模具材料及热处理工艺

2024-08-03

　　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—合金工具钢—基体钢—高碳高铬钢—高速钢—钢结 硬质合金—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。

　　1.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。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。

　　T10A碳素工具钢的热处理工艺为：760~810 ℃水或油 淬，160~180 ℃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 ℃油冷 ，回火温度200 ℃，硬度60~62HRC。9Mn2V钢的热处理工艺为：淬火温度780~820 ℃油冷 ，回火温度150~200 ℃，空冷，硬度60~62HRC。(搜索公众号：材料科学与工程)注意回火温度在200~300 ℃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 ℃淬火，150~200 ℃回火;Cr12MoV为1020~1050 ℃淬火，180~200 ℃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 ℃淬火，480~500 ℃回火;Cr12MoV为1110~1140 ℃淬火，500~520 ℃回火 )。

　　高铬钢在275~375 ℃区域有回火脆性，应予避免。

　　2.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)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。(搜索公众号：材料科学与工程)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)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℃，一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 ~ ℃，硬度58 ~ 62HRC。

　　(3)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 ℃，回火温度280~320 ℃，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 ℃，回火温度50 0~540 ℃，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 ℃)，具有良好的淬透性和 淬硬性 (可达60 HRC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 ℃， 油冷 ，190~200 ℃回火1~3小时，硬度58~62 HRC。

　　(5)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870~930 ℃(900 ℃很佳 )，盐浴炉加热(45s/mm)， 油冷或 空冷、风冷 ，175~230 ℃回火2小时，硬度58~62 HRC。由于空冷即可淬硬 ，也可采用火焰加热淬火。

　　(6)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 ℃，硬度64~66HRC。 回火温度540~560 ℃，回火二次。

　　(7)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1150 ℃淬火，520~530 ℃回火3次; 对重载服役条件下的模具，采用1120~1130 ℃淬火，550 ℃回火3次。

　　3.硬质合金及钢结硬质合金

　　当工件的批量很大时，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，作为模具的工作部件可以设计为镶拼结构。(搜索公众号：材料科学与工程)。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。