常用冷作模具材料的选择技巧

1）冷冲裁模具

冲裁模主要用于各种板料的冲切成形，按其功能不同可分为剪裁、冲孔、落料、切边、整修和精冲等工序。

（1）冷冲裁模的工作条件和失效形式

冲裁模的工作部位是刃口，冲裁时，受力情况如图5-39所示。当凸模下降至板料接触时，板料就受到了凹凸模端面的作用力。由于凸凹模之间存在间隙，使凸凹模施加于板料的力产生一个剪力矩M，这个力矩使被冲板料旋转一个角度α，这时板料则对冲裁模刃口产生一个侧向压力F1，在F1的作用下，冲裁模刃口部受到很大的弯曲应力。其次，模具与被冲板料总有一定间隙，并且间隙分布不均匀，使得刃口部位在工作时总是承受强烈的冲击。同时，板料与刃口部位产生剧烈的摩擦，从而导致刃口磨损。板料强度越高，厚度越大，磨损越严重，模具寿命越短。

因此，冲裁模具的正常失效形式主要是磨损，刃口由锋利变圆钝。磨损达到一定程度，会使冲裁件产生毛刺，为此，生产中常用磨削的方法使刃口重新锋利。经过多次磨刃，凸模变短，凹模变薄，直至无法工作而失效。除此之外，还可能由于模具安装调试不良，冲裁时工艺执行不严或热处理不当等造成崩刃和凸模折断等非正常失效。

图5-39　冲裁模受力特点

依据上述分析，对冲裁模的主要性能要求是高的硬度和耐磨性，足够的抗压、抗弯强度和适当的韧性。但是被冲板料厚度不同，性能要求有所差异。对于薄板冲裁，以高耐磨、高精度要求为主；对于厚板冲裁，除需要高耐磨性外，还应具有高的强韧性。

凹凸模的性能要求也有所差异，对于凹模来说，抗弯强度要求低些，而抗压强度和韧性的要求比凸模高。这是因为凹模具在侧压力作用下处于拉应力状态，引起开裂的可能性较大。

（2）冷冲裁模的材料选用

冷冲裁模具的材料选用，主要根据产品的形状和尺寸、被冲材料特性、工作载荷大小、失效形式、生产批量、模具成本等因素来决定。

形状简单、载荷轻的冲裁模，可尽量采用成本低的碳素工具钢制造，只要热处理工艺适当，完全可以达到使用要求。

形状复杂、尺寸较大、工作载荷较轻、要求热处理变形小的冲裁模，可选用低合金工具制造。

对于大中型模具，制造工艺复杂，加工成本高，材料成本只占模具总成本的10%～18%，可选用高耐磨、高淬透性、变形小的高碳中铬钢、高铬钢、高速钢、基体钢、高强韧性低合金冷作模具钢制造。

对于大量生产的冷冲裁模，要求使用寿命高，可选用硬质合金、钢结硬质合金来制造。表5-26为冷冲裁模的选材举例及工作硬度，以供参考。

表5-26　冷冲裁模的材料选用举例及工作硬度

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注：表中括号中的牌号，不推荐使用，可用Cr6WV，Cr4W2MoV，GM，GD，ER5钢代替。

在选用冷作模具材料时，一定要重视新模具材料的应用。其中Cr6WV，Cr4W2MoV，Cr2Mn2SiWMoV，GD，LD，GM，ER5，8Cr2MnWMoVS，65Nb，7CrSiMnMoV等替代一些老钢种具有良好的效果。表5-27是新型冷作模具钢在冷冲裁模方面的应用实例。

表5-27　新型冷作模具钢在冷冲裁模方面的应用效果

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对于冲裁模辅助零件的材料选择及对热处理的硬度要求见表5-28。

表5-28　冲裁模辅助零件的选材及热处理要求

2）冷镦模具

冷镦时，金属毛坯在室温下受到冲击压力而发生塑性变形，并在模具中使坯料体积重新分布与转移，从而得到所需要的形状。冷镦成形工艺主要用于紧固件（各种规格的螺钉、螺帽）的成形。

