《金属材料与模具材料》-第10章

10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求

冷作模具材料是指制造在冷状态(常指室温)下进行压制成型的模具，典型的冷作模具有冷冲裁模、冷变形模、冷挤压模、冷镦模等。由于各类冷作模具的工作条件不同，其失效形式和对制造冷模具的材料性能要求也就不同。对冷模具材料的主要性能要求有强度、硬度、韧性和耐磨性。下一页返回10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求10.1.1冲裁模冲裁模是使板料分离从而获得冲压件的模具，常用的有落料模、冲孔模、切边模、切口模、剖切模等。

1.工作条件及主要的失效形式冲裁模的工作对象是钢板、有色金属板材或其他板材，主要工作部位是凸模和凹模的刃口部分。冲裁时，凸模切入板料，其过程如图10-1所示，同时板料被挤入凹模洞口，冲裁力集中在刃口附近的狭小范围内，使模具的刃口端面和侧面与板料强烈产生的挤压和摩擦。同时，还要承受冲击力、剪切力和弯曲力的作用如图10-2所示。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求

通常凸模承受的压力大于凹模，尤其在冲裁中、厚钢板或者在厚钢板上冲裁小孔时，凸模所承受的单位压力很大。冲裁模失效形式主要是磨损。从磨损机理上看，主要是黏着磨损，同时也伴随有磨粒磨损和疲劳磨损;从磨损的部位考虑，可分为刃口磨损、端面磨损和侧面磨损三种。由于凸模的受力较大，且在一次冲裁过程中经受两次摩擦过程(进入和离开各一次)，磨损较快。随模具使用时间的增加磨损会使模具的间隙增大、刃口也由锋利变圆钝，甚至会产生模具表面层的脱落，当磨损达到一定程度时，就会使冲裁件的尺寸超差、毛刺超过规定要求等。当冲压件厚度大或具有较强的磨粒磨损作用时，则会加速模具的磨损。生产中常用磨削的方法使刃口重新锋利。但经过多次刃磨后，凸模变短，凹模变薄，直至无法工作而失效。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求2.性能要求依据上述分析，冲裁模的主要性能要求是高的硬度和耐磨性，足够的抗压、抗弯强度和适当的韧性。由于被冲板料厚度不同，对其性能要求有所差异。对于薄板冲裁模(冲裁厚度不大于1.5mm)，冲裁模受载荷较小，只有在热处理不当或操作失误的情况下，才可能出现脆性断裂失效;所以，以高耐磨性、高精度要求为主;对于厚板冲裁模(板厚大于1.5mm)，则受载荷较大，其失效形式除了磨损以外，还可能发生塑性变形、断裂或崩刃等失效。除需要高耐磨性外，还应具有良好的强韧性。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求10.1.2变形模变形模是使金属板材产生塑性变形，使之成为一定尺寸、形状产品的模具。这类模具主要包括拉深模、弯曲模、成型模等。1.工作条件及主要失效形式变形模的工作对象是钢板、有色金属板材和其他板材，依靠模具使金属坯料产生塑性变形而获得所需的形状。变形模凸模、凹模和压边圈的工作部位均无锋利的尖角，模具零件的受力不像冷冲裁模那样限定在较小的范围内，凸模和凹模之间的间隙一般比板材厚度大，模具工作时受载相对冲裁模要轻，模具较少出现应力集中。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求

模具在工作时不易产生偏载，所承受的冲击力很小，但材料在模具内变形流动，模具表面受到强烈的摩擦。凹模主要承受径向张力和摩擦力，凸模主要承受轴向压力和摩擦力的作用。其中，模具受到的摩擦力十分强烈，因而这类模具的主要失效形式是磨粒磨损和黏着磨损，有时还会产生咬合、擦伤、变形等失效形式。从失效部位上看，在凹模和压边圈的端面、凸模和凹模的圆角半径处，特别是在压边圈口部和凹模端面圆角半径以外的区域产生黏着磨损的情况最为严重。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求

在模具的工作过程中，除了严重磨损外，在其工作表面上的某些局部位置，所受到的载荷较重，承受的挤压力较大，受摩擦后模具的表面温度升高。在高温和高压的共同作用下，模具表面可与金属坯料产生“黏附”(咬合)，即在温度和压力作用下，模腔局部表面可与坯料发生焊合，使小块坯料黏附在模腔表面形成坚硬的小瘤，这些小瘤将使制品表面产生划痕和擦伤。降低制件的表面质量。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求2.性能要求主要性能要求有高硬度和高耐磨性，一般凸模硬度为58~62HRC，凹模为6254HRC，还要具有良好的抗咬合性。对变形模的耐磨性要求稍低，一般凸模硬度为5458HRC，凹模为56~60HRC，但要求具有较高的韧性。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求10.1.3冷挤压模冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，使其产生塑性变形从而形成所需形状和尺寸产品的模具。

1.工作条件及主要失效形式冷挤压分为正向挤压、反向挤压、复合挤压和径向挤压四种类型，如图10-3所示。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求

