冷变形模具钢

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一、冷变形模具的服役条件、失效方式和性能要求
        冷变成模具（又称冷作模具）包括拉延模、拔丝模、压弯模、冲裁模(落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等)、冷镦模和冷挤压模等。 
        下面分别讨论几种典型的冷变形模具的服役条件。失效方式及性能要求。
(一)拉延、拔丝和压弯模 
        工作条件：凹模承受强烈的摩擦和径向应力，凸模除受摩擦外，还承受压缩应力。高速拉延时，工作表面温度可达400～500℃。 
        失效方式：经常因为尺寸磨损和表面产生沟槽而报废。 
        性能要求：高硬度和耐磨性以及一定的热稳定性。
(二)冲裁模 
        工作条件：刃口经受反复冲击摩擦和弯曲应力。 
        失效方式：正常失效主要为磨损。但常因结构或热处理不当而产生刃口剥落、折断等现象，造成模具早期失效。 
        性能要求：要求高的弯曲和抗压强度，高的耐磨性与足够的韧性。
(三)冷镦模 
        工作条件：冲头承受反复冲击压缩、冲击疲劳和冲击磨损。凹模承受反复冲击磨损。 
        失效方式：冲头磨损、镦粗、下陷、崩裂、折断或断裂。凹模模腔内壁拉毛(擦伤后磨损)和冲击疲劳失效。 
        性能要求：必须有足够的抗压屈服强度、弯曲疲劳强度和耐磨性，工作表面必须具有高的硬度(HRC≥60)和耐磨性；心部必须具有足够的韧性。
(四)冷挤压模 
        工作条件：承受很高的压缩应力(可达2500～3000MPa左右)。脱模时冲头还要承受拉应力。由于挤压一个工件是在一刹那间完成的，所以冲头也承受着冲击负荷。冲头工作过程中，其刃口部分由于与强烈流动的金属之间摩擦，引起擦伤和磨损。 
        失效方式：常见失效方式是疲劳破坏和擦伤磨损。 
        性能要求：模具材料应具有尽可能高的弯曲疲劳强度，尽可能高的抗压屈服强度和剪切抗力。此外，材料还应具备良好的耐磨性和韧性。
二、碳素及低合金模具钢 
        常用作冷变形模具的碳素工具钢有T8A、T10A、T12A。 
        常用作冷变形模具的低合金工具钢有9Mn2V、9CrSi、CrWMn等。 
        这些钢种只能用于制作工作负荷较轻的模具。
三、高铬模具钢 
        1、高铬模具钢的成分和特点 
        这类钢的典型钢号有Cr12和Cr12MoV，其化学成分如下： 
    这类钢含有较高的碳 (1.4-2.3%C)和大量的铬(11-13%Cr)，还有少量的钼和钒。 
    Cr12型钢中主要碳化物是(Cr,Fe)7C3和(Cr,Fe)7C型碳化物，其中溶有少量的Ti、Mo和V。这些碳化物在高温淬火时大量溶于奥氏体，增加钢的淬透性。高温回火后(500℃左右),又从马氏体中析出，产生二次硬化和增加回火稳定性，从而使钢具有高的硬度和耐磨性。 
    高碳高铬冷变形模具钢具有以下特点： 
    ①高的耐磨性：主要由于存在大量M7C3型碳化物。 
    ②高的淬透性：经900～1000℃淬火加热后，固溶体中含有4～5％Cr，过冷奥氏体稳定性很高，直径大于200～300mm的工模具，可以完全淬透。 
    ③淬火变形：随淬火温度的升高，体积变化减小，显然这与残余奥氏体量增多有关。此外，残余奥氏体的量，还可以通过适当回火来调整，以获得微变形。 
    ④高的红硬性和耐磨性：经二次硬化处理有较高的红硬性和耐磨性。 
    ⑤碳化物不均匀比较严重：通常需要通过改锻来降低碳化物的级别。 
    2、锻造和退火 
    高碳高铬型钢的组织和性能与高速钢有许多相似之处，也属于莱氏体钢。铸态组织和高速钢相似，有网状共晶莱氏体存在，必须通过轧制或锻造，破碎共晶碳化物，也减少碳化物的不均匀分布。 
    锻造以后通常采用等温退火进行软化，其工艺曲线如图8-3-1所示。退火后获得索氏体型珠光体＋粒状碳化物组织，与高速钢的退火组织相似。

