力。,据此，碳素工具钢制模具的淬火温度选择原则是：,对于小型模具，可采用较低淬火温度（760780）。 对于较大型模具，适当提高淬火温度（800850）。 对于形状复杂的模具，应采用较低淬火温度。,淬火冷却方式的选择,冷却方式,水溶液、油冷 水溶液油、水溶液硝盐 分级淬火、等温淬火,具体冷却方法及适用范围见表2-7。,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,回火温度选择,淬火后应及时回火，回火温度根据性能要求而定。图2-3所示为碳素工具钢的力学性能与回火温度的关系。,图2-3,综合分析，回火温度确定如下：,硬度要求较高时，宜采用150200回火。 抗弯强度要求较高时，宜采用220280回火,回火时间 12小时,回火冷却 油冷或硝盐浴,3、应用范围,碳素工具钢只适宜制作尺寸较小、形状简单受载轻、生产批量不大的模具。,如：T7-轻载小型冷作模，T8-拉深模，T10-冷镦模，T12-拉丝、切边模,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,（二）GCr15钢,1、主要性能特点,GCr15钢是专用轴承钢，冶金质量较高，与碳工钢相比：,硬度高，耐磨性好 接触疲劳强度高 淬透性高，淬、回火变形开裂倾向小 回火稳定性高，有较高的强韧性 使用寿命大幅提高,2、热加工工艺,GCr15钢的锻造性能较好，工艺规程一般是： 加热温度：10501100 始锻温度：10201080 终锻温度：850，锻后缓冷。,锻造工艺不当，碳化物将出现不良分布。,1)锻造,模具材料及表面处理 高职高专 ppt 课件,2)球化退火与正火,锻后采用等温球化退火：,加热温度：770790，保温24h。 等温温度：690720，等温46h。 退火后硬度：217255HBW。,锻后若出现网状、条状碳化物，在退火前必须正火。,正火工艺： 加热温度 930950。 冷却方式 小型模块，空冷；较大模块，鼓风或喷雾；大型模块，热油中冷却。,3）淬火与回火,淬火加热温度：830860，油冷。 尺寸较大或分级淬火的模具，宜选840860。 尺寸较小模具，宜选830850。 箱式炉加热应比盐浴炉加热温度高。,3、应用 适于制作精度要求较高的小尺寸落料模、冷挤压模、搓丝板和成型模。,二、低变形冷作模具钢,成分特点：碳工钢+少量Gr、Mn、Si、W、V,典型钢种：CrWMn、9Mn2V、MnCrWV,（一） CrWMn,1、主要性能特点,淬透性良好（4050模具油中可淬透） 耐磨性良好（W碳化物作用） 淬火变形小 易形成网状碳化物，锻造不良，韧性差,2、热加工工艺,1）锻造 加热：11001150，始锻：10501100,终锻：800850，锻后空冷至650后缓冷,2)退火与正火,退火工艺：加热790830，等温700720，保温12h，炉冷至550出炉。,锻造不良，出现网状碳化物或粗大晶粒时，需正火。,正火工艺：930950保温后空冷,3)淬、回火,图26、27为CrWMn钢的力学性能与淬火温度的关系：,综合两图分析：普通淬火温度820840油冷适宜，硬度可达6365HRC。,图28为CrWMn钢普通淬火与等温淬火的力学性能比较。,由图可见：要求高韧性的模具，采用等温淬火合适。,图28,图29、210、211为CrWMn钢回火温度与力学性能的关系。,由图可见CrWMn 钢回火温度160200合适,图29,图210,图211,3、应用范围,主要用于制造要求变形小、形状复杂的轻载冲裁模，轻载拉深、弯曲、翻边模。,CrWMn钢碳化物易产生偏析的问题，生产中往往难以解决，造成模具使用中脆断损坏比较严重，建议选用MnCrWV或9CrWMn钢替代。,（二）9Mn2V钢,1、主要性能特点,与CrWMn钢相比，二者耐磨性相近，9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂的倾向性比CrWMn钢小，但淬透性低，回火稳定稍差。,2、热加工工艺,1）锻造 始锻：11301160，终锻：800850，,空冷至650700转入炉灰中冷却。,2）退火 加热750770/35h，等温0700/ 46h。,3）淬、回火,图211、图212为9Mn2V钢的力学性能与淬火温度的关系。,图211,图212,由图分析可知： 9Mn2V钢的淬火温度范围较宽，在840以下淬火，力学性能基本不变，840以上淬火，综合力学性能将会下降。因此合适的淬火温度为780840，根据模具的性能要求在此范围可适当调整。,淬火一般采用油冷，形状复杂的模具可用100热油冷却或硝盐浴分级淬火。,图214是回火温度对9Mn2V钢的硬度和冲击韧性的影响，分析可知：,因此， 9Mn2V钢适宜的回火温度为160180。