（1）冷镦模具的工作条件和失效形式

冷镦模具在工作过程中要承受很大的冲击力，单位压力可达2 000～2 500 MPa，并且冲击频率很高。凹模的型腔表面和冲头的工作表面还要承受强烈的冲击摩擦，工作温度可达300℃左右。此外，由于被冷镦材料的不均，坯料的端面不平，冷镦机调整精度不够等原因，还使冲头受到弯曲应力。(www.xing528.com)

冷镦模具的主要失效形式如下：

①擦伤。在冷镦压过程中，由冲击摩擦造成冲头和凹模工作表面出现沟痕或磨损。

②崩落。在强力冲击摩擦作用下，坯料上的金属常黏附在凹模上形成一定厚度的环带，这层环带的存在造成冷镦凸模偏离正常工作位置，引起打击力的偏载，致使局部区域超过抗拉强度而成块崩落。

③脆性开裂。常见于冷镦凹模，一般有两种形式：一种是在擦伤严重处或非金属夹杂物偏析而引起脆性开裂；另一种是因整个截面淬硬或钢中碳化物或非金属夹杂物偏析而引起脆性开裂。

④冷镦模常因硬度不足或硬化层过浅而凹陷，或因尺寸超差而过早报废。

综上失效分析可知，擦伤和脆性开裂是导致失效的主要原因，为保证冷镦模具的一定寿命要求，必须有足够的抗压强度、弯曲疲劳强度和耐磨性。尤其是冷镦凹模，需要良好的强韧性配合，一般冷镦凹模的硬化层为1.5～4 mm，硬度58～62 HRC，而心部只需硬度较低、韧性较好的索氏体组织，不能将整个截面淬硬。

（2）冷镦模具的材料选用

根据冷镦模的工作条件及硬化层不能过浅也不能整个截面淬硬的特点，对这类模具材料的选择，应按模具零件不同部位的受力情况、截面大小、硬化层深度要求，以及生产批量的大小等因素来决定。

对于轻负荷的小型凹模，大都采用表面具有一定硬化层的整体模块。当要求硬化层深度不大时，可选用T10A钢（淬硬层约1.5～2 mm）制造；如要求较深些的硬化层，则可选用低合金工具钢；高淬透性钢在这种场合是不适宜的。对于负荷较重和形状较复杂的凹模，可选用高碳中铬钢或高速钢、基体钢制作的镶嵌模块，这种镶嵌模块可以用压入法或热套法嵌入用韧性较好的材料制成的模套内。产量超过20万件以上时，可以选用钨钴类硬质合金或钢结硬质合金制成的镶嵌模块，这类材料耐磨性高，且公差小，使用寿命长，足以补偿其高的成本费用。

用作冷镦凸模（冷冲头）的材料，应当有良好的减摩性和耐磨性，还要有足够的硬度，以免在受冲击的地方塌陷。当轻负荷时，多采用T10A钢或低合金工具钢制造。在模具尺寸较大和重载时，应采用和凹模相同的材料制成模块式镶拼模具。

切裁工具必须硬而耐磨，并需要一定的热硬性。顶出杆要有好的韧性，同时也要耐磨，选择这类辅助件材料，可根据具体情况决定。

3）冷挤压模具

冷挤压是在常温下，利用模具在压力机上对金属以一定的速度施加相当大的压力，使金属产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件。

冷挤压模具由凸模（冲头）及凹模组成，按被挤压金属的流动方向与凸模运动方向之间的关系可分为正、反挤压和复合挤压。

（1）冷挤压模具的工作条件和失效形式

金属的冷挤压成形，是在强烈的三向压应力下完成的，其变形抗力要比其他压力加工方法大得多。挤压有色金属时，截面上的平均压应力可达1 000 MPa以上；正挤压钢材时，达2 000～2 500 MPa；反挤压钢材时，局部达到3 000～3 500 MPa。同时，在冷挤压变形过程中，模具表面由于反复与被挤压材料剧烈地摩擦，不但使接触面磨损大，而且产生大量的摩擦热使模具温度迅速升高，一般最低温度可达160～180℃，高的可达300～400℃。