在进行冷挤压加工时，金属坯料受到强烈的三向压应力作用，变形抗力大模具承受强大的挤压力(来自金属坯料的反作用力)，一般在挤压钢材时，正向挤压力为2000~2500MPa，反向挤压力为3000~3500MPa;在挤压有色金属材料时，其挤压力也会达到1000MPa。在模具的作用下，金属坯料沿凸、凹模间隙或凹模模口产生剧烈流动，变形位移大，同时产生很大的摩擦力。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求

因此，模具不仅受到强大的挤压力作用，而且还受到坯料塑性变形流动的剧烈摩擦，由摩擦功和变形能会转化为热能，产生挤压中的热效应，导致模具的局部表面可达400℃以上的高温。凸模比凹模的工作条件更苛刻，如果毛坯端面不平整，凸模与凹模之间的间隙不均匀或中心线不一致等，还会使凸模在挤压时受到很大的弯曲应力的作用。因此，冷挤压凸模的失效形式主要是断裂、塑性变形及磨损;凹模的主要失效形式是胀裂及磨损。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求2.性能要求根据以上分析，冷挤压模必须具有高的强韧性，良好的耐磨性。一般凸模要求硬度为61~63HRC，凹模要求硬度为58~62HRC。由于冷挤压时产生较大的升温，所以还应具有一定的冷热疲劳抗力和热硬性。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求10.1.4冷镦模冷镦模是在冲击力的作用下使金属棒料在模具型腔内镦成所需零件的模具，主要用于紧固件、滚动轴承、滚子链条、汽车零件的成型。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求1.工作条件及主要的失效形式冷镦模具工作条件差，在冷镦加工过程中，金属坯料在受到强烈地镦击的同时，模具也同样受到短周期强烈冲击载荷的作用。由于是在室温条件下工作的，塑性变形抗力大，工作环境差，凸模承受的冲击压应力最大可超过2500MPa，并且冲击频率很高(60~120次/min)。凸模承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，凹模的型腔表面和凸模的工作表面还受到剧烈的冲击性摩擦，产生的温度可达300℃。此外，由于坯料的硬度不均、端面不平，冷镦机精度不够等原因，还使凸模受到弯曲应力。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求

冷镦模的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。其中，磨损失效有磨粒磨损、表面损伤、冲击磨损等多种失效形式，特别是凸、凹模工作表面在冲击力的作用下，表面会产生剥落而出现麻坑。而由磨损所造成的表面损伤、麻坑、擦伤沟痕等，均可能成为疲劳的裂纹源，从而导致模具的疲劳断裂。除此之外，还可能产生凸模的塑性变形(例如凸模镦粗)和折断;引起凹模的模口胀大、棱角堆塌、腔壁胀裂等损伤，而使模具失效。下一页返回上一页10.1冷作模具材料的工作条件与性能要求2.性能要求要求有足够的硬度(凸模为60~62HRC，凹模为58~60HRC)、高的抗压强度和高的冲击韧性。尤其是冷镦凹模，要求有良好的强韧性配合，因此整个截面不能淬透，硬化层深度一般控制在1.5~4mm。硬化层深度过深，易碎裂、崩块;硬化层深度过浅，模腔易磨损、拉毛、黏模而使工件精度下降。返回上一页10.2冷作模具用钢

冷作模具钢是应用最广泛和使用量最大的模具材料。冷作模具钢以高碳合金钢为主，属热处理型钢，碳素工具钢应用较少。以合金工具钢、高速工具钢、基体钢、硬质合金、钢结硬质合金、粉末高速工具钢、粉末高合金模具钢、结构钢、锌合金和增强塑料等应用较多其主要性能要求有强度、硬度、韧性和耐磨性，常用的冷作模具钢按工艺性能和应用分类见表10-1所示。下一页返回10.2冷作模具用钢10.2.1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钢。表10-2是几种典型碳素工具钢与GCr15钢的成分和相对性能。碳素工具钢价格便宜，原料来源广，加工性能良好，淬火温度低，经热处理后具有较高的硬度和较好的耐磨性。与其他冷作模具钢相比，锻造工艺性较好，易退火软化，便于加工制成模具。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢

