不同种类的冷作模具钢及其研究进展

冷作模具是在常温下对材料进行压力加工和其他加工所用的模具。冷作模具的种类繁多，结构复杂，主要有冲压模、冲裁模、挤压模、剪切模、拉深模、冷镦模、拉丝模、压印模等，冷轧辊也可以看成是一种特殊的模具，滚丝轮（也称滚丝模）已列入国家刀具标准，也可以说是一种特殊模具。冷作模具在使用过程中受到压缩、拉伸、弯曲、冲击、摩擦、疲劳等多种机械力的作用，使模具发生磨损、脆断、塌陷、啃伤、咬合、软化等失效现象，因此，对模具用钢的要求较高，对模具的热处理要求更高。

1.冷作模具的性能要求

模具在工作时，由于被加工材料变形抗力比较大，模具的工作部分，特别是刃口会受到强烈的摩擦和挤压，所以模具必须有高的硬度、强度和耐磨性。另外，模具在服役时还要受到冲击力的作用，故要求模具有一定的韧性。除此而外，还要求模具钢具有较好的可加工性、较小的脱碳敏感性及良好的热处理工艺性。

高的硬度是保持高的耐磨性的基础，但通过何种热处理工艺获得高硬度更重要，硬度虽相同，但热处理工艺不同，耐磨性可能相差很大。硬度与材料的抗压强度之间有着线性关系，硬度越高，抗压强度越高。各种冷作模具都有一个适当的工作硬度，在保证韧性的前提下，应力求高硬度。

一些冷作模具既要求高强度又要求高韧性，这对于防止由于冲击、重载荷、偏心弯曲载荷、应力集中引起的破裂和折断是十分重要的。影响强度的因素很多，主要是钢中碳和合金元素的含量及其分布、晶粒的大小、碳化物颗粒大小及分布的均匀性，以及内应力的影响。粗大的晶粒会严重降低钢的断裂强度。

对于韧性的要求，应根据模具工作的具体情况而定，工作时受冲击负荷较大，易受偏心弯曲载荷或有应力集中时，要求有较高的韧性。一些冷作模具常采用淬火+低温回火的热处理工艺，为了提高韧性，可适当提高回火温度，降低一点硬度，但应避免回火温度在不可逆回火脆性温度区间。

2.碳钢模具

用中碳钢或低碳钢制作冷作模具必须经化学热处理，赋予其表面高的硬度，以满足模具表面高强度、高耐磨性的要求。

常用来制造冷作模具的碳素工具钢有T7A、T8A、T10A、T12A，主要用T7A和T10A两个牌号，而以T10A钢用得最普遍。主要原因是T10A钢比T8A钢耐磨，脆性比T12A钢小。碳素工具钢可加工性好，价格便宜，货源充足。但其淬透性低，耐磨性差，淬火变形大，水淬易裂，油淬尺寸有限。模具使用寿命低，仅适合于制造形状简单、尺寸较小和承载较轻的模具，如小冲头、小型冲模等。应当指出，碳素工具钢最适合制造小型冷镦模。因为小型冷镦模除了应具备的足够强度、表面硬度和硬化层外，心部还要有足够的韧性。如果硬化层过深，会因工作时承受较大冲击而早期破断。

3.合金钢模具

冷作模具用合金钢分低合金工具钢、高碳高铬模具钢、高碳中铬模具钢、含锰空冷微变形钢等。

（1）高碳低合金钢 为适应冷作模具性能需要而发展起来的高碳低合金钢，是在碳素工具钢的基础上加入适当的合金元素（如Cr、Ni、Mo、Ti、W、V、Si、Mn等）冶炼而成的，合金元素总的质量分数在5%以下。合金元素的加入提高了淬透性和过冷奥氏体的稳定性，降低了淬火冷却速度，减少了淬火热应力和组织应力，减少了淬火畸变与开裂。此类钢淬火与回火后有较高的强韧性和耐磨性，和碳素工具钢相比，其使用寿命可大幅度提高。因此，高碳低合金钢被广泛用于制作形状复杂、截面较大、承载负荷较大、变形较小的中、小型冷作模具。但这类钢在热加工后要严格控制冷却速度，并要采取适当的热处理，否则容易形成网状碳化物，降低钢的韧性。

