冷变形模具钢的选材与热处理要求
2010-07-05
随着机械加工工业的发展，生产中依靠冷作模制造的零件越来越多，使用的冷变形模具种类越来越多。冷体积模锻(冷镦、冷挤压、压印等)；板料冲压(如拉伸、落料、切边、冲孔等)；材料轧制(冷轧、轧轮成型等)。虽然冷变形模具的种类繁多，工作条件不一，性能要求也有所不同，但基础工作情况相近：即均在冷状态下使金属变形，工作时承受较大的剪切力、压力、弯曲力、冲击力和摩擦力。
随着机械加工工业的发展，生产中依靠冷作模制造的零件越来越多，使用的冷变形模具种类越来越多。冷体积模锻(冷镦、冷挤压、压印等)；板料冲压(如拉伸、落料、切边、冲孔等)；材料轧制(冷轧、轧轮成型等)。虽然冷变形模具的种类繁多，工作条件不一，性能要求也有所不同，但基础工作情况相近：即均在冷状态下使金属变形，工作时承受较大的剪切力、压力、弯曲力、冲击力和摩擦力。因而对这类模具钢应具有以下基本性能：
1)高硬度和高强度，以保证在承受高应力时不容易产生微量塑性变形或破坏。2)高的耐磨性能，在高的磨损条件下能保证模具的尺寸精度，这点对拉伸模和冷冲压模显得更加重要。3)足够的韧性，以便在冲击载荷和动载荷下，不易发生工作韧的剥落或崩溃。4)热处理变形要小，因大多数模具具有复杂的型腔和精确精度，热处理的变形很难用修磨加工来消除，此外有些冷变形模具还应有足够的耐热性能。如何合理的选择冷变形模具的材料和恰当的热处理手段，以提高模具的使用寿命是生产中最为关心的问题，作为冷变形模具的正常失效应该是磨损、微量的塑性变形和疲劳失效。但在实际生产中，除磨损失效外，而以崩韧折断、开裂等提前失效，屡见不鲜。众所周知，影响冷变形模具的使用寿命是一个综合的因素；原材料选择的合理性、原材料内部的冶金质量、设计和制造工艺的合理性、使用条件和操作工人的技术水平等。但其中模具材料的选用和相应的热处理工艺应是重要因素，本文将从选材和热处理工艺作简要说明，以起抛砖引玉的作用。
1、冷变形模具钢的选材问题
冷变形模具的选材应考虑以下几个因素：
1)模具的工作条件，包括设备种类、加工频率、被加工的材质、润滑及环境等；
2)模具形态的复杂程度及加工程序；
3)产品的生产批量及技术要求；
4)模具材料来源的难易及加工条件，大型模具的材料费用往往占模具成本的50%以上，对于形态复杂、精度要求高的模具，宜选用淬火变形小的模具钢。
根据实际使用，常用的冷变形模具钢有低淬透性钢、低变形钢、微变形钢、高强度钢、高韧性钢、抗冲击冷变形模具钢。
2、各类冷变形模具钢的特点和相应的处理工艺
2.1低淬透性冷变形模具钢这类钢以碳素工具钢尤以高碳络钢GCr15和9Cr2Mo等为主：其中以GCr15轴承钢和9Cr2Mo来制作各种成型轧轮和制作冷轧辊为代表，GCr15钢具有良好的耐磨性，但淬透性差，淬火变形大，作为小型冷轧辊(φ≤200m/m)可采用整体加热或整体高温900—950℃快速加热，淬火冷却用盐水→油，控制工件在盐水中的冷却时间而后经200—220℃回火，辊表面硬度控制在Rc60—62之间，能获得较高的使用寿命，如硬度Rc≥62以上易造成辊表面在轧制时产生表面剥落，用GCr15所制的各种成型轧轮可用碱浴等温淬火或用二硝、三硝溶液淬火，控制在溶液中的冷却时间，取出空冷或油冷能使轧轮获得表面高硬度变形小的效果。
随着加工工业的发展，材料改制工业大量的发展，相应的各种高速多辊轧用钢9Cr2Mo何德国轧辊钢86CrMoV7有必要在工业方法上
要有新的突破，要在强韧化处理上作文章，在采用新的轧辊用钢也要有新的突破。目前在高速轧机的工作辊何传动辊有采用D2(Cr12MOv；Cr12Movco)和5H12(5Cr5MovSi)等。作者认为要根据接触挤压疲劳应力和摩擦磨损的观点去选用工作辊的材料，同抗断带来事故的能力去选用传动辊的材料。
2.2低变形变形模具钢1)Mn-Cr-W系，这是各国通用的综合性能优良的代表钢种，以CrMn为代表钢。此钢具有热处理变形小，耐磨性能较高的特点，具有较高的淬透性和韧性。用CrWMn钢制作的模具，如采用合理的热处理工艺，控制和调节好，淬火时造成的热应力和组织应力，减少变形完全可以替代工厂常用的Cr12制作的落料模具。2)Mn系，9Mn2V是我国作为CrWMn，9CrSi等的代用钢，可用于制造冷冲模、落料模、剪刀、弯曲模。3)SiMnMo系石墨钢，特点是含Si量高，在强烈的石墨化元素Si的作用下，部分碳是石墨化状态存在，使钢具有自润作用，具有较高的抗咬合性，良好的切削性和耐磨性，热处理变形小，尺寸稳定。SiMnMo钢，用于制作表面质量要求严格的弯曲、拉伸、整形冲模能显著提高冲件的质量。