存在的主要缺陷是淬透性低，模具截面尺寸大于15mm，水冷也不能淬透，热硬性、耐磨性差，淬火温度范围窄，变形开裂的倾向大，模具使用寿命短。因此，碳素工具钢只适宜制造尺寸较小，形状简单、受载较轻、生产批量不大的冷作模具。其中T10A钢是力学性能较好、应用最广，适合制作要求耐磨性较高，而承受冲击载荷较小的冲裁模或成型模等;T7A钢的耐磨性不如T10A钢，但具有较好的韧性，适合制作易脆断的小型模具或承受冲击载荷相对较大的模具;T12A适于制作要求高硬度、高耐磨性，但韧性要求不高的切边模和冲孔模等。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢GCr15钢是典型的轴承钢，因添加一定量的Cr，因此淬透性、硬度和耐磨性等的综合性能都优于碳素工具钢，接触疲劳强度也高。适于制作精度要求较高的小尺寸落料模、冷挤压模、冷镦模、搓丝模和成型模等。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢10.2.2低变形冷作模具钢低变形冷作模具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素而发展起来的。通常加入的合金元素有Cr、Mn、Si、W、V等。其主要作用是提高淬透性，减小淬火变形、开裂，形成特殊碳化物，细化晶粒，提高回火稳定性。因此，这类钢的韧性、耐磨性、热硬性都比碳素工具钢高，使用寿命也较碳素工具钢长。低变形冷作模具钢的化学成分及基本特点见表10-3，其中CrWMn和9Mn2V是典型钢种。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢1.CrWMn钢由于有多种元素的共同作用，CrWMn钢淬透性好，淬火变形小。生产中，模具尺寸在￠400~￠500mm以下时，在油中即可淬透。又由于含有W，这种钢在淬火和低温回火后含有较多的钨的碳化物，所以硬度高(可达64HRC以上)，耐磨性良好。此外W还有助于保存细小晶粒，从而使钢获得较好的韧性。所以CrWMn钢制成的刃具的崩刃现象较少，并能较好地保持刀刃形状和尺寸。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢CrWMn钢的淬透性、淬硬性、强韧性、耐磨性及热处理变形性均优于碳素工具钢，是使用较为广泛的冷作模具钢。主要用于制造变形小、形状较复杂的轻载冲裁模(冲裁板厚小于2mm)，轻载拉延、弯曲和翻边模等。由于CrWMn钢对网状碳化物比较敏感，当钢中存在网状碳化物时会使模具刃部有剥落的危险，从而缩短模具的使用寿命。因此钢中有网状碳化物时，必须根据其严重程度进行锻压、退火和淬火，并选用碳化物超细化处理工艺。也可以选用MnCrWV或9CrWMn钢替代。MnCrWV钢的综合性能优良;9CrWMn钢的塑性、韧性较好，但耐磨性较低。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢2.9Mn2V钢

9Mn2V钢是不含Cr的冷作模具钢，其中Mn的质量分数高达1.7%~2%，主要是为了提高钢的淬透性，但晶粒易长大。9Mn2V钢是一种综合力学性能优于碳素工具钢的低合金工具钢，具有较高的硬度和耐磨性，淬火变形较小，淬透性很好。加入少量的饥，可以抑制晶粒长大，细化了晶粒，克服锰的过热倾向，同时使二次碳化物细小且分布均匀。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢9Mn2V钢适于制造各种精密量具、样板，也广泛用于冲件厚度小于4mm的冲模及尺寸较小的弯曲模、落料模等。用它代替T10A，不仅可以减小热处理变形，还可大大提高模具寿命(比碱浴淬火的T10A钢提高50%~150%)。对于中小模具，该钢还可以代替CrWMn。

9Mn2V钢中碳化物细小均匀，冷、热加工工艺性都较好，但淬透性、淬硬性、耐回火性和强度稍低于CrWMn钢，并有明显的低温回火脆性。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢10.2.3高耐磨微变形冷作模具钢低变形冷作模具钢的性能虽然优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性、变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的要求。对于形状复杂的重载冷作模具，必须采用性能更好的模具钢，高耐磨微变形冷作模具钢就是其中一类。高耐磨微变形冷作模具钢是一种高合金冷作模具钢，自20世纪70年代开始用于冷作模具，现已成为重载冲头的基本材料

表10-4为高耐磨微变形冷作模具钢的化学成分及基本特点。其中(Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1和Cr4W2MoV是常用钢种。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢1.Cr12型钢

Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢，在热处理专业化厂对外加工的冷作模具钢中，Cr12型钢要占30%以上。Cr12型钢主要包括(Cr12、Cr12MoV和Cr12Mo1V1,属于高碳高铬类型的莱氏体钢。这类钢经热处理后，组织中含有大量弥散分布的铬的碳化物颗粒，使钢具有很高的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力仅次于高速钢。其淬透性也高，截面尺寸为300~400mm的模具在油中均可淬透。淬火变形小，通过调整淬火温度，可达到微变形程度。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢Cr12钢的含碳量高达2%以上。碳化物不均匀性严重，因此，脆性大，用于制造模具易产生崩刃和脆断，淬火加热时碳化物大量溶入奥氏体中，得到高硬度马氏体。由于其硬度很高，因而提高了钢的耐磨性。Cr12MoV钢的含碳量比Cr12钢少，并加入Mo、V，使钢中碳化物分布不均匀性明显改善，韧性提高。Cr12Mo1V1是研制的新钢种，由于Mo、V含量增加，其组织进一步细化，钢的耐磨性、强韧性较Cr12MoV要高，但锻造性能稍差，易断裂，退火软化也比较困难。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢

由于Cr12钢具有高硬度和良好的耐磨性，但脆性大、易断裂，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、拉丝模、搓丝板、拉深模、螺纹滚丝模等。而Cr12MoV和Cr12Mo1V1钢的脆断倾向较小，淬火时体积变化小，综合性能也优于Cr12钢，用于制造大截面、形状复杂的重载冷作模具，如切边模、落料模、滚边模、拉丝模等Cr12Mo1V1钢的模具寿命比Cr12MoV钢的模具寿命更长。有资料表明，Cr12Mo1V1钢的冲裁模、滚丝模的寿命是Cr12MoV钢的5~6倍。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢2.Cr4W2MoV钢