,在200250回火，出现明显的回火脆。 在200以上回火，硬度下降速率增大，表明回火稳定性差。,3、应用范围,9Mn2V钢适用于制作钢板厚度小于4mm的冷冲模，还适合制作精密量具。,图214,（三）其他低变形冷作模具钢,应用较多的低变形冷作模具钢还有9CrWMn、MnCrWnV、SiMnMo等。往往作为CrWMn和9Mn2V的替代钢种，使用效果良好。,Cr12 型钢包括 Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1。其中Cr12Mo1V1属于新型钢种。,此类钢从成分特点看属于高碳高铬钢，从组织特点看属于莱氏体钢，从应用上看，应用广，用量大。既有传统钢种，也有新型钢种，典型钢号有：Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr4W2MoV.,（一） Cr12 型钢,三、高耐磨微变形冷作模具钢,1、主要性能特点,应用状态，组织中含有大量铬的碳化物颗粒，耐磨性很高。 具有高硬度、高抗压强度和高承载能力。 淬火变形小，通过淬火温度的调整可达微变形程度。,Cr12 型钢特点比较：,Cr12碳量高达2.3%，碳化物不均匀性严重，脆性大； Cr12MoV碳量减少至1.5%，Mo、V加入碳化物细化，韧性增加； Cr12Mo1V1钢Mo、V进一步增加，碳化物更加细化，韧性更好，但锻造性稍差，难退火。,2、热加工工艺,1）锻造 Cr12型钢因是莱氏体钢，轧制后仍残留明,显的带状和网状碳化物，将造成模具淬火开裂，严重损害钢的力学性能，必须严格锻造，使碳化物级别符合要求。 （P24：表211为碳化物级别与力学性能的关系）,锻造工艺,预热750850，加热10501100 始锻10001050，终锻850900,Cr12型钢锻造性能差，必须坚持多向、多次镦拔才能使碳化物碎化并分布合理。,2）退火 锻后应及时退火。,等温退火工艺,加热850870/24h,等温740760/46h炉冷至550以下出炉空冷,退火后的硬度为207255HBW，便于切削加工。,3）淬火与回火 图215、216是淬火温度对Cr12MoV钢的组织和性能的影响。,图215,图216,由图分析可知：,随着淬火温度升高，淬火硬度相应增加。 淬火温度大于1050若再提高淬火温度，残留奥氏体大幅增加导致硬度急剧下降。 淬火温度大于1050淬火，奥氏体变粗，抗弯强度、冲击韧度明显降低。,图217、218、219是回火温度对Cr12MoV钢力学性能的影响。,图217,图218,图219,由图分析可见：,钢在520左右回火出现明显的二次硬化。 在200左右回火，其抗弯、抗压强度最高。 在400左右回火，断裂韧度最高。,因此，Cr12 型钢的淬火、回火温度应根据模具的性能要求而定，一般可选用三种淬回火工艺。,低温淬火及低温回火淬火温度分别为Cr12 钢950980， Cr12MoV钢为10001020， Cr12Mo1V1钢为9801040，回火都为180200。,性能特点：具有高的硬度、耐磨性及韧性，但抗压强度较低,高温淬火及高温回火 淬火温度分别为： Cr12 钢为10001100， Cr12MoV钢为11151130， Cr12Mo1V1钢为10601100，回火都为500520。,性能特点：具有高耐磨性、热硬性及较高抗压强度。,中温淬火及中温回火 主要用于Cr12MoV钢，淬火温度为10201040，回火400425。,性能特点：最好的韧性，较高的断裂韧度。,Cr12 型钢淬火可采用空冷、油冷、分级淬火，回火可采用油冷或空冷，回火次数13次。,3、应用范围,Cr12钢：只适用于制造冲击负荷小、耐磨性要求高的冲切薄硬钢板的冲裁模。,Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢：广泛用于制造大截面、形状复杂的重载模具，如切边模、落料模、滚边模、拉丝模。,Cr12Mo1V1脆断倾向最小，模具寿命是Cr12MoV的几倍。,（二）Cr4W2MoV钢,Cr4W2MoV钢是新型中合金冷作模具钢，Cr量比Cr12型钢减少2/3，性能相近，主要特点如下：,1、主要性能特点,共晶碳化物颗粒细小，分布均匀。 具有较高的淬透性和淬硬性。 具有较好的耐磨性和尺寸稳定性。（具体性能指标见教材表212、213）,1、热加工工艺,Cr4W2MoV钢锻造温度较窄，变形抗力较大，锻造时应注意这点。,加热：11301150，始锻：10401060 终锻：850，坑冷或热砂缓冷。,2）退火 采用等温退火。,1）锻造,加热：860/3h，炉冷至760等温46h出炉缓冷。 （球化效果良好，硬度小于241HBW）,3）淬火与回火,根据模具工作条件可采用两种淬回火工艺：, 要求耐磨性和热硬性高的模具：10201040淬火，520540三次回火。