图8-3-1 高碳高铬钢的退火工艺曲线
图中红色的线条为正常的淬火加热温度，在这个温度下
加热淬火，材料具有很好的强度和塑性的配合。

    3、淬火和回火 
    高碳高铬钢的组织和性能，其中包括硬度、强度、塑性、回火稳定性。淬火回火时的体积变形与淬火温度有极大关系，因为奥氏体的合金化程度以及稳定性与淬火温度有关。图8-3-2为Cr12MoV钢的硬度和残余奥氏体量与淬火温度的关系。 9 w" h9 Q( D7 L' E; v0 T

图8-3-2 Cr12MoV钢的硬度、残余奥氏体量与淬火温度的关系

    随着加热温度的升高，合金碳化物(Cr,Fe)7C3继续向奥氏体中溶解，增加了奥氏体中碳和铬的浓度，可获得较高的淬火硬度。淬火温度升高到1050℃时，淬火硬度达最大值。若淬火温度再升高，由于奥氏体中合金元素增多，使Ms点下降，从而导致残余奥氏体量的增加，硬度急剧下降。图8-3-3为Cr12MoV钢的机械性能(sbb。f)长度L及直径D尺寸变形量与淬火温度 # t# p4 l( k o) U* ~. H; @

图8-3-3 Cr12MoV钢的机械性能、长度L、直径D尺寸变形量
与淬火温度的关系
Cr12MoV钢在1050摄氏度加热淬火，尺寸变形量最小。

    Cr12MoV钢体积随淬火温度的变化而变化的原因，是由于残余奥氏体量发生变化而引起的。正确选择淬火温度，残余奥氏体量可以部分甚至全部抵消淬火时马氏体转变时所产生的尺寸增大，使变形量最小甚至无变形。 
    在1000～1075℃淬火后，可获得较好的强。塑性配合，淬火温度再提高，会使强度和塑性显著下降。图8-3-3还示出了机械性能与淬火温度的关系。 
    高碳高铬型钢的淬火、回火处理有下列两种工艺方法。 
    (1)一次硬化处理 
    这种方式是采用较低的淬火温度并进行低温回火。选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧性较好。通常Cr12MoV钢选用980～1030℃淬火，如希望得到较高的硬度，淬火温度可取上限。回火温度一般在200℃左右。回火温度升高时硬度降低,但强度和韧性提高。一次硬化处理使钢具有高的硬度和耐磨性，较小的热处理变形。大多数Cr12型钢制作冷变形模具均采用此工艺。 
    (2)二次硬化处理 
    这种热处理方式是在高的温度淬火，然后进行多次高温回火，以达到二次硬化(图8-3-4)的目的。这样可以获得高的回火稳定性，但稍降低钢的强度和韧性。二次硬化处理适于工作温度较高(400-500℃)且受荷不大或淬火后表面需要氮化的模具。 ! q" v& C! I B5 G9 A6 t$ ~* y, X

图8-3-4 回火温度对油淬Cr12MoV钢硬度的影响
图中曲线显示955摄氏度以下温度淬火没有二次硬化现象。1065摄氏度淬火，二次硬化现象最明显。

四、基体钢 
    所谓基体钢系指含有高速钢淬火组织中除过剩碳化物外的基体化学成分的钢种。这种钢，既有高速钢的高强度。高硬度，又不含有大量碳化物，故不致使韧性和疲劳强度降低。它既可以用于冷热变形模具钢，也可以用作超高强度钢来使用。凡在高速钢基体成分上，添加或调整合金元素并适当增减碳含量，以改善钢的性能，适应某些用途的钢种，目前均称为基体钢。