Cr4W2MoV钢是针对Cr12型钢的缺点而研制的新钢种，Cr含量比Cr12型钢减少2/3,属于高碳中铬钢。与Cr12型钢相比，碳化物颗粒细小，分布均匀，具有较高的淬透性和淬硬性，耐磨性相当，淬火变形小，尺寸稳定性好。

Cr4W2MoV钢主要用来替代Cr12型钢制造各种冲模、冷镦模、落料模、冷挤凹模及搓丝板等，并能提高模具寿命。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢10.2.4高强度高耐磨冷作模具钢高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2)是此类钢的典型钢种。高速钢的wC=0.7%~0.9%，合金元素总量大于15%。主要性能特点是具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，同时还具有很高的回火稳定性和热硬性。其承载能力位于各种传统的冷作模具钢之首。与Cr12MoV钢相比，韧性、耐磨性和扭转强度稍差。高速钢应采用低温淬火、快速加热淬火等工艺措施可以有效地改善其韧性，因此，用于制造要求重载荷、高使用寿命的冷作模具。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢1.W18Cr4V钢

W18Cr4V钢为钨系高速钢，是莱氏体钢，具有高硬度、高强度、高抗压性、高耐磨性和高热稳定性等特点。对于要求有高热强性的工具和热作模具一般可以选用W18Cr4V钢，其热处理范围较宽，淬火不易过热，热处理过程中不易氧化脱碳，磨削加工性能较好，W18Cr4V钢在500℃~600℃时，硬度分别保持在57~58HRC及52~53HRC，对于大多数的被加工材料具有良好的切削性能。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢W18Cr4V钢的主要缺陷是，轧材中存在大量的合金碳化物，并且聚集成带状、网状或块状。这种粗大而不均匀的碳化物用热处理的方法不能消除，只能用改锻的方法使之细化并分布均匀。其次，高速钢的价格昂贵，导热性差，热塑性不足，适于制作具有很高硬度、抗压强度和耐磨的加工硬质材料的模具。如冷挤压黑色金属的凸模，冷镦冲头，中厚钢板冲孔冲头(直径为10~25mm)，直径小于5~6mm的小凸模以及用于冲裁奥氏体钢、弹簧钢、高强度钢板的中、小型凸模和粉末冶金压模等重载冲头和冷挤压模具。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢2.W6Mo5Cr4V2钢

W6Mo5Cr4V2钢为钨钼系高速钢的代表，以Mo代替了部分W，使铸态莱氏体得到细化，轧制后碳化物不均匀程度较轻，粒度也细，因此该钢具有碳化物细小均匀、韧性高以及热塑性好等优点。由于资源与价格的优点，许多国家用W6Mo5Cr4V2钢代替W18Cr4V钢已成为主要的高速钢代表。W6Mo5Cr4V2钢的韧性、耐磨性以及热塑性等综合性能均优于W18Cr4V钢，硬度、热硬性和高温硬度与W18Cr4V钢相当，因此W6Mo5Cr4V2钢除用于制造各种类型的普通工具外，还可以制作大型及热塑性成型刀具;由于该钢强度高、耐磨性好，可制作高负荷下的耐磨损零件如冷挤压模具。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢10.2.5高强韧性冷作模具钢高强韧性冷作模具钢是用来制作冷挤压模、冷镦模、中厚钢板冲模的高碳高铬钢、高速钢等，由于韧性较低，在使用中易发生脆断，使用寿命短。为了提高上述冷作模具的寿命，研制出各种高韧性冷作模具钢。这类钢主要包括降碳高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢1.降碳高速钢

6W6Mo5Cr4V(6W6)钢又称降碳高速钢或低碳M2钢，是为了提高韧性而研制的一种降碳降钒的低碳高速钢类型的冷作模具钢。它与W6Mo5Cr4V2钢相比碳质量分数降低了20%、钒含量降低50%。因而，碳化物总量减少，不均匀性得到改善。6W6钢的淬透性好，有类似于高速钢的高硬度、高耐磨性、高强度和良好的热硬性，而韧性又比高碳高速钢高，通常用于制造冷挤压模具、拉深模具，用它来取代高速钢或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2~10倍。用于大规格的圆钢下料剪刀，可提高寿命数十倍。其主要缺陷是易产生脱碳，耐磨性稍差。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢2.基体钢基体钢是指具有高速钢正常淬火后基体成分的钢，与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物少，颗粒细小，分布均匀，韧性好，疲劳强度高，保持较高的耐磨性和热硬性，适用于冷作模具和热作模具。下面介绍3种基体钢，即65Cr4W3Mo2VNb(65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(LD)、SCr4Mo3SiMnVAl(012Al)钢。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(1)65Cr4W3Mo2VNh(65Nb)钢该钢的碳质量分数平均值为0.65%，故称65Nb。与W6Mo5Cr4V2钢淬火基体成分相比，碳、钨含量稍高，钼含量稍低，并加人少量的铌。Nb与C形成稳定性高的NbC，其尺寸小，分布均匀，强烈阻止奥氏体晶粒长大。因而该钢具有高速钢的强度、硬度和耐磨性，又有较好的韧性，钢的工艺性能也得到很大改善。而且，直径小于50mm的65Nb钢轧材不需改锻，仍可获得满意的性能和寿命。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢65Nb钢适于制作形状复杂的有色金属挤压模、冷冲模、冷剪模及挤压力小于2500MPa的黑色金属挤压模，也可用于轴承、标准件行业的冷镦模等。