,要求韧性好、变形小的模具：960980分级淬火， 270290回火二次。,Cr4W2MoV钢主要用于制造各种冲模、冷镦模、落料模、冷挤凹模及搓丝板，可替代Cr12 型钢。,3、应用范围,三、其他高耐磨微变形冷作模具钢,中合金冷作模具钢Cr6WV：具有较好的耐磨性和韧性的配合，碳化物分布均匀，淬火变形小。主要用于制造高强度、高耐磨和承受一定冲击载荷的模具，如钻套、冷冲模及冲头等。,中合金空冷模具钢Cr5Mo1V：引自美国的A2开发的新钢种，具有良好的空冷硬化性能，这对制造形状复杂的冷冲模是极为有利，特别适于制造要求高耐性又要求好的韧性的模具，如下料模、冲头、滚丝模、剪刀片等。,（以上两只钢的热处理工艺见教材表214）,四、高强度高耐磨冷作模具钢,典型钢种：即高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,1、主要性能特点,成分特点：Wc：0.7%0.9%,性能特点：具有高屈服强度、高抗压强度、高抗弯强度，高耐磨性，同时具有很高的回火稳定性和热硬性。承载能力位于各传统冷作模具钢之首。（与Cr12MoV的性能比较见教材表215）,主要缺陷：轧材中存在大量的合金碳 化物，并且成带状、网状、块状分布，只 能用改锻的方法使之细化。其次，导热性 差、韧性不足，易脱碳氧化。,耐磨性比较见图220,图220,2、热加工工艺,1）锻造,钨系高速钢：加热11201150，始锻1040 1050，终锻900950，锻后坑冷、砂冷或炉冷。,钼系高速钢：始锻10001020，终锻850,工艺要点：应反复镦粗与拔长，锻造比一般为10左右,2）退火 常采用等温退火,W18Cr4V钢：加热870880/24h，等温720750 /46h，随炉冷至600650 出炉空冷。,W6Mo5Cr4V2钢：加热850860 ，其余工艺参数同上。,3）淬回火,高速钢传统的用途主要用制造高速切削的各类刀具，为了满足刀具的热硬性和耐磨性的要求，常采用高淬高回的热处理工艺，这种处理对于刀具虽然满足了热硬性和耐磨性的要求，但韧性不足。,W6Mo5Cr4V2钢经不同淬火温度和回火温度的处理，其硬度和韧性的变化见图221。,图221,由图可见，如要求较高的韧性，采用低温淬火工艺较合理。,因此，高速钢用于重载模具常采 用低淬低回或低淬高回的工艺。,具体工艺如下：,W18Cr4V钢：11001250 加热淬火，560 回火三次或150250 回火一次。,W6Mo5Cr4V2钢：10501200 加热淬火，560 回火三次或150250 回火一次。,经此处理硬度约为5864HRC，韧性良好。,3、应用范围,高速钢主要用来制作重负荷冲头，如冷挤压钢铁材料的凸模，冷镦冲头，中厚钢板冲孔冲头（1025），直径56mm的小凸模以及用于冲裁奥氏体钢、弹簧钢、高强度钢板的中、小凸模和粉末冶金压模等。,W6Mo5Cr4V2钢的综合性能优于W18Cr4V钢，制作重载冲头的使用效果更好。,五、抗冲击冷作模具钢,这类钢化学成分接近合金调质钢，主加元素Mn、Si、Cr、W、Mo（见教材表217）。,（一）铬钨硅系钢,典型钢种：4CrW2Si、5CrW2Si、 6CrW2Si,（均已纳入国标）,1、主要性能特点,淬透性良好，碳化物少，组织均匀，淬火组织以板 条状马氏体为主。,具有高抗弯强度，高冲击疲劳抗力高韧性和一的耐磨性。,抗压强度低，热稳定性差。,淬火变形难以控制，脱碳敏感性较大。,2、热加工工艺,1）锻造,始锻：11501180，终锻：800850 ，锻后 缓冷。,2）退火,普通退火：加热800820/35h，炉冷至550 出炉空冷。,为了改善切削加工性可采用软化退火（高温回火）。,工艺：加热710740/36h，炉冷或空冷。,3）淬火与回火,图222为铬钨硅系钢的热处理特性：,a）淬火温度对6CrW2Si钢的硬度和冲击韧度的影响 b） 5CrW2Si钢的淬火工艺、回火温度对硬度的影响 c） 5CrW2Si钢的淬硬层曲线 d）回火温度对6CrW2Si钢硬度、冲击韧度的影响,综合分析可知： 铬钨硅系钢具有较好的淬透性及明显的强韧性峰值。淬硬性低的4CrW2Si钢进行渗碳淬火，可以获得良好的综合力学性能。,铬钨硅系钢在300350回火有轻微的回火脆，450左右回火可以获得较高的冲击韧度。因此回火工艺有两种选择，即20250低回和430470中回。,铬钨硅系钢适宜的淬回火工艺为：,淬火加热：860900油冷，淬火硬度5357HRC,回火加热,消除应力，稳定组织：200250，5358HRC,良好韧性：430470，4550HRC,3、应用范围,4CrW2Si钢：主要制造大中型重载冷镦冲头及精压模,5CrW2Si钢：主要制造重载冷剪刀片、中厚钢板穿孔 冲头及风动工具等。