冷作模具材料及表面热处理

冷作模具材料及表面热处理机械设计制造及其自动化 郑丽摘要:在模具设计与制造中，采用合理的热处理工艺可以提高模具的使用性能，延长模具的使用寿命，此外，还能改善模具的加工工艺性，提高加工质量，减少刀具磨损。冷作模具材料用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、冷剪切刀、冷成型模、冷拉丝模等。它的工作条件非常恶劣，它要承受较高的拉伸应力，压缩应力，冲击应力，承受剧烈的摩擦磨损以及疲劳载荷，所以冷作模具需要进行合理的热处理工艺。关键词：冷作模具;材料性能；热处理。Abstract:Inthemolddesignandmanufacturing,heattreatmentprocesscanimprovetheperformanceoftheuseofmolds,toextendthelifeofthemold,butalsotoimprovethemoldprocessingtechnologytoimproveprocessingqualityandreducetoolwear.Cold-workingdiematerialsusedinthemanufactureofcolddie,coldheadingdie,coldextrusiondie,coldshearknives,coldmolding,colddrawingmode.Verypoorworkingconditions,ithastowithstandhightensilestress,compressivestress,impactstress,underseverefrictionandwearandfatigueloads,sothecold-workingdieneedforreasonableheattreatmentprocess.Keywords:cold-workingdie;materialproperties;heattreatment.1冷作模具的定义冷作模具是指在室温下完成对金属或非金属材料进行塑化变形加工的工艺装备。2冷作模具的分类它包括冷冲裁模具、冷挤压模具、冷镦模具、冷拉伸模具、拉丝模具、弯曲模具、压印模具、螺纹压制模具等。其完成的工序有冲孔、落料、挤压、冷镦、拉伸、滚丝、拉丝、弯曲、成型等。3冷作模具材料的分类冷作模具材料可以分为模具钢、硬质合金、低熔点合金、高分子材料、陶瓷、合金铸铁等。根据其性能的不同冷作模具钢主要可分为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、高耐磨微变形冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、抗冲击冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢以及高耐磨高韧性冷作模具钢。3.1低淬透性冷作模具钢低淬透性冷作模具钢中，使用最多的是碳素工具钢和GCr15轴承钢。碳素工具钢中碳的质量分数在0.7%—1.3%范围内，价格便宜，原材料来源方便，加工性能良好，淬火温度低，热处理后具有较高的表面硬度和较好的耐磨性，适以制造尺寸较小、形状简单、负载较轻、生产批量不大的冷作模具。缺点是淬透性低，淬火温度范围窄，淬火变形大，较大的模具不能淬透，而且表面淬硬层和中心部分之间的硬度值相差很大，容易使模具在淬火时开裂，因此很少用来制造精度要求高、形状复杂、承载力较大的冷作模具。主要有T7A—T12A，其中T10A用量最多，冷冲模很少用T8A，主要原因是T8A淬火加热时容易过热，淬火变形大，强韧性较低，耐磨性也较差。3.2高耐磨微变形冷作模具钢高耐磨微变形冷作模具钢一般是高碳高铬钢，是一种高合金冷作模具钢，应用量最多最广泛；这类钢大部分是莱氏体钢，组织中有大量共晶化合物，淬火后有大量共晶碳化物存在，同时含有大量的残余奥氏体，因此热处理后变形小、耐磨性高、承载力大，经常用来制造高耐磨、微变形、高负荷条件下工作的冷加工用模具。但由于高碳高铬莱氏体中有大量的共晶碳化物分布不均，因此易出现崩刃脆裂的现象。代表号钢有：Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、Cr12W、Cr12V、Gr4W2MoV等。3.3高强度高耐磨冷作模具钢传统的高速钢即是此类钢的典型钢种。