冲压模具材料的要求及选用

冲压模具材料的要求及选用冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷，甚至在较高的温度下工作（如冷挤压），工作条件复杂，易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。因此，对模具工作零件材料的要求比普通零件高。由于各类冲压模具的工作条件不同，所以对模具工作零件材料的要求也有所差异。冲裁模材料的要求对于薄板冲裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度，而对厚板冲裁模除了要求具有高的耐磨性、抗压屈服点外，为防止模具断裂或崩刃，还应具有高的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性。拉深模材料的要求要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性（抗咬合性）、高的耐磨性和硬度、一定的强韧性以及较好的切削加工性能，而且热处理时变形要小。冷挤压模材料的要求要求模具工作零件有高的强度和硬度、高耐磨性，为避免冲击折断，还要求有一定的韧性。由于挤压时会产生较大的升温，所以还应具有一定的耐热疲劳性和热硬性11.2.2冲压模具材料的种类及特性制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。碳素工具钢在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。低合金工具钢低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV（代号CH-1）、6CrNiSiMnMoV（代号GD）等。高碳高铬工具钢常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2）,它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔（轴向镦、径向拔丿改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。高碳中铬工具钢用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。高速钢高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5Cr4V2（代号6-5-4-2,美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒高速钢6W6Mo5Cr4V（代号6W6或称低碳M2）o高速钢也需要改锻，以改善其碳化物分布。基体钢在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。硬质合金和钢结硬质合金硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用含钴量较低的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、钼、钨、钒等丿做粘合剂，以碳化钛或碳化钨为硬质相，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达68~73HRC。11.2.3冲压模具材料的选用及热处理要求一.冲裁模具材料的选用及热处理要求选用冲裁模具材料应考虑工件生产的批量，若批量不大就没有必要选择高寿命的模具材料；还应考虑被冲工件的材质，不同材质适用的模具材料亦有所不同。对于冲裁模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。常用冲压模具钢材耐磨性的劣优依次为碳素工具钢一合金工具钢一基体钢一高碳高铬钢一高速钢一钢结硬质合金一硬质合金。此外还必须考虑工件的厚度、形状、尺寸大小、精度要求等因素对模具材料选择的影响。传统模具用钢

长期以来，国内薄板冲裁模用钢为T10A、CrWMn、9Mn2V、Cr12和Cr12MoV等。冲压模具材料的要求及选用其中T10A为碳素工具钢，有一定强度和韧性。但耐磨性不高，淬火容易变形及开裂，淬透性差，只适用于工件形状简单、尺寸小、数量少的冲裁模具。冲压模具材料的要求及选用T10A碳素工具钢的热处理工艺为：760~810°C水或油淬，160~180°C回火，硬度59~62HRC。CrWMn、9Mn2V是高碳低合金钢种，淬火操作简便，淬透性优于碳素工具钢，变形易控制。但耐磨性和韧性仍较低，应用于中等批量、工件形状较复杂的冲裁模具。CrWMn钢的热处理工艺为：淬火温度820~840°C油冷，回火温度200°C,硬度60~62HRC。9Mn2V钢的热处理工艺为：淬火温度780~820°C油冷，回火温度150~200°C,空冷，硬度60~62HRC。注意回火温度在200~300°C范围有回火脆性和显著体积膨胀，应予避开。Cr12和Cr12MoV为高碳高铬钢，耐磨性较高，淬火时变形很小，淬透性好，可用于大批量生产的模具，如硅钢片冲裁模。