,6CrW2Si钢：常用于耐磨和强度要求较高的重载冲模、压模。,（二）9SiCr,该钢是传统的低合金工具钢，广泛用于制造薄刃具，也 多用于制造形状复杂的轻载冷冲模。,主要性能特点：,具有较好的淬透性和回火稳定性。,碳化物颗粒细小，组织均匀。,淬火变形较小。 脱碳倾向大。,淬回火工艺：,图223为淬、回火温度对9SiCr钢的力学性能的影响,综合分析可知，适宜的淬回火工艺为：,淬火工艺：加热860880油冷、分级。,回火工艺：,硬度要求为6264HRC时，取180220回火。 硬度要求为5658HRC时，取280320回火。 硬度要求为5456HRC时，取350400回火。,应用范围：,主要用于制造形状复杂、变形小，耐磨性要求较高的 冷作模具，如冲模、打印模、搓丝板、冷轧辊等。,（三）其他抗冲击冷作模具钢,典型的合金弹簧钢60Si2Mn常作为抗冲击工具、模具 使用，如标准件行业中的冷镦模冲头、螺母冷镦模具等。,（抗冲击冷作模具钢的常规热处理工艺见教材表218）,六、高强韧性冷作模具钢,低合金钢、不锈钢和轴承钢冷挤压技术的发展对冷作模具钢担出了更高的要求，不但要有高硬度、高耐磨性，而且还要有高韧性。能够满足这些性能要求的只有近年来研制的降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等。其典型钢种的牌号及成分见教材表229。,（一）降碳高速钢6W6Mo5Cr4V（6W6）,1、主要性能特点,与高速钢比较碳、钒含量减少较多，使得碳化物总量减少，碳化物不均匀性得到改善。,淬火硬化状态的抗弯强度和塑性提高了30%50%， 冲击韧度提高了50%100%，硬度降低了23HC。,易脱碳，耐磨性稍差。,2、热加工工艺,1）锻造 始锻温度：10501100，终锻温度：850900，锻后缓冷。,2）退火 可按高速钢进行。,3）淬回火 图224是淬、回火温度对6W6钢的力学性能的影响：,图 224,由图分析可知：为了获得良好的韧性和较高的耐磨性， 可采用较低温度淬火和较高的回火温度，即：,加热11801200油淬，560580/1.5h回火 三次。,3、应用范围,6W6钢主要用于取代高速钢或Cr12型钢制作易于脆断或 开裂的冷挤压凸模或冷镦模，寿命可提高210倍；用于 大规格的圆钢下料剪刀寿命可提高10倍。,（二）基体钢,是指具有高速钢正常淬火时基体成分的钢。,典型钢种：65Cr4W3Mo2VNb（65Nb）,7Cr7Mo2V2Si（LD）,5Cr4Mo3SiMnVAl(012Al),1、65Nb钢,（1）主要性能特点,具有高速钢的强度、硬度和耐磨性，又有较好的韧性。,钢的工艺性能得到很大改善，直径小于50mm的钢,轧材坯料不需改锻，仍可获得满意的性能和寿命。,（2）热加工工艺,1）锻造 始锻：10801120，终锻：900850，锻后缓冷。,2）退火 加热860/730740等温。,该钢退火易软化，延长等温时间，硬度可降至 180HBW，为模具的冷挤压成型提供了条件。,3）淬火与回火 图225是淬火温度对65Nb钢力学性能的影响,由图可见，当淬火温度大于1180，晶粒粗化，残余奥氏体增加，硬度、强度下降。,适宜淬火温度为：10801180,回火温度与力学性能的关系见教材表220。,由于有二次硬化现象，65Nb钢一般,采用高温回火，回火温度为520580/12h，二次。,图225,生产中常根据模具的不同用途，采用不同的淬、回火工艺，具体工艺方案及性能见教材表221。,（3）应用范围,65Nb钢适于制作形状复杂的非铁金属挤压模、冷冲模、冷剪模及单位压力为2500MPa左右的钢铁材料冷挤压模具，也可用于轴承、标准件、汽车行业中的锻模、冲模及剪切模具可获得高的使用寿命。,2、7Cr7Mo2V2Si（LD）,该钢不含钨，铬、钼、钒含量都高于高速钢基体，二 次硬化强烈，淬透性提高，晶粒细化。 所以，该钢性能优于Cr12型钢、高速钢、，具有高强度、高韧性和高耐磨性。 其次是冷热加工工艺性良好，通用性强。,（1）主要性能特点,（2）热加工工艺,1）锻造 宜缓慢加热，锻造温度严格控制在11301150，终锻温度为850，锻后砂冷。,2）退火 采用球化退火。加热840860/2h，等温700720/46h，缓冷至400以下出炉空冷。,3）淬火与回火 LD钢淬火温度与硬度、晶粒度、残留奥氏体量的关系及回火硬度见教材表222、223。,综合分析：淬火温度为11001150。淬后有34% 的残留奥氏体。,回火温度540570/12h，回火23次。,高韧性要求的模具，也可以采用低淬低回工艺。,（3）应用范围,广泛用于冷挤、冷镦、冲压和弯曲等冷作模具的制造， 其寿命可比高铬钢、高速钢提高几倍到几十倍。,3、5Cr4Mo3SiMnVAl(012Al),（1）主要性能特点,碳量较低，为0.47%0.57%。 