65Nb钢对于挤压力超过2500MPa的黑色金属挤压模及要求耐磨性高的模具，其抗压屈服强度和耐磨性均显不足，这类问题，有些可以通过表面处理的方法来解决。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(2)7Cr7MoV2Si(LD)钢

LD钢是一种不含钨的基体钢。含碳量和含钒量都比65Nb高，并含有wSi=1%的硅，所以钢的淬透性、二次硬化能力和回火稳定性有了提高，淬火变形小，碳化物的分布和形态进一步改善，小规格(￠<50mm)的原材不需改锻。

LD钢在保持高韧性的情况下，其抗压、抗弯强度及耐磨性均比65Nb钢高。和其他模具钢相比，LD钢有更好的综合性能，因而适用于制造冷挤压模、冷镦模、冲压模和弯曲模等冷作模具，如轴承滚子冷镦模、标准件冷镦凸模等，其寿命比高铬钢和高速钢提高几倍到几十倍，见表10-5。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(3)5Cr4Mo3SiMnVAI(012A1)钢

012Al钢的wc

为0.47%~0.57%，在三种基体钢中是最低的。该钢强韧性高，抗热疲劳性好，是冷、热兼用型模具钢，在替代Cr12MoV及3Cr2W8V钢制作冷、热模具方面均取得很好效果，012Al钢的抗弯强度和挠度均高于W18Cr4V钢。所以，用012Al钢代替高速钢作模具时，很少发生脆断现象。

012Al钢用于冷作模具，主要代替Cr12MoV钢制作冷镦、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，见表10-6。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢3.低合金高强度钢基体钢虽然具有高强韧性和较好的耐磨性，但含合金元素总量大于10%，成本较高，淬火温度区间较窄，一般不能用箱式电阻炉加热淬火，从而限制了该类钢在中小企业的推广使用。GD钢是针对基体钢的上述缺陷而研制的新钢种。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(1)6CrNiSiMnMoV(GD)钢

GD钢属于低合金高强韧性冷模具钢，它的合金化特点是在CrWMn的基础上适当降低了碳质量分数，使碳化物偏析小，分布均匀，新增了镍、硅加强基体的强度和韧性，合金元素的总质量分数在4%左右。该钢主要力学性能如冲击韧度、断裂韧性和抗压屈服点显著优于CrWMn和Cr12MoV钢，而耐磨性略低于Cr12MoV，但优于CrWMn，见表10-7。此外，GD钢淬透性好，空冷可以淬硬;淬火变形小，易于改锻，也可不经改锻下料后直接使用。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢GD钢可代替CrWMn、Cr12、GCr15、9Mn2V、6CrW2Si、9SiCr等钢制作各种类型的易崩刃、易断裂的冷作模具，如冷挤、冷弯、冷镦模，精密塑料模，温热挤压模等，尤其适用于制作各种异形、细长薄片冷冲凸模、形状复杂的大型薄壁凸凹模、中厚钢板冲裁模及剪刀片等，模具寿命提高几倍到几十倍。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(2)7CrSiMnMoV(CH-1)钢

CH-1钢是主要供火焰加热表面淬火用的模具钢，所以又称火焰淬火冷作模具钢，可用于模具刃口部位。经氧-乙炔火焰加热到淬火温度，然后空冷即达到淬硬目的。其淬火温度范围宽，淬火变形小，过热敏感性小，硬度可达62~64HRC，无须再经其他处理。经火焰淬火处理的模具与碳素工具钢、低合金钢模具相比，具有较长的使用寿命，并可使模具生产周期缩短近10%，价格降低10%~20%，热处理节省能源80%左右，为冷冲裁模制造工艺实现高效、低成本、节能开辟了新的途径。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢CH-1钢具有良好的综合力学性能，一般用该钢取代T10A、9Mn2V、Cr12MoV等钢制作各类冷作模具，如薄板冲孔模、整形模、切边模、弯曲模、拉深模、冷镦模等。CH-1钢不易发生开裂、崩刃，模具寿命可提高3~4倍。由于该钢可以火焰淬火，解决了大型模具表面局部淬火的难题，特别适合制作多孔位、形状复杂的大型冷作模具，不仅精度高，同时制造工艺简单，制造成本低。此外，CH-1钢的可焊性好，还能满足冲模的焊接修补要求。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢10.2.6高耐磨、高韧性冷作模具钢高强韧性钢虽然克服了高铬、高速钢的脆断倾向，但由于钢中含碳量的减少，其耐磨性不如高铬钢和高速钢。对一些以磨损为主要失效形式的模具，高强韧性冷作模具钢仍满足不了要求。为此，研制了高耐磨、高韧性的冷作模具钢。典型钢种主要有9Cr6W3Mo2V2(GM)钢和CrBMoWV3Si(ERS)钢。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢1.9Cr6W3Mo2V2(GM)钢