高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，采用低温淬火、快速加热淬火等工艺措施可以有效地改善其性能；在热处理的过程中高速钢必须经过3次以上回火，主要因为前两次回火冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体，必须经过回火才能消除前次回火时产生的组织应力。该类钢主要包括W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W12Mo3Cr4V等，这些高速钢在制造重载荷方面获得了良好的效果。4冷作模具钢的失效形式及预防措施由于冷作模具在工作过程中会常常受到压缩、拉伸、弯曲、冲击、摩擦等作用，因此出现的主要失效形式有过载失效、磨损失效和疲劳失等。4.1过载失效过载失效系指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷作用引起的失效，包括韧度不足和强度不足两类失效。其中对韧度不足出现的脆断失效应予以重视。材料韧度不足的失效由于此类失效前无宏观征兆和断裂突发性，这种失稳态下的断裂失效在冷挤压和冷镦模具中容易出现，其特征是失效产生前无明显塑性变形，宏观断口无剪切唇，且比较平坦，造成模具不可修复的永久失效。强度不足失效在冷镦、冷挤压冲头中材料抗压、弯曲抗力不足，易出现镦头下凹、弯曲变形失效。在新产品开发中容易产生此类失效，原因是工作载荷过大，模具硬度偏低有关。同时说明材料强度不足，塑性有余，有韧度潜力可以发挥。磨损失效磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使工作部位形状和尺寸发生变化引起的失效。疲劳失效冷作模具载荷都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施加的，这种状态与小能量多冲疲劳实验相似。由于模具材料多冲疲劳的断裂寿命在1000—5000次，通常裂纹疲劳源和裂纹扩散区无明显界限。4.4预防过早失效的措施细化冷作模具钢的碳化物的颗粒或晶粒尺寸，可提高材料强度和断裂韧度，提高材料抗脆断能力。提高模具表面质量。复相组织增韧增强，在材料中增加一种或数种增韧增强的弥散组织，可以起到吸收能量，阻碍裂纹扩展的作用。纤维增强复合材料，利用金属，非金属纤维材料的强韧性制备复合材料，提高抗断裂强度。根据不同性能要求采用复合多层功能梯度材料。5、 冷作模具材料的性能及选用5.1对冷作模具材料的使用性能要求冷作模具的工作条件比较恶劣，其工作时主要承受较高的拉伸应力、压缩应力、冲击应力、此外还承受剧烈的摩擦磨损和疲劳载荷。其主要的失效形式有：模具的断裂、模具的变形、磨损、工件和模具的咬合、啃伤、软化等。因此对冷作模具的要求主要为：应具有较高的硬度和合理的硬度梯度分布；良好的冲击韧度；高的断裂强度；高的耐磨性能；高的抗咬合能力和抗疲劳性能。5.2对冷作模具钢的工艺性能的要求冷作模具材料必须具备适宜的工艺性能，以降低模具的加工成本，保证模具的制造质量。冷作模具材料的工艺性能主要包括可锻性、可切削性、可磨削性、热处理工艺等。可锻性可锻性要求材料热锻时变形抗力小，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂、冷裂及析出网状碳化物的倾向小。可切削性可切削性要求切削力小，切削量大，刀具磨损小，切削工时少，加工表面光洁。大多数模具材料的切削加工都比较困难，故需要进行正确的热处理，以保证切削加工的顺利进行。可磨削性可磨削性要求对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤与磨裂。热处理工艺热处理工艺主要包括：淬透性、淬硬性、回火稳定性、脱碳倾向、过热敏感性淬火变形与开裂倾向等。对模具材料的热处理工艺的要中要求模具材料有高的淬透性和淬硬性，较高的耐回火性，脱碳倾向和热过敏性要小，淬火变形与开裂倾向要小。5.3冷作模具材料的选用选择冷作模具材料的基本原则是：首先满足模具的使用性能要求，在此基础上兼顾到模具材料的工艺性和经济型。在确定模具的使用性能时，应从模具结构，工作条件，工件的材质、形状及尺寸，加工精度，生产批量等方面综合考虑并借鉴行业的成功经验。6、 冷作模具材料的热处理冷作模具热处理效果直接关系到模具的使用性能和使用寿命。所以，在材料选定后，必须对冷作模具材料制定合理的热处理工艺。