冷作模具钢材特性 冷作模具钢热处理工艺改进

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    【摘要】在模具加工中，合理的选材与正确制定热处理工艺是至关重要的，它直接关系到产品的质量及经济效益而且还能有效地增加模具的寿命。本文分析了冷作模具钢的工作条件及失效形式，提出能满足冷作模具钢工作条件的性能满足要求，在选择其材料并进行相应的热处理使其再结晶激发材料自身的潜力，以保证其性能要求。
 关键词：冷作模具钢  热处理  设计工艺改进  模具寿命
   【 abstract 】 in the mold, the reasonable material selection and correct formulation heat treatment process is very important, it directly related to the quality of the products and economic benefits. This paper analyzes the cold working die steel working conditions and failure form, put forward to meet the cold working die steel working conditions performance meet the requirements, in the selection of its material and the corresponding heat treatment, in order to ensure the performance requirements.
Keywords: cold working die steel  Heat treatment  Design process improvement
    
  
    冷作模具是指在冷态下完成对金属或非金属材料的塑性变形的模具其对制品的变形方式一般有弯曲、拉伸、挤压、滚丝、拉丝等。冷作模具在机械、轻工业、电器、仪表行业中应用极为广泛，它使寿命的高低直接影响生产效率和产品成本。
    模具材料是模具制造的基础。合理选择冷作模具材料，正确实施热处理工艺是保证模具寿命，提高模具质量和使用效能的关键尤其是在难成型材料不断涌现成形工件形状日益复杂，精度要求愈来愈高的情况下冷作模具对材料的使用性能和热处理工艺提出了更为严格和苛刻的要求。
 1.1冷作模具钢失效形式与性能要求
     冷作模具种类繁多，结构复杂，在工作中收到拉伸，弯曲压缩，冲击，疲劳摩擦等机械力的作用，其正常的失效形式主要是磨损，脆断变形，咬合等
   （1）磨损失效：模具部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使工作部位刃口凸模形状和尺寸发生变化引起的失效。如厚板冲裁冷镦模型腔尺寸超差。
   （2）脆断失效：冷作模具承受的载荷大都是以一定冲击速度，一定能量作用下周期性施加的，模具在使用中突然出现大裂纹或发生破损而失效。如冲裁模崩刃冷挤压模工作时，由于成型压力大，在金属变形过程中模具表面的瞬时温度很高，造成温度循环也加速疲劳裂纹产生。
  
（3）变形咬合对受到冲击载荷较大易受偏心弯矩载荷或有应力集中的模具等，都需要较高的韧性。对一般工作条件下的冷作模具，通常受到的是小能量多次冲击载荷作用。冲压材料与模具表面接触时在高压摩擦下，润滑油膜被破坏此时被冲压件金属“冷焊”在模具型腔表面形成金属瘤从而在成形工件表面划出道痕。
根据冷作模具的工作条件及失效形式，冷作模具钢应具备有如下基本性能：
 
 1良好的耐磨性
    冷作模具在工作时，模具与坯料之间产生很大的摩擦，在这种摩擦的作用下，模具表面绘划出一些微观凹凸痕迹，这些痕迹与坯料表面的凹凸不平相咬合，使模具表面逐渐产生切应力，造成机械破损而磨损。
 2高强度
    强度指标对于冷作模具的设计和材料选择是极为重要的依据，主要包括：拉伸屈服点、压缩屈服点。其中压缩屈服点对冷作模具冲头材料的变形抗力影响大。为了获得高的强度，在材料选定的情况，主要是通过适当的热处理工艺进行强化。
3良好的抗咬合能力
    当冲压材料与模具表面接触时，在高压摩擦下，润滑油膜被破坏，此时，被冲压件金属“冷焊”在模具型腔表面形成金属瘤，从而在成形工件表面划出道痕。咬合抗力就是对发生“冷焊”的抵抗能力。模具材料及润滑条件对咬合抗力也有较大的影响。
1.2 冷作模具失效问题探讨归纳
冷冲裁模：磨损，局部断裂（崩刃）
冷拉深模：磨损（磨粒磨损粘着磨损）
冷挤压模：冲头塑性变形，断裂，折断，疲劳断裂，纵向开裂，磨损（磨粒磨损）
冷镦锻模：磨损，断裂，疲劳断裂，塑性变形
 