但该类钢种存在碳化物不均匀性，易产生碳化物偏析，冲裁时容易出现崩刃或断裂。其中，Cr12含碳量较高，碳化物分布不均比Cr12MoV严重，脆性更大一些。Cr12型钢的热处理工艺选择取决于模具的使用要求，当模具要求比较小的变形和一定韧性时，可采用低温淬火、回火（Cr12为950~980°C淬火，150~200°C回火；Cr12MoV为1020~1050°C淬火，180~200°C回火）。若要提高模具的使用温度，改善其淬透性和红硬性，可采用高温淬火、回火（Cr12为1000~1100°C淬火，480~500°C回火；Cr12MoV为1110~1140°C淬火,500~520°C回火）。高铬钢在275~375°C区域有回火脆性，应予避免。常用模具新钢种为了弥补传统模具钢种性能的不足，国内开发或引进了以下性能较好的冲压模具用钢：（1丿Cr12Mo1V1（代号D2）钢为仿美国ASTM标准中的D2钢引进的钢种，属Cr12型钢。由于D2钢中Mo、V含量增加，细化了晶粒，改善了碳化物的分布状况，因此D2钢的强韧性（冲击韧度、抗弯强度、挠度）比Cr12MoV钢有所提高，耐磨性和抗回火稳定性也比Cr12MoV更高。可用深冷处理，提高硬度并改善尺寸稳定性。用D2钢制作的冲裁模具寿命要高于Cr12MoV钢模具。D2钢的锻造性能和热塑成形性比Cr12MoV钢略差，机械加工性能和热处理工艺与Cr12型钢相似。（2丿Cr6WV钢为高耐磨微变形高碳中铬钢，碳、铬含量均低于Cr12型钢，碳化物的分布状态较Cr12MoV均匀，具有良好的淬透性。热处理变形小，机械加工性能较好。抗弯强度、冲击韧度优于Cr12MoV,只是耐磨性略低于Cr12型钢。用于承受较大冲击力的高硬度、高耐磨板料冲裁模，其效果好于Cr12型钢。钢的常用热处理工艺为：淬火温度9701~000°C,—般可热油或硝盐分级淬火冷却，尺寸不大的部件可采取空冷。淬火后应立即回火，回火温度160210~°C,硬度58~62HRC。（3丿Cr4W2MoV钢也是高耐磨微变形高碳中铬钢，替代Cr12型钢而研制的钢种，碳化物均匀性好，耐磨性高于Cr12MoV，适于制作形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具，可用于硅钢片冲裁模。Cr4W2MoV钢的热处理工艺：要求强度、韧性较高时，采用低温淬火、低温回火工艺：淬火温度960~980°C,回火温度280~320°C,硬度60~62HRC。要求热硬性和耐磨性较高时，采用高温淬火、高温回火工艺：淬火温度1020~1040°C,回火温度500~540°C，硬度60~62HRC。（4）7CrSiMnMoV（代号CH-1）钢为空淬微变形低合金钢、火焰淬火钢，可以利用火焰进行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火温度（800~1000°C）,具有良好的淬透性和淬硬性（可达60HRC以上），强度和韧性较高，崩刃后能补焊。可代替CrWMn、Cr12MoV钢，制作形状复杂的冲裁模。CH-1钢的推荐热处理工艺，淬火温度900~920°C,油冷,190~200°C回火1~3小时，硬度58~62HRC。（5丿6CrNiSiMnMoV（代号GD）钢为高韧性低合金钢，淬透性好，空淬变形小，耐磨性较高。其强韧性显著高于CrWMn和Cr12MoV钢，不易崩刃或断裂。尤其适用于细长、薄片状凸模及大型、形状复杂、薄壁凸凹模。GD钢的推荐热处理工艺，淬火温度870~930C（900°C最佳），盐浴炉加热（45s/mm）,油冷或空冷、风冷,175~230°C回火2小时，硬度58~62HRC。由于空冷即可淬硬，也可采用火焰加热淬火。(6丿9Cr6W3Mo2V2(代号GM)钢为高耐磨高强韧合金钢，各项工艺性能良好，其耐磨性、强韧性、加工性能均优于Cr12型钢，能够用于高速压力机冲压下的多工位级进模等精密模具，是较理想的耐磨、精密冲压模具用钢。GM钢的热处理工艺：淬火温度1080~1120°C,硬度64~66HRC。回火温度540~560°C,回火二次。(7丿Cr8MoWV3Si(代号ER5)钢属高耐磨高强韧合金钢，具有较好的电火花加工性能，强度、韧性、耐磨性都优于Cr12型钢，适用于大型精密冲压模具。用于硅钢片冲裁模，一次刃磨寿命为21万次，总寿命高达360万次，是目前合金钢冲模冲裁硅钢片的较高寿命水平。ER5钢的推荐热处理工艺：对高耐磨性、高强韧性的模具，采用1150C淬火，520~530C回火3次；对重载服役条件下的模具，采用1120~1130°C淬火,550°C回火3次。3，硬质合金及钢结硬质合金当工件的批量极大时，可以考虑选用硬度和耐磨性比各类模具钢种更高的硬质合金或钢结硬质合金。用作模具材料的硬质合金为钨钴类，随着含钴量的增加，韧性及抗弯强度提高而硬度降低。对于承受冲击力较小的模具，可以选用含钴量较低的YG10X;承受冲击力中等或较大的模具，可以选用含钴量较高的YG15或YG20。硬质合金的缺点为韧性较差、难以加工，作为模具的冲压模具材料的要求及选用工作部件可以设计为镶拼结构。钢结硬质合金的性能介于硬质合金和高速钢之间，能够机械加工和热处理，可以用于制作复杂的高寿命模具。