GM钢是一种高硬度冷作模具钢，是制作精密、耐磨和高使用寿命冷作模具的新钢种，其主要性能均优于Cr12型钢。与Cr12MoV钢相比，GM钢中C及Cr含量减少一半，符合我国的资源特点。GM钢合金元素配比合理，未溶碳化物细小、弥散，加工性能良好。GM钢的综合性能、二次硬化能力强，耐磨性、韧性明显高于Cr12型钢，由于GM钢各项工艺性能好，所以具有最佳的耐磨性和强韧性配合，同时兼有良好的冷、热加工性和电加工性。因此，GM钢多应用于高速冲床多工位级进模、切边模、拉深模等方面，其使用寿命比65Nb、Cr12MoV钢提高2~6倍以上。在标准件和电器电机行业也有广泛的应用前景。如制作高强度螺栓滚丝模等。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢2.CrBMoWV3Si(ERS)钢

ERS钢是在美国专利钢种成分的基础上研制的新型冷作模具钢。与基体钢相比，提高了含碳量(wC=0.95%~1.10%)和碳化物元素的含量。但碳化物数量少，颗粒细小，分布均匀。因而ERS钢具有高耐磨性及高韧性，耐磨性比GM钢好，远远超过(Cr12MoV钢，强韧性优于Cr12MoV钢。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢ERS钢在冶炼、锻造、热处理、机加工和电加工等方面无特殊要求，生产加工工艺简单可行，材料成本适中，适用于制作大型重载冷镦模、精密冷冲模等。如用ERS钢制作的电机硅钢片冲模，总使用寿命达500万次，一次刃磨寿命为21万次，是国内硅钢片冲模最高寿命水平。又如，用ERS钢制作的大尺寸轴承滚子冷镦模使用寿命达1万次以上。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢10.2.7抗冲击冷作模具钢这类钢成分接近合金调质钢。主要合金元素是Mn、Si、Cr、W、Mo。由于成分相近，具有一些共同特点，如碳化物少、组织均匀，具有高抗弯强度、高冲击疲劳抗力、高韧性和良好的耐磨性。但也有抗压强度低、热稳定性差和淬火变形难以控制等缺陷。下面介绍典型钢种的特性。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢1.弹簧钢

60SitMn钢为普及型弹簧钢，早期应用于风铲、冲击钴探工具等，显示出优良的使用性能，如用于清理铸钢件的60SitMn钢风铲，刃磨后可连续使用一个班次，而在相同时间内，T8钢风铲需刃磨8~10次，现已成为标准件冷镦凸模的基本钢号。

60SitMn钢具有高屈服强度、高疲劳极限和优良的塑性等特点，而且价格低廉，热处理工艺简单，主要用于内、外六角螺栓成型、冷镦凸模、螺母冷镦模具，硬质合金凹模预应力套(48~52HRC)，并可应用于小型冲剪工具和各种风动工具及中、厚钢板穿孔凸模等。由于受到淬透性及耐磨性水平的限制，以小型凸模为主。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢2.耐冲击工具钢此类钢具有较高强韧性和耐磨性，既可作冷模具用钢，又可作耐冲击风动工具用钢。耐冲击工具钢主要有铬钨硅系钢。典型牌号即4CrW2Si、SCrW2Si和6CrW2Si。4CrW2Si钢渗碳淬火后具有外硬内韧的特点，承载能力及耐磨性均超过低淬透性冷作模具钢，主要用于制造大、中型重载冷镦冲头及精压模，冲裁切边复合模、冲模以及冷切用剪刀等冲剪工具以及部分小型热作模具。5CrW2Si钢综合力学性能良好，应用最广，主要制造大、中型重载冷剪刀片和中厚钢板穿孔冲头及风动工具等。6CrW2Si钢回火抗力、耐磨性稍高于5CrW2Si钢，但韧性较差，常用于失效形式为磨损和堆塌的重载冲模、压模。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢3.刃具钢

9SiCr钢中含有Si和Cr，所以具有高的淬透性和淬硬性。虽然9SiCr的淬透性不及CrWMn钢，但优于GCr15钢。9SiCr钢适于制造薄刃具和形状复杂的轻载冷冲模，如打印模、搓丝板等;也可部分取代Cr12MoV和SCrW2Si钢用于机械载荷较重的冷作模具，如厚钢板冲剪工具和冷镦模等。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢10.2.8其他类型冷作模具钢