（2）高碳高铬模具钢 这种类型的钢淬火变形小、淬透性高、耐磨、硬度高，被广泛用于制造大负荷、要求耐磨性高、热处理畸变小、形状复杂、而且生产批量大的模具。常用的牌号有Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、7Cr7Mo3V2Si等。

（3）高碳中铬模具钢 为了改善Cr12型冷作模具钢的碳化物偏析，提高其韧性，并进一步提高钢的耐磨性，国内外做了大量的研究工作，开发了不少新的钢种。这类钢的典型牌号有Cr6WV和Cr5Mo1V。它们都属于过共析钢，但在铸态下因偏析的原因也存在共晶莱氏体组织。钢中的碳化物主要是Cr₇C₃，并有少量的合金渗碳体及M₆C和MC型碳化物，其碳化物分布还是比较均匀的。(www.xing528.com)

Cr6WV钢加热到950～1000℃时奥氏体中已含有较多的Cr，因此有较高的淬透性，但略低于Cr12MoV钢。Cr5Mo1V钢的淬透性略高一些，优于或相当于Cr12MoV钢。Cr6WV钢经正常淬火低温回火后硬度为58～62HRC，耐磨性比Cr12钢低些。

Cr4W2MoV钢也是代替Cr12型钢的另一种高碳中铬钢。根据模具的不同用途，热处理工艺应该个性化，寻求硬度与韧性的最佳配合。

（4）高速工具钢模具 高速工具钢自问世至今110多年，一直以制造切削金属的刀具著称。20世纪80年代，模具工业兴起，钢铁材料的冷挤压模具受力很大，工作条件恶劣，对模具的要求比较高，Cr12型模具钢已不能满足要求，需要用高速工具钢来制造。高速工具钢经低温淬火回火后，具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性。常用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、6W6Mo5Cr4V等高速工具钢制造冲头、冲裁模、冷挤压模和冷镦模等。

（5）钢结硬质合金模具 钢结硬质合金不仅可以制作刀具，也可以制造模具。我国研制的大负荷WC型钢结硬质合金DT在模具中应用较多，其特点是在保持足够的硬度和耐磨性的基础上，大幅度提高了强度和韧性，在急冷和急热的交变热冲击下有极好的抗热裂能力。DT合金组织中，硬质颗粒尺寸细小、均匀、弥散分布，尺寸小于2μm的小颗粒碳化物约占碳化物总数的50%，小于5μm的占总数的80%。由于DT合金组织中碳化物颗粒细小且弥散，因此，其力学性能高于其他钢结硬质合金。DT合金的性能见表1-11。

DT合金与国内其他钢结硬质合金的性能比较见表1-12。

DT合金也可以锻造，预热温度为750～800℃，加热温度为1150～1200℃，始锻温度为1150～1180℃，终锻温度为900～850℃。锻造温度带比较宽，热塑性较好，通过锻造，可以进一步改善组织提高性能。DT合金在前几次锻打时，需反复进行镦粗拔长，要轻拍快打，每次的锻造变形量控制在5%左右，改形锻打变形量适当增加至10%～15%。锻后缓冷，及时退火。

表1-11 DT合金的性能

表1-12 DT合金与国内其他钢结硬质合金的性能比较

DT合金一般采用等温球化退火。其工艺为：加热至860～880℃，保温2～3h，炉冷至720～700℃，等温6h，炉冷到500℃以下出炉空冷。退火后硬度为32～36HRC，金相组织为粒状珠光体+弥散碳化物。

盐浴加热淬火温度为1000～1020℃，保温按1min/mm计，油冷；复杂模具可采取200～300℃的等温处理。根据模具的使用要求，可以在200～650℃范围内选择回火温度。