用作冲裁模的钢结硬质合金有DT、GT35、TLMW50、GW50等。厚板冲裁模具厚板冲裁模承受的冲压力高于薄板冲模，为重载冲裁模，易磨损、崩刃和断裂，所以要求模具材料应具有高的耐磨性和强韧性。传统模具用钢传统的重载冲裁模具钢种主要有T8A、Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。其中T8A为碳素工具钢，虽然淬透性、韧性比T10A钢有所改善，但易残存网状碳化物、热硬性差，只能用于工件批量较小的中厚冲裁模。T8A工具钢的热处理工艺为：790~820°C水或油淬，160~180°C回火,硬度58~61HRC。W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2为高速工具钢，具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，但韧性较低，工作时有可能产生崩刃或断裂，而且价格较贵。建议采用低温淬火、快速加温淬火等工艺措施来改善其韧性。对于工件批量较大的厚板冲裁模，可以用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢做凸模,Cr12MoV钢做凹模。W18Cr4V钢的推荐热处理工艺：1220~1250°C淬火;550~570°C回火3次。W6Mo5Cr4V2钢的推荐热处理工艺：1160~1200°C淬火:550~570°C回火3次。常用模具新钢种为了克服高速工具钢的缺点，提高使用寿命，重载冲裁模具可选用降碳降钒高速钢6W6Mo5Cr4V(6W6)和以高速钢成分为基础，添加少量的其它元素构成的高强韧性模具钢一基体钢，如65Nb钢、LD钢、012AL钢、CG-2钢等等。(1)6W6Mo5Cr4V(6W6)钢为高强韧性高速钢，由于降低了碳化物的含量和分布均匀性，使其在保持硬度和耐磨性的同时，抗弯强度、冲击韧性和塑性都有显著提高，虽然耐磨性略低，仍可用低温氮碳共渗提高表面硬度和耐磨性。其热处理工艺和高速钢W6Mo5Cr4V2相似。(2)6Cr4W3Mo2VNb(65Nb)钢65Nb钢取自W6Mo5CrV2钢正常淬火后的基本成分，碳含量比高速钢低，碳质量分数的中限为0.65%,故名65Nb。各合金元素在钢中的作用和在高速钢中相似，另加入3%的Nb可形成高稳定性的碳化物NbC,能有效阻止奥氏体晶粒长大，改善钢的力学性能和工艺性能。这种钢具有较好的耐磨性和较强的高温韧性，可以代替Cr12MoV、W18Cr4V钢，用于重载冲裁模和冷挤压模、冷镦模。65Nb钢锻造和退火工艺性能良好，热处理温度范围宽，淬火温度可以在1080~1180°C,回火温度在520~600°C之间选择。当采用比W6Mo5CrV2钢正常淬火温度低的温度淬火后，其组织为在碳含量较低的马氏体基体上均匀分布有细粒状未溶碳化物。通过热处理参数的调整，可以得到不同的强度、韧性、耐磨性配合，以适合不同模具的性能要求。65Nb钢的热处理工艺：1080~1180°C盐浴炉加热(15~20s/mm)油淬，520~560°C回火2次,硬度57~63HRC。(3)7Cr7Mo2V2Si(LD)钢LD钢含碳、含钴量高于65Nb,含钒量也较高。钒可细化晶粒，提高耐磨性。因此其抗压、抗弯强度和耐磨性均高于65Nb由于具有良好的强韧性和耐磨性，因而适于制造各种重载模具。LD钢的推荐热处理工艺：850°C预热,1100~1150°C淬火；油冷后530~570°C回火2~3次，每次1~2小时，硬度57~63HRC。（4丿5Cr4Mo3SiMnVAL（012AL）钢012AL钢中加入质量分数为0.3~0.7%的铝，目的是为了细化晶粒，提高钢的冲击韧性和热加工塑性，加Si则为了强化基体。012AL钢强韧性高，综合性能好，通用性强，是冷、热兼用型模具钢。其抗弯强度及挠度高于W18Cr4V高速钢，代替高速钢作模具时很少发生折断现象。可以用作中厚板料冲裁模具和各类冷、热作模具。012AL钢的推荐热处理工艺：1090T120°C盐浴炉加热（30s/mm）油淬，510°C回火2次,每次油冷2小时,硬度60~62HRC。（5丿6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2）钢CG-2钢在成分中加Ni，强化了基体，改善了韧性和高温性能。同时增加M减少W，以降低碳化物的偏析。CG-2钢具有高的强度和强韧性，在热处理到高硬度时仍能维持良好的韧性，较好地解决了高硬度与韧性的合理配合。但锻造塑性较差，退火后硬度偏高。亦可用作中厚板料冲裁模具和各类冷、热作模具。CG-2钢的热处理工艺：淬火温度1100T140°C加热（20s/mm）,油冷,540°C回火2次，每次2小时，空冷，硬度60~62HRC。二.拉深模具材料的选用及热处理要求表11.2.1各种板料适用的拉深模材料由于拉深模具的失效主要为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主。因此选用的模具材料必须具有较高的耐磨性和抗粘附性能，以及足够的强度。按被拉深材料考虑适用的拉深模材料可以参考表11-1。选用时还应考虑被拉深材料的板料厚度、拉