冷变形模具钢的选材与热处理

huahua

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，如：冷体积模锻（冷镦、冷挤压、压印等）、板料冲压（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，如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，对于形状复杂、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等。
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铬钢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，相应的各种高速多辊轧用钢9Cr2Mo和德国轧辊钢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和传动辊有采用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，以及根据抗断带来事故的能力去选用传动辊的材料。
2.2低变形模具钢
（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。
该材料具有高的硬度、耐磨性和淬透性，尤其是热处理后变形微小，钳加工时锉削性能好，在用于冲裁成形模、拉伸模等模具上仍获得广泛使用。但Cr12材料的严重碳化物不均匀和形成大块状碳化物的分布，成为模具在使用中造成崩韧、开裂、折断、过早失效的根源。根据实践经验，如一些落料冲模使用贝氏体和残留奥氏体加碳化物的混合组织，使用寿命将有明显提高。
2.4高强度冷变形模具钢
通常由高速钢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；有足够的韧性。实践证明，经低温淬火的冲头，可显著提高寿命，大大减少冲头折断事故。