   2.1冷作模具的选材分类及热处理规范
      常用的冷作模具钢有碳素工具钢、低合金工具钢、髙钴和中铬冷作模具钢、基体钢和低碳高速钢类冷作模具钢。按化学成分、工艺性能、力学性能及应用场合可以分为表2—1所示几类：

          表2--1冷作模具钢分类

类别	钢号
低淬透性冷作模具钢	T7A  T8A  T10A  8MnSi  Cr2  9Cr2  Cr06  GCrW5
低变形冷作模具钢	CrWMn  9Mn2V  9CrwMn  9Mn2  MnCrWV  SiMnMo
高耐磨微变形冷作模具钢	Cr12  Cr12MoV  Cr12Mo1V1  Cr5Mo1V  Cr4W2MoV
高强度高耐磨冷作模具钢	W18Cr4V  W6Mo5Cr4V2  W12Mo3Cr4V3N
抗冲击冷作模具钢	4CrW2Si  5CrW2Si  6CrW2Si  9SiCr  60Si2Mn  5SiMnMoV
高强韧性冷作模具钢	6W6Mo5Cr4V  6Cr4W3Mo2VNb  LD  CH--1  GD
高耐磨、高韧性冷作模具钢	9Cr6W3Mo2(GM)  ER5
特殊用途冷作模具钢	9Cr18  Cr18MoV  Cr14Mo  Cr14Mo4  1Cr18Ni9Ti

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
根据文献【3～8】整理的部分冷作模具钢典型处理工艺及其力学性能见表2-2，可以供选择模具材料和制定处理工艺时参考。
 

                   表2-2部分冷作模具钢处理工艺及力学性能

材料和典型处理工艺	抗压屈服强度/Mpa	抗弯屈服强度/Mpa	抗弯断裂强度/Mpa	扰度/mm	冲击韧度/j .cm-2	断裂韧度/Mpa .m1/2	硬度（HRC）	备注
W 6Mo5Cr4V2 1190 ～12 10 ℃淬火 + 560 ℃回火	3000	4000	4300	2.4	55	16	62～64	冷挤 ,冲头模具
Cr12MoV 1020 ℃淬火 + 200 ℃回火	2400	2500		2.3	12	7	60～62	冷冲 ,冷镦模具
Cr12 950 ～980 ℃淬火 + 200 ℃回火	2600	1900		1.7	8		60～62	冷冲 ,拉延模具
CrWMn 840 ℃淬火 + 200 ℃回火	2300	1700		2.3	2.2		60～62	冷冲 ,拉延模具
6Cr4W 3Mo2VN b ( 65N b) 1150 ℃淬火 + 520 ～560 ℃回火	2600	3700	4200	6.0	50	17	60～62	冷挤 ,冷镦模具
7Cr7Mo2V2 Si  （LD） 1150 ℃淬火 + 550 ℃回火	2700	3900	4600	4.7	50	17	60～62	冷挤 ,冷冲模具
6Cr4Mo3N i2WV ( CG2) 1100 ℃淬火 + 540 ℃回火	2400	3700	4300	3	25	19	60～62	冷冲 ,切边模具
5Cr4Mo3 SiMnVA l ( 0 12A l) 1090 ～1120 ℃淬火 + 510 ℃回火	2400	3600	4200	4	20	16	60～62	冷镦 ,冲头模具
7CrSiM nMoV ( CH 1) 840 ～900 ℃淬火 + 200 ℃回火	2300	3200	4000	4.2	17		60～62	冷冲 ,拉延模具
8Cr2MnWMoV S( 8Cr2 S) 860 ～880 ℃淬火 + 200 ℃回火	2400	3100		4	30		60～62	冷冲 ,塑料模具
6CrN iSiM nMoV ( GD )  900 ℃淬火 + 200 ℃回火	2200	3000	3700	5	90		60～62	冷冲 ,冷挤模具
9Cr6W 3Mo2V ( GM ) 1120 ℃淬火 + 540 ℃回火	3000	3600		4.8	22		60～64	冷冲 ,切边模具
5Cr4Mo2W 2V Si  V ascaMA 1100 ～1200 ℃淬火 + 510 ～560 ℃回火	2400	3500		2.5	18		61	冷镦 ,热挤模具