2.3高耐磨微变形冷变形模具钢以Cr12Mov型为代表，这是国内外最广泛采用的高性能冷变形模具钢。Cr12Mov是改进Cr12钢，碳含量过高，造成严重的大块状碳化物不均匀的缺点。Cr12Mov钢的特点是具有高的耐磨性、淬透性，是微变形冷冲裁模，冷镦模的主要材料目前一般工厂中仍广泛使用Cr12钢，改材料具有高的硬度，高耐磨性，高淬透性，尤其是热处理后变形微小，钳加工时锉削性能好，在用于冲裁成型模、拉伸模等模具上仍获得广泛使用。但Cr12材料得严重碳化物不均匀和形成大块状碳化物得分布，成为模具在使用中造成崩韧、开裂、折断过早失效得根源。根据作者的实践经验，如一些落料冲模具使用贝氏体和残奥加碳化物的混合组织，使用寿命将有明显提高。如表2所示为落料模Cr12材料采用下贝氏体等温处理与普通淬火处理的使用次数比较表。
2.4高强度冷变形模具钢通常有高速钢W18Cr4和W6Mo5Cr4v2组成。用于冷挤压冲模和重载荷冷镦冲模，中厚钢(10-25m/m)冲孔冲头和直径小于5—6m/m的小冲头。如链条内外片冲孔用的小冲头，采用高速钢经低温加热淬火的热处理工艺。W18Cr4V(1220℃-1250℃加热淬火)，W6Mo5Cr4V2(用1170℃-1190℃)经低温加热淬火处理的模具有高的塑性变形抗力，有高的硬度和耐磨性；有足够的刃性，实践证明经低温淬火的冲头，可显著地提高寿命，大大减少冲头折断事故。
2.5高强韧性冷变形模具钢有些冷挤模和冷镦模需承受高的强度和高的冲击韧性，而普通的高速钢和高碳铬刚制件易于脆断或折断，模具需要有高的强韧配合，具体分为两类：
1)将碳高速钢：将W系或Mo系的高速钢含碳量降低为0.5—0.6%，增加处理后钢的韧性。如6W6Mo5Cr4V2,具体热处理工艺为淬火加热温度1160—1180℃，冷却后经550—570℃三次回火，硬度为Rc60-63，用于冷挤压冲头或冷镦冲头可成倍的提高使用寿命。
2)基体钢：基体钢是改善高速钢韧性的另一个途径，与高速钢相比，基体钢的过剩碳化物很少，碳化物的颗粒细小，分布均匀所以冲击韧性、疲劳强度均好于高速钢，同时保持了好的耐磨性。我国研制成功并推广应用的基体钢。如65Nb、CG-2、012Al。
以上三种基体钢适於形状复杂，冲击负荷较大，韧性要求高的冷变形模具。其他还有些特殊的模具钢，如易切削冷模钢8Cr2S(8Cr2MnMovS),除于塑料模具较多。
3)高强韧耐磨的新型模具钢7CrMo2V2Si，简称LD。
LD是以美国专利钢为基础，调整了合金元素量
而研制的强韧耐磨钢。此钢的过剩碳化物量少，且尺寸细小，而奥化体的合金化程度高，LD经1100℃加热淬火后，奥化体的合金度和Cr12Mov经1050℃加热淬火，奥化体的合金化程度接近，同时固溶强化和二次强化，效果较显著。对于模具需承受冲击载荷和要求强韧性高的模具，可较大幅度的提高使用寿命。作者曾在自行车链条的内外片落料模使用过LD料，寿命比Cr12模具可提高1-3倍取得可喜的经济效果。如表4所示的为LD、P18(高速钢)Cr12Mov机械性能比较表。
LD材料不仅用于落料冲载模还是冲头，在耐磨性和抗崩韧开裂，抗折断性都比较满意，值得推广使用。
2.6抗冲击冷变形模具钢
主要以CrW2Si系型和60Si2Mn钢，用于抗冲击模具和韧具(以剪刀、刀片为主)这类钢的特点是过剩碳化物少，组织结构均匀。因含多元合金，固溶强化和回火后碳化物弥散强化较好，具有高强度、高韧性、高冲击疲劳抗力。用于风动工具、冲剪工具和大中型冲镦模。缺点是抗压能力低、热稳定性差、淬火变形难控制。对于CrWzSi系钢，作剪刀时(如5CrW2Si)应尽量用高温加热淬火，以使马氏体形态有所变化，使强韧性有大提高，这点作者在实际工作中取得很好效果。
60Si2Mn主要用于制作内外六角螺栓成型冷镦冲头和小型冲孔冲头。如自行车花盘的辐条孔冲头。
3、结束语
冷变形模具钢的使用寿命是人们在生产重最关心的问题之一，并有很多先进的成功经验。本文是从冷变形模具的选材和热处理角度，根据一些资料和个人的实践，提出一些看法，仅起抛砖引玉的作用。