1.特殊用途冷作模具钢这类钢主要有两类:一类为典型的耐蚀冷作模具钢，如9Cr18、Cr18MoV、Gr14Mo、Gr14Mo4;另一类为无磁模具钢，如1Cr18Ni9Ti、SCr21Mn9Ni4W、7Mn15Cr2A13V2WMo等。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(1)耐蚀冷作模具钢耐蚀冷作模具钢的成分特点是高碳高铬。淬火后，马氏体中C:的质量分数高达12%左右，既具有高的硬度和耐磨性，又具有良好的耐蚀性能，主要用来制造耐蚀塑料模。如9Cr18钢，它属于高碳高铬马氏体不锈钢，其耐蚀性能较低碳不锈钢差，但它的力学性能，特别是强度、硬度、耐磨性和切削性能显著提高，适宜制造承受高耐磨、高负荷以及在腐蚀介质下工作的塑料模具。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(2)无磁模具钢无磁模具钢包括奥氏体不锈钢和高锰系奥氏体钢，代表钢号有奥氏体不锈钢，1Cr18Ni9Ti钢;高锰系奥氏体钢，5Mn15Cr8Ni51Vb3V2钢、7Mn10Cr8Ni10Mo3V2钢以及7Mn15Cr2A13V2WMo钢等。奥氏体不锈钢，具有较高的抗晶间腐蚀性能。这类钢经固溶后呈单相奥氏体组织，因此在强磁中不产生感应，适宜制造无磁模具和要求耐蚀性能的塑料模具。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢

高锰系奥氏体钢在加热和冷却过程中无相变，始终保持奥氏体组织。所以导磁系数非常低，在磁场中不易被磁化。该钢导热性差，锻造时装炉温度不宜过高，需缓慢升温，保温时间要求足够长，以保证钢中碳化物充分固溶，该钢经固溶淬火时效处理后，还有较高的强度、硬度和耐磨性。主要用来制造无磁模具、无磁轴承及其他要求在强磁场中不产生磁感应的结构零件的成型。该钢还具有较高的高温强度和硬度，所以也可以用来制造在700℃~800℃下工作的热作模具。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢2.硬质合金硬质合金的种类很多，但制造模具用的硬质合金通常是金属陶瓷硬质合金和钢结硬质合金。

(1)金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金是将一些高熔点、高硬度的金属碳化物粉末(如WC、TiC等)和黏结剂(Co、Ni等)混合后，加压成型再经烧结而成的一种粉末冶金材料。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢

根据金属碳化物种类通常将其分为钨钴类硬质合金(YG)和钨钴钦类硬质合金(YT)。冷冲模一般使用的是钨钴类硬质合金。金属陶瓷硬质合金的共性是具有高的硬度、高的抗压强度和高的耐磨性，脆性大，不能进行锻造及热处理。主要用来制作多工位级进模、大直径拉深凹模的镶块、拉丝模、冷挤压模等。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢(2)钢结硬质合金钢结硬质合金是以难熔金属碳化物(如WC、TiC等)为硬质相，以合金钢为黏结剂，用粉末冶金方法生产的一种新型模具材料，其性能介于钢和硬质合金之间，具有金属陶瓷硬质合金的高硬度、高耐磨、高抗压性，又具有钢的可加工性和热处理性。以WC为硬质相的钢结硬质合金简称DT合金。它能承受较大负荷的冲击，同时还具有较好的抗热裂能力，不易出现崩刃、碎裂等，在退火软化后具有较好的切削加工性，可进行车、铣、刨、钴、攻螺纹等各种切削加工。DT合金和普通硬质合金一样可以进行电加工，如电火花加工和线切割加工等。它是较理想的工模具材料。下一页返回上一页10.2冷作模具用钢

因为粉末冶金件不可能压制得很大，所以用DT合金制作模具时，采用组合连接方法，即在模具工作部位镶装或用其他方法连接DT合金，其余部位采用一般钢材。常用的组合连接方法有镶套、焊接、黏结和机械连接等。

DT合金性能优越，越来越多的DT合金用来制造冷镦模、冷挤压模、冷冲裁模、拉深模等，使用效果良好。据不完全统计，在定转子冷冲裁模、落料模方面，DT合金模具比W18Cr4V、Cr12MoV模具寿命延长6~30倍，在民用五金行业的冷镦模、拉深模方面，DT合金模具比Cr12模具寿命延长10~32倍，从而使成本大幅度降低。但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。返回上一页10.3冷作模具材料的选用

冷作模具种类很多，形状结构差异很大，工作条件和性能要求也不同，冷作模具钢的选择必须综合各种因素合理选材。下一页返回10.3冷作模具材料的选用10.3.1冷作模具钢的选用原则选择冷作模具材料时，应遵守的原则是满足模具的使用性能要求;兼顾模具材料的工艺性和经济性。即要综合考虑模具的寿命、种类结构，工作条件，制品的形状、尺寸，材质性质，加工精度，生产批量等方面对模具的影响。在模具材料选定之后，还必须配以正确的热处理，这样才能保证模具的使用性能和寿命。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用

一般对于形状复杂、尺寸精度要求高的模具，应选用低变形模具钢;承受负荷大的模具，应选用高强度模具钢;承受强烈摩擦和磨损的模具，应选用高硬度、耐磨性好的模具钢;承受冲击负荷大的模具，应选用韧性高的模具钢。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用10.3.2常用冷作模具钢的选用