 
 
 
 
 
 
 
 
 









































 2.2 1Cr12型钢
   属于高碳高铬莱氏体钢，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，可达微变形程度。其中，Cr12钢的Wc高达2.3‰，因此，碳化物不均匀性严重存在碳组织偏析问题，脆性大，制造的模具易产生崩刃和脆断；Cr12MoV钢的含碳量比Cr12钢少，并由于加入了Mo、V，钢中碳化物分布不均明显改善，韧性提高。
  2.3　原材料优化
    Cr12MoV 钢的化学成分（质量分数 , % ）145 ～ 170 C、≤040  Si、≤040 m n、110 ～12 50 Cr、015 ～ 030 V 、040 ～060 Mo,余量 Fe[ 3 ]  。铬能提高钢的淬透性 ,是形成 M    C 型碳化物的主要元素 ,也是促成碳 化物不均匀分布的主要元素 。加入钼 、钒能进一步提 高钢的淬透性 ,细化晶粒和共晶碳化物 ,改善韧性 ,提高回火稳定性 [ 3 ]  。Cr12MoV 钢淬火后含有大量的残留奥氏体 , 热处理畸变小 [ 3, 5 ]  。Cr12MoV 钢属高碳高 铬钢 ,耐磨性高 ,韧性差 。组织中含有大量的共晶碳化物 ,碳化物偏析较严重 ,特别在模具尺寸较大时导致锻 造变形的方向性和强韧性降低 。
电渣钢是由电炉钢冶炼坯料经过电渣重熔制得 ,电渣重熔工艺可以大幅提高钢材的冶金质量 , 降低非金属夹杂物含量 ,等向性能较好 ,碳化物分布均匀且细小 。经过重熔后非金属夹杂物 的数量 降到原来 的  1 / 3[ 3, 6 ]  。电渣钢与普通电炉钢市场价格相差不多 , 企 业能够承受 。
 
2.4　淬回火工艺改进
   Cr12MoV 钢的导热性差 , 为减少热应力 , 淬火加 热前 在 箱 式 炉 中保 温 预 热 ( 820 ℃ ±10℃按 40  s/mm ) ,奥氏体化温度 1000 ～1020 ℃,等温淬火 ; 160 ～400 ℃回火 。采用等温淬火工艺 ,其优点是在不 降低模具强度的同时 ,能大幅度提高工件的韧性 ,使用 寿命可提高约 30% ～50% [ 3 ]  。
2.5　原热处理工艺
     工艺曲线 ,在箱式炉中保温预热820 ℃ ±10℃按 40   s/mm ,高温盐浴中1020℃  ±10  ℃ 按 6 s/mm 加热保温 。然后直接淬入 250 ～300  ℃等温硝盐槽中 , 1 h 后出炉空冷至室温 , 200 ×3 h 回火 2 ～3 次 ,硬度为 58～62 HRC。通过金相检验观察 , 发现保温时间过短 , Cr12MoV钢中大量的M C 合金碳化物在淬火加热过程 中只能部分溶解。同时生产过程中 , 由于淬火模具批量大 ,冷却措施不足 ,等温淬火温度很难保持在 250 ～300℃之间 ,经常达到 350 ～400℃,而在此温度区间正是上贝氏体的形成温度 ,上贝氏体的形成对模具性能极为有害 。
 