强韧性高，热疲劳性好。 是冷、热兼用型模具钢。 渗碳性能良好，可通过渗氮进一步提高耐磨性。,（2）热加工工艺,该钢导热性差，变形抗力大，锻造较为困难。,锻造工艺：加热11001140， 始锻10501100 终锻850以上，锻后砂冷。,退火工艺：加热850870/4h，炉冷至710720/6h，保温结束炉冷至550出炉空冷。,淬火工艺：用于冷作模具最佳工艺为500和800 二次预热，盐浴加热10901120油淬。,回火工艺：510回火二次，每次2h油冷。回火硬度为6062HRC。,（3）应用范围,012Al用于冷作模具，主要替代Cr12MoV钢制作 冷镦模、中厚钢板凸模、搓丝板、内六角凸模、切边模等，使用寿命比Cr12MoV钢大幅提高。,（三）6CrNiSiMnMoV（GD）,基体钢的缺陷是：合金化程度高，钢材成本较大。淬火温度区间都较窄，一般不能用箱式电阻炉加热，限制了该项钢在中小企业的推广使用。GD钢就是针对上述缺陷研制的新钢种。,主要性能特点：,钢的韧性、抗压强度等性能显著优于CrWMn和 Cr12MoV钢，但耐磨性略低于Cr12MoV。 碳化物偏析小，可以不改锻，下料后直接使用。, 淬透性良好，空冷可以淬硬，淬火变形小。 淬火加热温度低，区间宽，可采用油淬、风冷及火焰加热淬火，回火温度也低，利于节能。 淬硬性良好 ，油淬硬度可达6465HRC，空淬硬度可达6061HRC,最佳热处理工艺：,淬火加热870930，回火175230/2h一次。,应用范围：GD钢主要替代CrWMn、Cr12型钢、 9Mn2V、6CrW2Si钢制造各种异形、细长薄片冷冲凸模，形状复杂的大型凸凹模，中厚钢板冲裁模、剪刀片及精密淬硬型塑料模具等。,（四）7CrSiMnMoV（CH-1）,CH-1钢又称火焰淬火钢，也称低合金空淬模具钢。是为适应大型、特大型模具的热处理要求、缩短制造周期、节约生产成本而研制的新钢种。,主要性能特点：,具有高强韧性（参见教材表226）。,耐磨性良好（见下图）。,CH-1钢耐磨性比较,淬火温度范围很宽，在 860960范围内变化，利于火焰加热淬火。,淬透性好，淬硬性高，热处 理变形小，空冷后硬度可达60 HRC以上。,碳化物偏析小，塑性变形抗力低，锻造性能良好。,焊接工艺性好，能满足冲模的焊补要求。,应用范围：,主要用于大型、形状复杂的多孔位薄板冷冲模，如汽车 覆盖件冷冲模，也可以替代Cr12MoV钢制造强韧性要求 高的冷作模具。,（五）8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）,8Cr2S钢又称易切削精密冷作模具钢，主要性能特点如下：,淬透性、淬硬性良好，100mm的圆钢空淬或硝盐分 级淬火，硬度可达6164HRC。,热处理工艺简单，作为预硬钢的热处理工艺为：（860880）2min/mm空冷，（550620） 2h回火。作为高硬态模具的热处理工艺为： 860900空淬，160250回火。,具有较高的强韧性（见教材表228）。,切削加工性良好，退火态可比一般工模具钢缩短加工工时30%以上，硬度为4045HRC的调质状态仍可采用高速钢刀具顺利地进行车、铣、刨、钻、镗 攻螺纹等常规 加工。,热处理变形小。,具有良好的表面热处理性能。,应用范围：,作为预硬钢，适于制作精密的塑料模、胶木模和印刷电路板冲孔模，与其他模具钢相比，配合精度提高，使用寿命提高。,作为高硬态钢，主要制作精密零件的冲裁模，如手表零件、电子零件的冲裁模，寿命较传统模具钢都有大幅提高。,（高强韧性冷作模具钢的热处理规范见教材表229）,七、高耐磨高韧性冷静作模具钢,高强韧性冷作模具钢由于钢中含碳量的减少，耐磨性不如高铬钢和高速钢，高耐磨、高强韧性冷作模具钢弥补了这类钢不足。,典型钢种： 9Cr6W3Mo2V2（GM）,Cr8MoWV3（ER5）,（一）GM钢,1、主要性能特点,与高铬钢、高速钢相比，碳化物不均匀程度大大降低，晶粒细化，强度、韧性提高，具有最佳的耐磨性和强韧性配合。（见教材表231）,2、热加工工艺,（1）锻造 加热11001150，始锻1100， 终锻850900，锻后缓冷并及时退火。,（加热要缓，锤击时应按轻重轻法则操作）,（2）退火 采用球化退火。加热850870/3h， 炉冷至730750/46h，炉冷至500出炉。,（3）淬火与回火,图227,淬火温度对GM钢硬度的 影响见图227。,淬火温度对GM钢残留奥氏体量的影响见图228。,淬火温度对GM钢奥氏体晶粒尺寸的影响见图229。,图228,图229,由图分析可知：GM钢有较宽的淬火温度，淬火后晶粒细小，残留奥氏体量少。,通常淬火温度为：10801120，油淬。,淬火硬度为：6466HRC。,回火温度对GM钢硬度的影响见图230。