冷作模具钢

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冷作模具钢范文第1篇

【关键字】模具材料　热处理工艺　设计选用

【中图分类号】G　【文献标识码】A

【文章编号】0450－9889(2012)03C－0190－03

一、影响模具设计选用的基本因素

近几年来，我国模具工业发展迅速，每年保持15％左右的增长速度，但模具的制造水平和使用性能与世界上发达国家相比，还有很大的差距。模具市场竞争激烈，努力缩短模具的生产周期、提高模具的质量、延长模具的性能直接和间接带来的社会效益和经济效益是难以估量的。模具的质量包括模具的精度、表面光洁度和模具性能三个方面。模具的精度和光洁度主要由机加工决定，而模具的性能取决于设计、加工、材料、热处理和使用操作等多个因素，其中材料和热处理是影响模具使用性能最重要的内在因素。

模具材料对模具性能的影响反映在模具材料的选择是正确、材质是否良好和使用是否合理三个方面。选材时应兼顾模具使用性能要求。热处理不当是导致模具早期失效的重要因素。热处理模具性能的影响主要反映在热处理技术要求不合理和热处质量不良两个方面。统计资料表明，由于选材和热处理不当。致使模具早期失效的约占接近70％，其中热处理不当约占45％，选材不当、模具结构不合理约占25％。由此可见模具材料与热处理是影响模具性能诸因素中的主要因素。

二、模具材料简介

目前，模具材料大致分为冷作模具、热作模具、塑料模具、玻璃模具四大类，并且都有专门模具材料。

(一)冷作模具材料

冷作模具种类较多，形状结构差异较大，工作条件和性能要求不一，因此冷作模具选材比较复杂，必须综合考虑，才能发挥材料的潜能。目前，我国常用冷作模具材料大致分为四大类：碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金。市场流通以Crl2MoV、CrWMn、T10A等传统材料为主，比较新的模具钢，如DS、GD、CH、LD、C-M、ER5、65Nb、012AL、LMI、LM2和RM2等20多种牌号及粉末高速钢、钢结硬质合金等高档的模具材料，应用并不普遍。

(二)热作模具材料

热作模具一般在600℃左右的高温下工作，要求模具材料具有较高的强度、硬度、耐磨性、抗冷热疲劳性能、抗氧化性能和抗特殊介质腐蚀性能，用于制造锻压、热挤压、压铸、热镦模和高温超塑成形用模具。

为了适应压力加工新技术、新设备对模具材料在强韧性和热稳定性方面的高要求，国内外研制了许多新型热作模具钢，现正在生产中发挥着作用，其中有5CrNiMoV、5Cr2NiMoVSi、3Cr2MoWVNi、3Cr3M03W2V、3Cr3M03VNb、4Cr3M03SiV、4Cr3M03W4VNb、4Cr3M02MnVNbB、6W8Cr4VTi、4Cr5M02MnVSi、4Cr3M02NiVNb、4Cr3M02WVMn等材料，随着一些新的热加工技术的发展新的模具材料也应运而生，如铁基高温合金、镍基高温合金和难熔合金做高温的热作模具材料。若模具工作温度超过1000℃，一般采用钼基或钨基难熔合金制造。我国有关单位曾选择27种成熟热作模具钢材料，对其力学性能、工艺性能和使用性能进行测试和对比，并提出了各类热作模具钢的选材准则，可供借鉴。

(三)塑料模具材料

随着石化工业的迅速发展，塑料已成为十分重要的工业原料。塑料制品越来越多，用于制品的塑料模具钢消耗量达到模具钢总量的50％以上。与热作模具、冷作模具相比，塑料模具使用性能特殊，具体表现为：一是较高的硬度、一般的耐磨性、足够的硬化深度，心部要有足够的强韧性。二是较低的耐热性，在200℃～250℃的温度下长期工作，不氧化、不变形，尺寸稳定性好。三是有一定的耐蚀性。纳入国家标准的有3Cr2Mo等两个牌号，行业标准有SM5等20多个牌号，已在生产中推广使用的新钢种有10多个，初步形成了我国的塑料模具钢系列。