 
 
2.6弯曲模事例分析
    在弯曲模中检测弯曲拐形原件时，在加工零件时常出现加工完后无开裂现象但过后进行装配时发现弯曲部位存在明显的裂纹的分析厚板弯曲件在弯曲时拐部存在很大的内应力在加工完成时内应力没消除，导致内部应力释放零件拐处开裂现象的发生。
   解决措施是在水弯机旁挖一个加热坑将刚加工完的零件及时放入加热坑加热，消除内应力；也可以用敲击的方法消除局部内应力。
  在拉伸模中常出现压边力过大底部上方会出现拉破现象，压边力过小会造成凸缘翘曲形成荷叶边，在工件向径向延展流动时在凸缘区受到摩擦阻力和拉应力同时存在切向压应力，传力区两相应力作用受到拉应力和与模具的摩擦力，在此处特别容易发生凹模咬合现象在凹模形成积削瘤一样的冷作硬化组织充当刀具对工件进行刮伤，严重影响工件表面质量。
   一般处理方案是对其工件表面涂加一些润滑油或润滑脂使其工件表面形成一层油膜起到减摩作用，或是改变工件材料与模具材料的性质差异大增加表面质量，可以达到减少咬合显现，在凹模圆角处选择合适的凹模圆角有利于金属的流动。
 
3.1结论
根据实践经验在选择模具材料和制定合理处理工艺方面，提出一些减少早期失效的措施
1脆性失效减硬度，变形失效增硬度。（屈服强度与抗拉强度是衡定硬度指标）
2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。
3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，例如ZIO2材料中的增韧相钢中的残留奥氏体等都能起到增韧效果。
4纤维增强复合材料利用金属和非金属纤维材料的强韧性配合制备复合材料，挺高抗断裂强度。
5梯度材料，根据不同性质要求采用复合多层功能梯度材料中如用表面抗脆性能好的涂层材料。
6  改用电渣重熔 Cr12MoV 钢 , 降低非金属夹杂物含量 ,提高钢材的组织均匀性 。共晶碳化物通过后序锻造及固溶处理加以改善
7采用等温淬火工艺 ,适当延长淬火保温时间 从 6  s/mm 延长到 10  s/mm ,保证了碳化物的充分溶解及均匀化 。提高回火温度至 420℃,适当降低硬度至55 ～58 HRC。420  ℃ ×2 h 回火 3 次 ,使碳化物充分析出 ,增加了钢的韧性。
8磨削加工 、线切割加工后进行去应力回火 ,压匝套及适当的尺寸设计 ,可明显减少模具早期开裂。
9对形状复杂的 Cr12MoV 钢模具 ,采用固溶双细化工艺 ,模具使用寿命可以翻几番 ,冲压 8 mm 厚度的复杂形状链板 ,寿命 由原来的 5 万次提高到 23 万次。主要失效形式为正常磨损 ,开裂和崩刃情况大为减 少 。虽工序较多 ,成本较高 ,但总经济效益十分可观 。
 
 
参考文献
  1《金属热处理》 2006年 第31卷第二期
  2上海机电工业局《工人技术教育读书》编委会 热处理工【M】北京：机械工业出版社1984
  3模具失效与维护 陈志刚编委 机械工业出版社
  4模具材料及表面处理第2版 吴兆祥主编 机械工业出版社
  5机械工程材料及成形工艺基础 张至丰主编 机械工业出版社
  6姚鸿年，金相研究方法【M】北京：机械工业出版社 1963
  7刘东雨 方鸿生，等1500Mpa级经济型贝氏体/马氏体复相钢的合金设计【J】金属热处理，2000,25（10）：1-5
  8史美堂金属材料热处理【M】，上海科技出版社 1980
 
 

 
 
 
 
 
 
 
               
 


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