,图230,由图可见，GM钢二次硬化能力显著高于Cr12型钢，接近高速钢水平，硬化峰值范围宽，说明回火稳定性高。,GM钢适宜的回火温度为：,520540/2h，回火2次.,3、应用范围,主要用于多工位级进模、高强度螺栓滚丝模和电机 转子片复式冲模等，其寿命比65Nb钢和Cr12MoV钢提高26倍以上。,（二）ER5钢,1、主要性能特点,与基体钢相比，ER5钢提高了C、V、Cr、Mo、W等碳化物元素的含量，因此，在保持高韧性的同时，耐磨性比基体钢、GM钢好，远远超过Cr12MoV（见教材表232、233）。,2、热加工工艺,锻造：锻造性能良好，始锻1150，终锻900。,退火：860/2h，冷至760/4h，炉冷至500以下出炉空冷，硬度为220240HBW。,淬火与回火：淬火温度宽，二次硬化效果好，热处理变形小。一般工工艺为1120加热，550三次回火。,应用范围：适于制作大型重载冷镦模、精密冷冲模等。如用ER5制作的电动机硅钢片冲模，总寿命达500万次。,八、特殊用途冷作模具钢,耐蚀冷作模钢：9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo等。,这类钢的成分特点是高碳高铬，淬火后马氏体中含铬量高达12%，所以，既有高的耐磨性又有良好的耐蚀性能，主要用来制作耐蚀塑料模具。,无磁模具钢：7Mn15Cr2Al3V2WMo,该钢锰含量高，在使用状态呈稳定的奥氏体组织，所以导磁率非常低，在磁场中不被磁化，主要用来制造磁性材料的成型模具和无磁轴承。,热处理工艺：1170固溶淬火，650750时效15h，可获得较高强度、硬度和耐磨性，但切削加工性较差。,九、硬质合金,种类：金属陶瓷硬质合金、钢结硬质合金,1、金属陶瓷硬质合金,成分：碳化物粉末（WC、TiC)+粘结剂（Co、Ni）,性能特点：具有高硬度、高抗压强度和高耐磨性，脆性大，不能进行锻造、热处理及切削加工。,应用：用于冷冲模的硬质合金一般是钨钴类（ Co+ WC），主要用于制作多工位级进模、大直径拉深凹模的镶 块。（钨钴类硬质合金的力学性能见教材表234）,2、钢结硬质合金,钢结硬质合金与金属陶瓷硬质合金比较：,粘结剂为合金钢粉末。 力学性能特点相同，但钢结硬质合金具有可加工性和热处理性。,典型牌号：GT35、TLMW50、DT,其中DT合金是较理想的有代表性的工模具材料,（1）DT合金的力学性能（见教材表235）,具有高硬度、高耐磨性和高强度，又有一定的韧性，还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、碎裂等。,（2）DT合金的热加工特性,等温球化退火工艺：860880/23h，炉冷， 700720/6h，炉冷至550以下出炉空冷。,淬火、回火工艺： 预热800850，加热10001020油淬。,回火温度取决于合金钢基体的成分，一般采用低 温回火或高温回火，回火时间为2h。,锻造工艺：,经烧结态的合金必须经过锻造成形，提高合金密度， 降低碳化物偏析。DT合金导热性差，预热要充分，加热 要缓慢均匀，要防止氧化脱碳，变形量控制在5%，采用 轻锤快打，防止锻裂。锻后要缓冷，严禁水冷、空冷。,工艺为：预热700800，始锻11501200，终锻880900。,（3）DT合金的切削加工, DT合金退火后能够进行各种切削加工，但加工难易与加工工艺参数有很大的关系。,磨削加工时，应采用高转速，小磨削量，并供给充足的冷却液，磨削退火工件，采用干磨合适。,电加工后，一般要采用二次回火来消除硬化层，并仔细研磨电加工面。,（4）DT合金的应用,DT合金性能优越，现已越来越多地用于制造冷镦模具、冷挤压模具、冲裁模具、拉深模具等，使用寿命比高速钢和高铬钢提高几倍到几十倍。,DT合金价格比合金钢贵几倍，小批量生产时，技术经济效益不明显。为了节约材料，制作模具时，一般采用镶套、焊接、粘结和机械组合连接的方法。,第三节 冷作模具的选材,一、冷作模具的选材原则,1、满足模具的使用性能要求,根据模具的工作条件、结构尺寸和生产批量确定所选材料应具备的主要性能指标。,2、满足模具的工艺性能要求,根据模具的制造工艺方法、尺寸大小、精度要求等，要考虑所选用的模具材料是否能满足模具制造的各种工艺性能要求。,如：可锻性、可加工性、焊接性、淬透性、氧化脱碳倾向、淬火变形和开裂倾向等。,3、经济性,尽可能选用价格低廉、货源丰富、供应方便的材料。,二、常用冷作模具的材料选用,（一）冷冲裁模,1、工作条件及失效形式,冲裁模工作部位受力情况如图231,图231,由图分析可知：冲裁模刃口在侧向压力F的作用下，刃口部位受到很大的弯曲应力，其次刃口部位受到冲击和强烈的磨擦。,工作条件：,失效形式：,磨损 刃口磨损到一定的程度会使冲裁件产生毛剌，为使刃口锋利，需磨削，多次刃磨，导致失效。