1.冲裁模模具钢的选用选用冲裁模模具钢时主要应考虑模具寿命，还要考虑冲压件的材质、形状、尺寸等因素。一般形状简单，载荷轻的冲裁模，采用成本低的碳素工具钢制造，只要热处理工艺适当，完全可以达到使用要求。形状复杂、尺寸较大、工作载荷较轻且要求热处理变形小的冲裁模，可选用低合金工具钢制造。对于大、中型模具，制造工艺复杂，加工成本高，下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用

因此选用高耐磨、高淬透性、变形小的高碳中铬钢、高铬钢、高速钢、基体钢以及高强韧性低合金冷作模具钢制造。对于大量生产的冷冲裁模，要求使用寿命高，可选用硬质合金、钢结硬质合金来制造。表10-8和表10-9为冲裁模及零件的选材举例及工作硬度的参考。在选用冷作模具材料时，一定要重视新模具材料的应用。其中Cr6WV、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV、GD、LD、GM、ERS、8Cr2MnWMoVS、65Nb和7CrSiMnMoV等替代一些老钢种可以获得良好的效果。表10-10是冷作模具钢在冷冲裁模方面的应用实例。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用2.变形模模具钢的选用这类模具选材时，主要考虑拉成型件的板料厚度、复杂程度、变形量、尺寸大小和生产批量对耐磨性和抗黏附性能的要求。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用

变形模具需要良好的耐磨性能和抗黏附性能。模具的耐磨性能好坏与被拉材料的种类、厚度、变形量、润滑方法以及模具的设计和加工精度等因素有关。因此，对这类模具钢的选择，应按照其具体工作条件来决定。对于中、小型模具，可选用质量较好的模具钢;对于大、中型模具，在满足模具使用性能要求的前提下，应尽量采用价格低廉的材料;对于大批量生产的模具或模具上磨损严重的部位，可采用镶嵌模块式的办法解决，即在合金铸铁模框中镶嵌质量较好的合金钢或硬质合金。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用

为了防黏附应选抗黏附性良好的钢作凹模，如铝青铜，拉深奥氏体不锈钢;用高碳中铬钢和高碳高铬钢作凹模材料，经抛光或渗氮，抗黏附性能也好;而硬质合金在无润滑条件下极易发生黏附，这些在选材时都应充分注意。根据工作条件推荐选用的拉深模材料见表10-11。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用3.冷挤压模模具钢的选用冷挤压模的选材，首先要考虑材料的承载能力是否满足模具高强韧性的要求;其次是考虑挤压件的生产批量大小对模具材料的耐磨性要求;另外，还要考虑材料的抗回火软化能力是否能承受挤压过程中所产生的热负荷。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用

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钢等这些材料使用过程都发现凸模易折断，凹模易胀裂，模具的使用寿命不高，这表明了模具材料的强韧性较差。新型模具钢如冷作模具用高速钢W6Mo5Cr4V2钢、高耐磨冷作模具钢LD钢、基体钢65Nb、012AI、LM2、GD钢、硬质合金和钢结硬质合金等可大大提高强韧性及模具的使用寿命。表10-12为冷挤压模具的材料选用举例及工作硬度要求。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用4.冷锹模模具钢的选用冷镦模具有生产效率高、节能、节材，零件的强度和精度高，适合大批量自动化生产的特点。其主要失效形式是由韧性不足引起的开裂或折断。冷镦模工作时，凸模承受强烈的冲击力、压力、弯曲应力、摩擦力及切向拉应力作用，因此，要求凸模材料应具有高的强韧性、抗弯强度及较高的耐磨性;凹模在工作时要承受冲击性的切向拉应力、强烈的摩擦和压力作用，因此，要求凹模材料必须具备高强度、高硬度、高耐磨性及高的冲击韧度。根据受载情况，冷镦模可分为轻载冷镦模和重载冷镦模。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用

轻载冷镦模主要用于生产形状简单、变形量小、变形速度低的冷镦件。对于这类模具，主要选用T10A、60Si2Mn、GCr15、9SiCr和Cr12MoV等钢种。T10A强韧性、耐磨性均不高，只适用于制作20mm以下，形状简单、受轻载、寿命要求不高的凸模和凹模。60Si2Mn钢，韧性较好，但耐磨性、屈服点不高，只适合制作轻载快速冷镦凸模和凹模。9SiCr属于低合金工具钢，耐磨性、强韧性都高于T10A，常用来制作截面较厚，形状较复杂的冷镦模具，标准件行业常用该钢制作冷镦凸模。下一页返回上一页10.3冷作模具材料的选用

重载冷镦模用于生产变形量较大、形状复杂的冷镦件，按照生产批量大小选择:对于中小批(<10万件)生产，选用Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2及新型冷作模具钢，如6W6、65Nb、012Al、LD、CH-1等钢种。对于大批量生产，可选用YG15、YG20和DT等硬质合金。硬质合金一般做成镶块，外附模套，模套材料可用合金结构钢或合金工具钢，如5CrMnMo、5CrNiMo、40Cr、60Si2Mn等。Cr12MoV钢用于冷镦模极易产生表面剥落、崩刃、断裂，寿命较低;高速钢承载能力很高，但因其韧性较差，不宜制作形状复杂受冲击较大的凸模。新型模具