6.1冷作模具的制造工艺路线常用的冷作模具制造工艺路线有以下四种：一般冷冲压成型模具制造的工艺路线：下料T锻造T球化退火T机械加工成型T淬火与回火T精机加工—钳工修配、装配热处理后进行成型磨削及电加工成型的冷作模具的加工工艺路线：下料T锻造T球化退火T机械粗加工―淬火与回火T精加工成型T除应力回火T钳修装配复杂的成型冷作模具的加工工艺路线:下料T锻造T球化退火T机械粗加工―高温回火或调质T淬火与回火T精加工成型T钳修装配旧模翻新的加工工艺路线：高温回火T机加工成型T淬火与回火T钳修装配6.2冷作模具的基本热处理工序冷作模具只有通过合适的热处理工艺才能达到使用性能要求。冷作模具常用的基本热处理工序包括正火、退火、调质、淬火、回火、渗碳、氮化等。淬火与回火是冷作模具的最终热处理，它直接决定着模具的使用性能。在确定淬火与回火的工艺时考虑以下几个方面：合理选择淬火加热温度合理选择淬火保温时间合理选择淬火冷却介质采用合适的淬火加热保护措施6.3冷作模具钢的强韧化处理工艺提高冷作模具钢的强韧性是提高模具钢的强度和韧性的组合，这对提高模具的寿命大有益处。冷作模具钢的强韧化处理工艺主要包括：低淬低回、高淬高回、微细化处理、等温淬火和分级淬火等。低淬低回低淬低回降低了钢的硬度和脆断倾向，增加了钢的韧性和冲击疲劳抗力。高淬高回高淬高回提高了钢的淬透性，增加了钢的耐磨性和韧性。微细化处理微细化处理包括钢中基体组织的细化和碳化物的细化。集体组织的细化可以提高钢的强韧性，碳化物的细化不仅能提高钢的强韧性，而且增加钢的耐磨性。冷作模具钢的分级淬火和等温淬火分级淬火不仅能减少模具的变形和开裂，而且能提高冷作模具钢的强韧性。6.4主要冷作模具的热处理特点6.4.1冷冲裁模具的热处理特点对于薄板冲裁模，应具有高的精度和耐磨性，因此，在工艺上应保证模具热处理变形小、不开裂和高硬度。通常根据模具材料钢种采用不同的热处理方法，如延时淬火、碱浴淬火、等温淬火、硝盐淬火等措施。(2)对于重载冲裁模，其主要的饿失效形式是崩刃、折断。因此，重载冲裁模的特点是保证模具有高的强韧性，在进一步提高模具的耐磨性，通常进行强韧化处理。对于冷剪刀，一般采用热浴淬火，以减少淬内应力，提高刃口抗冲击能力。对于大型剪刀采用热浴淬火有困难时，可采用油冷至200°s250。C冷至80°s140。C,立即进行回火，最后再进行正式回火。对于成型剪刀，可采用贝氏体等温淬火、马氏体等温淬火或马氏体分级淬火。大多数冷冲裁模使用状态为淬火加回火。为了提高模具的耐磨性和使用寿命，常进行表面处理，如氮碳共渗、渗硼等。6.4.2冷镦模具的热处理特点对于碳素工具钢制冷镦凹模，常用喷水淬火法。喷水淬火法与整体淬火相比，韧性高，硬度均匀硬化层沿凹模型腔均匀分布，这样可以避免过早开裂，提高模具寿命。冷镦模必须充分回火，回火保温时间应在两个小时以上，并进行多次回火，使其内应力全部释放，特别是整体结构模具。采用中温淬火加中温回火，以获得最佳的强韧性组合。采用快速加热工艺，以获得细小的奥氏体晶粒，减少淬火变形，提高模具韧性。采用表面处理，如渗硼等，以提高模具的耐磨性和抗咬合的能力。6.4.3冷挤压模具的热处理特点冷挤压模具应具有高的硬度、高耐磨性、高的抗压强度、高的强韧性，一定的耐热疲劳性和足够的回火抗力，其热处理特点如下：(1)对于易断裂或胀裂、回火应力和耐磨性要求不高的冷挤压模具，一般采用常规淬火温度的下限温度淬火，以获得细小的马氏体，再经过回火即可得到高的强韧性。高碳高铬钢制的冷挤压模具，淬火后残余奥氏体量较多，一般采用较时间的回火或多次回火，以控制和稳定残余奥氏体量，消除应力，提高韧性，稳定尺寸。采用表面强化处理，以提高耐磨性和抗咬合能力。在使用过程中进行低温淬火，以消除使用过程中产生的应力。6.4.4冷拉伸模具的热处理特点冷拉伸模具应具有高的硬度，良好的耐磨性和抗黏附的能力。为保证性能的要求，在制定和实

施热处理工艺时应注意以下两点。要避免模具表面氧化脱碳，以避免淬火后出现硬度不足或出现软点。进行表面处理，如渗氮、渗硼等，以提高耐磨性和抗黏附性能。结束语：冷作模具的结构和工作条件各不相同，我们在选用模具材料的时候要以生产批量、零件材料的种类、加工工艺性能等为依据。并且还要充分了解冷作模具材料的性能以及它们的优缺点，根据不同的组织性能选用合理的热处理方案，以完善它的不足，从而达到提高模具寿命的目的。在发展模具水平的时候，我们要把模具的材料性能和模具的热处理有机的结合起来，因为热处理能从微观上改变模具内部的组织性能，或改变模具表面组织，以