,崩刃、凸模折断 安装不良、冲裁工艺执行不严或热处理不当导致这类非正常失效。,性能要求：,高硬度、高耐磨性。,足够的抗弯、抗压强度和适当的韧性。,板料厚度不同，要求不同。薄板以高精度、高耐磨为主；厚板以高耐磨、高强韧性为主。,凸凹模要求也有差异，对凹模来说，抗压强度和韧性比凸模高。,2、冷冲裁模材料选用,选材考虑的因素：,产品的形状和尺寸、被冲材料特性、工作载荷大小、失效形式、生产批量、模具成本等。,一般选用概况：,对于形状简单、载荷轻的冲裁模 : 选用碳素工具钢，如T10A。,对于形状复杂、尺寸较大、载荷较轻、精度较高：选用低合金工具钢，如9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV等。,对于大中型模具：可选用高耐磨、高淬透性、变形小的高碳中铬钢、高铬钢、高速钢、基体钢和高强韧性低合金冷作模具钢。,对于大量生产的冷冲裁模：选用硬质合金、钢结硬质合金。,选材时应重视新型冷作模具材料的使用，选用时可参照教材表238。,冷作模具的材料选用实例可参考教材表237。,冲裁模辅助零件的选材及热处理要求参见教材表239，不同的冷冲裁模具，差异性不大。,（二）冷镦模具的选材,1、工作条件和失效形式,工作条件：,冲击力大，单位冲击压力可达20002500MPa并且冲击频率高。,凹模型腔表面和凸模工作表面受强烈的冲击摩擦，工 作温度可达300左右。,材料的不均、坯料端面不平、镦机调整精度不够，冲头还受到弯曲应力。,失效形式：,擦伤 冲头和凹模工作表面出现沟痕或磨损。,崩落 坯料金属粘附在凹模上，致使凸模偏载，使局部区域成块崩落。,脆性开裂 常见冷镦凹模，一是擦伤和崩落处，二是整个截面淬硬或非金属夹杂物偏析造成脆性开裂。,硬度不足，或硬化层过浅而凹陷，或因尺寸超差而过早报废。,主要失效形式：擦伤和脆性开裂,性能要求：,足够的抗压强度和耐磨性。尤其是冷镦凹模，需要良 好的强韧性配合，硬化层控制在1.54mm，硬度5862HRC，心部需韧性较好的索氏体组织，不能整个 截面淬硬。,2、冷镦模材料选用,选材考虑因素：模具零件受力情况、截面大小、硬化层要求、批量大小等。,一般选材情况：,对于轻载小型凹模，硬化层要求不深时可选用T10A钢；硬化层要求较深时，选用低合金工具钢。,对于受载较重、形状复杂的凹模，可选用高铬中碳钢或高速钢、基体钢制作的嵌镶块嵌入模套内，模套则采用韧性较好的材料。, 产量超过20万件以上时，可选用钨钴类硬质合金或钢结硬质合金制成的嵌镶模块。,冷镦凸模的材料：,轻载时，大多采用T10A或低合金工具钢；重载时，采用与凹模相同的材料制成模块式镶拼模具。,冷镦模具的选材实例和辅助零件的选材可参考教材表240。,（三）冷挤压模具的选材,1、冷挤压模的工作条件和失效形式,工作条件：,变形抗力大。挤压非铁金属时，模具截面上的平均压应力可达1000MPa以上；正挤压钢材时，可达20002500MPa；反挤压时可达30003500MPa。,模具表面反复受到剧烈摩擦，使接触面磨损大，并且模具温升最低温度可达160180，最高可达300400。,凸模比凹模工作条件更繁重，往往受到偏心载荷，致使冲头受到很大的弯曲应力作用。,冲头在脱模时还受到拉应力的作用。,失效形式：,擦伤磨损或氧化磨损。,凸模断裂,装配不良导致折断,模所受应力超过材料的屈服极限 产生“劈裂”（见下图a）,脱模时，拉应力使模端部折断，产生 “脱帽”断裂（见下图b）,性能要求：,必须具有高强韧性、良好的耐磨性、足够的回火稳定 性和耐热疲劳性。,1、冷挤压模具的材料选用,挤压力较小、批量不大的正挤压模具，可选用碳素工具钢和低合金工具钢。,挤压力较大的正挤压模具，普遍采用Cr12型钢，但锻造、热处理不良时，脆断倾向大，模具寿命短。,承受高负荷的反挤压凸模，可选用高速钢，但也有脆断问题，可用低温淬火来提高脆断抗力。,挤压力较大、批量也较大的冷挤压凸模，选用降碳高速钢和基体钢使用效果良好。,对于大批量生产的冷挤压模具，应采用硬质全金、钢结硬质合金。,（选材示例可参考教材表241）,（四）冷拉深、拉丝模具,1、拉深模具,工作条件：,凹模承受强烈摩擦和径向拉应力；凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力的作用。工作表面温度可达 400500。,失效形式：,被拉深材料撕落粘附在模具表面，形成凹凸不平的伤痕或粘结成瘤，使拉深产品表面质量降低或成废品。,性能要求：,具有高的强度和耐磨性。,材料选用：,对中小模具，可选用T10A和低合金工具钢；对大中型模具，可采用球墨铸铁或合金铸铁，批量大时，磨损部位采用较好合金钢镶块硬质合金。,防止粘附措施：,拉深铝、铜合金和碳素钢时，凸、凹模应渗氮或镀铬。