冷挤压模具的正常失效方式主要是擦伤磨损或氧化磨损，而早期失效形式主要是凸模的断裂。除了以上两种由装配不良导致冲头折断外，还有两种断裂方式：一种是“劈断”式破裂，原因是当凸模所受到的应力达到了材料屈服点时，凸模便产生塑性变形，工作端长度缩短，而直径有所增大，并产生拉应力，在与拉应力垂直的方向上有可能产生裂纹，再继续使用时，裂纹扩展并超过中心，最后完全裂开；另一种断裂为“脱帽”断裂，它是发生在制作从凸模的工作端承受拉应力而使端部折断，其产生原因因为凸模的几何形状不合理或因磨损过大而破坏了凸模的工作状态。

综上所述，冷挤压模具必须具有高的强韧性、良好的耐磨性、一定的热疲劳性和足够的回火稳定性，与厚板冲裁模有相似之处。

（2）冷挤压模具的材料选用

为了提高冷挤压模的使用寿命，保证冷挤压模具具有良好的性能，在选材上要注意：碳素工具钢和低合金工具钢淬硬性、强韧性和耐磨性较差，使用中易折断、弯曲和磨损，有时挤压模具会被压成鼓形，只宜作冷挤压应力较小、批量也不大的冷挤压模具；Cr12型钢是正挤压模具普遍采用的钢种，但在使用中，因韧性低，碳化物偏析严重，其脆断倾向大，正逐步被新型冷作模具钢替代；高速钢的抗压强度、耐磨性在冷作模具钢种最高，特别适宜制作承受高挤压负荷的反挤压凸模。但高速钢与Cr12型钢有同样的问题，即韧性低，易脆断，W18Cr4V钢更严重，为克服高速钢的缺点，保持其优点，生产中常用低温淬火来提高钢的断裂抗力；降碳型高速钢和基体钢用于冷挤压模具效果十分显著，降碳型高速钢主要用于冷挤压冲头。但对于大批量生产的模具，这两类钢的耐磨性还欠缺。对于大批量生产的冷挤压模具，应采用硬质合金，应用最多的是钢结硬质合金，常用来作冷挤压凹模。

4）冷拉深、拉丝模具

（1）拉深模具

拉深又称为拉延和压延。它是利用模具使平面材料变成开口空心零件的冲压方法。

①拉深模的工作条件和失效形式

拉深时，凹模承受强烈的摩擦和径向应力，凸模主要承受轴向压缩力和摩擦力的作用，高速拉深时，工作表面温度可达400～500℃。

拉深模常见的正常失效形式是黏附。在拉深过程中，金属受力流动时，金属材料和模具表面的凸出点所承受的压力最大，应力较集中，由于被拉深材料的塑性流动导致局部发热，致使它们瞬时焊合在一起，加上切向力的作用，使材料撕落而黏附在模具表面，形成凹凸不平的伤痕，黏结成瘤。若继续拉深，将会使制件的表面粗糙度增大，严重时将无法继续工作。对拉深模具的主要性能要求是具有较高的强度和耐磨性，在工作中不发生黏附和划伤。

②拉深模的材料选用

拉深模具的耐磨性能好坏，与被拉材料的种类、厚度、变形量、润滑方法及模具的设计和加工精度等因素有关。因此，对这类模具材料的选择，应按照其具体工作条件来决定。对于中小型模具，可选用质量较好的模具钢；对于大中型模具，在满足模具使用性能要求的前提下，应尽量采用价格低廉的材料，如球墨铸铁等；对于大批量生产的模具或模具上磨损严重的部位，可采用镶嵌模块式的方法解决，即在合金铸铁模框中镶嵌质量较好的材料作为模芯。

为了防黏附，在拉深铝、铜合金和碳素钢时，可对凸模和凹模材料进行渗氮和镀铬。拉深奥氏体不锈钢时，采用铝青铜作凹模材料，对抗黏附性能起到很好的作用。当生产批量较大时，需采用高碳中铬钢和高碳高铬钢作凹模材料，应进行渗氮和抛光，同样也有防黏附效果。硬质合金虽然适于大量生产的模具，但在无润滑情况下，极易发生黏附。

（2）拉丝模的材料选用

拉丝模属于变形量小的冷作压力加工模具，刃口部分承受强烈的摩擦力和较大的径向弯曲力。其失效形式主要是磨损和崩刃等。因此，拉丝模要求高的硬度和耐磨性以及良好的抗黏附性能。

拉丝模成形零件的材料选择，主要根据被加工材料的类别、线径大小、生产批量等因素和力求经济适用的原则来决定。