,拉深奥氏体不锈钢时，凹模应采用铝青铜材料。,高碳中铬钢和高碳高铬钢作拉深凹模时，应进行渗氮和抛光。,（拉深模材料选用参照表242）,2、拉丝模,拉丝变形量小，主要是刃口部分承受强烈的摩擦和径向弯曲力。失效形式主要是磨损和崩刃，要求高硬度和耐 磨性以及良好的抗粘附性能。,材料选用，主要根据被加工材料的类型、线径大小生产批量等选用常用合金模具钢、硬质合金、人造金刚石等。（具体选用可参照表243）,第四节 冷作模具的锻造与热处理,一、冷作模具材料的锻造,锻造目的：提高材料的致密度和均匀性、细化组织、获得合理的流线分布等。,1、高碳高合金钢的锻造,工艺操作要点：,加热和冷却应均匀缓慢，大尺寸坯料应先预热再加热。,严格控制锻造温度范围，力争一火锻成。,锻造工具圆角要大些，锤头与锤砧要预热200300。,操作要领应遵循“二轻一重”和“两均匀”的原则。,尽量避免冲孔和扩孔。,为了控制锻造质量，还应重视锻造方法、锻造比和锻 锤吨位的选择。,2、钢结硬质合金的锻造,工艺要点：,钢结硬质合金坯料在锻前应进行球化退火，坯料上的尖角、棱角应磨圆。,锻锤吨位选择要合适，参照表2-44。,锤头、锤砧、工具和胎模锻前需预热。,锻造比不宜过大，一般大于2，注意采用 “二轻一重”的操作要领。,13火一般进行镦粗和拔长，拔长宜在V形铁砧或胎 模中进行。,二、冷作模具的热处理技术,1、冷作模具的制造工艺路线,一般冷作模具：锻造 球化退火 机械粗加工 淬火与回火 钳修装配。,成形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 机械加工或电加工成形 钳修装配。,高精度冷作模具：锻造 球化退火 机械粗加工 去应力退火或调质 加工成形 淬火与回火 钳工修配。,热处理工序安排应注意以下几点：, 对于高精度要求的模具为减少热处理变形，常在机械加工之后安排高温回火或调质处理。 对于线切割加工模具，为防止线切割时变形开裂，其淬回火常采用分级淬火或多次回火和高温回火。,为了保持模具尺寸的稳定性，线切割之后应及时 再回火,2、冷作模具的淬火,（1）合理选择淬火加热温度,对于具体模具，在加热工艺规范的基础上要作精细选 择，选择的依据主要是模具的使用性能要求。,如保证淬透、淬硬或较高的热硬性，应选择较高的淬火加热温度；如要求较高的韧性和耐磨性，应选择较低的淬加热温度。,（2）合理选择淬火保温时间,生产中常采用到温入炉的方法加热，淬火保温时间可按以下经验公式确定 ：,t=D,t 淬火保温时间（min或s）, 加热系数（min/mm或s/mm），见表2-45。,D 工件有效厚度（mm ）,经验公式仅作为参考，生产中必须具体情况具体分析，对于形状复杂的模具有时要通过实验来确定淬火保温时间。,（3）合理选择淬火介质,一般：高合金冷作模具钢，采用较缓的淬火冷却介质；碳素工具钢和低合金工具钢模具采用双介质淬火。,市场上有不少新型的淬火冷却介质，如三硝水溶液、 氯化锌 碱溶液、氯化钙水溶液等，选择适当可以提高淬火质量。,（4）采用合适的淬火加热保护措施,主要是防止氧化、脱碳，常用的方法有：,盐浴加热法 装箱保护法 涂料保护法 包装保护法,3、冷作模具的强韧化处理工艺,（1）低温淬火工艺,相对于于传统淬火工艺进行的淬火操作。,工艺特点：相对传统淬火加热温度低2030。,性能特点：提高韧性和冲击疲劳抗力，降低冷作模具脆断、脆裂倾向性。,典型冷作模具钢低淬低回工艺见表2-46,（2）高温淬火工艺,对于某些冷模钢，如T7ATI0A、GCr15等，采用高于传统工艺淬火温度淬火，可使模具获得较高断裂韧性和耐磨性，从而提高模具寿命。,（3）微细化处理工艺,即细化基体组织和碳化物，提高模具寿命的方法,四步热处理法：,高温淬火+高温回火+低温淬火+低温回火,如9Mn2V:820油冷+650回火+750 油冷+200 回火。,循环超细化处理,加热Ac1（Acm）+1020 加热Ac1（Acm）+1020,如Cr12MoV钢：1150加热油淬+650回火+ 1000加热油淬+650回火+1030加热油淬+ 170等温30min空冷+170回火.,（4）分级淬火和等温淬火,是模具最重要的强韧性化方法，可以减少模具的变形和开裂.,冷作模具钢的分级淬火和等温淬火工艺及应用范围 见表247.,（5）其他强韧化处理方法,主要是：形变热处理、喷液淬火、快速加热淬火、消除链状碳化物组织的预处理工艺等。,4、主要冷作模具的热处理特点,（1）冲裁模,对于薄板冲裁模,在工艺上应保证热处理变形小、不开裂和高硬度。通常根据模材类型采用不同的减少变形的热处理方法。如，双液淬火工艺、碱浴淬火工艺、低温淬火工艺、快 速加热分级淬火、恒温预冷工艺、等温淬火等。,以上工艺方法的具体应用参考表2-48。,对于重载冷冲模,由于失效形式是崩刃和折断，热处理工艺上应保证模具