(四)玻璃模具材料

大多采用铸铁或铸造不锈钢，也有采用耐热钢或热作模具钢，国内有些单位正在研制新的玻璃模具钢。

三、模具热处理工艺概览

(一)热处理工艺在模具制造中的应用

1.采用锻造余热球化退火、循环退火及双细化处理工艺。20世纪80年代研制开发的模具钢快速细化退火处理新工艺，在理论和工艺上均不同于传统的高温加热缓冷(冷速＜30℃/h)球化退火和等温球化工艺，具有可消除链状碳化物，缩短退火周期，节能减排，减少氧化脱碳，球化组织细小匀圆，最终热处理后强韧性高，模具使用性能高等优点，有较好的技术经济效益。一些企业采用这一工艺满足了美国客商对模具金相组织的要求。

2.固溶双细化工艺。固溶双细化工艺完全利用热处理方法，使碳化物细化、棱角圆整化，同时使奥氏体晶粒超细化。其工艺的主要措施是高温固溶和循环细化。高温固溶可以改善碳化物的形态和粒度；循环细化的目的在于使奥氏体晶粒超细化。

3.非常规热处理工艺的运用。以下列举三类非常规工艺在模具热处理中的应用：一是热作模具钢改常规的高温回火为中温回火处理。二是3C~W8V等部分热作模具钢超高温淬火对某些模具收到奇效。三是高速钢制作的模具低温淬火性能高。

4.增加调质预处理。模具的预处理很少调质，实际上对于某些模具增加调质工序，很有好处。5CrW2Si钢制冷剪刀片，在600t废钢剪切机上使用，剪切12～25mm普通碳钢时，比未调质的性能提高5倍；Crl2钢制44mmx 85mm冷挤冲头，原工艺980℃淬火，280℃回火，硬度60～62HRC，性能7000～8000件，改为调质取代球化，性能提高到10万件以上。

5.真空及保护气氛热处理。该方法要求高精度、高性能的模具拟采用真空热处理或保护气氛热处理。

6.深冷处理。模具淬火后总会保留一定数量的残留奥氏体，为了减少或消除这些残留奥氏体，应在淬火后1h内进行深冷处理，以提高模具的硬度、耐磨性和尺寸稳定性。M12螺母冷镦模淬火后经－190℃深冷处理，性能提高两倍。

(二)模具热处理件结构工艺性

热处理模具的结构工艺性，是指在设计热处理模具，特别是淬火件时，一方面，应满足热处理模具的使用性能要求；另一方面，应考虑热处理工艺对模具结构的要求，不然会使热处理操作困难、增加淬火变形、开裂，使模具报废。因此设计人员需考虑热处理模具的结构工艺性，尽量考虑以下原则：零件设计时应尽量减小截面尺寸的差异，避免薄片和尖角。必要的截面变化应平滑过渡，形状尽可能对称，有时可适当增加工艺孔。

1.避免尖角和棱角。模具的尖角、

棱角部分是产生淬火应力最为集中的地方，往往成为淬火裂纹的起点，因此，在设计时应尽量避免，而设计成圆角或倒角。

2.截面变化应平滑过渡。厚薄悬殊的模具，在淬火冷却时，由于冷却不均匀而导致热处理变形与开裂。在模具结构设计中应采取措施开工艺孔，并合理安排孔的位置；加厚模具太薄的部分；避免盲孔和死角，盲孔和死角都使淬火时的气体无法逸出，造成硬度不均匀和淬火开裂，故应在盲孔处设置工艺排气孔或变盲孔为通孔。

3.尽量采用封闭对称结构。模具形状为开口或不对称结构时，导致淬火应力分布不均匀，容易引起变形因结构需要必须开口，制造时则应先加工成封闭结构，淬火、回火后成形开口，弹簧夹头大多采用封闭结构，淬火、回火后再用线切割切开槽口。对于完全对称的二件模具，可以先将二件加工成整体，热处理后再沿对称轴线切开。

4.采用组合结构。针对某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的模具或形状复杂的模具，在可能条件下可采用组合结构或镶拼结构。

总之，钢的淬火应力是由于淬火加热或冷却过程中工件内外温度差造成的。凡是增大工件内外温差的因素都增大工件中的淬火应力，反之亦然。

四、模具材料选择与热处理工艺选择例证

(一)低淬透性冷作模具钢及其热处理工艺

满足这些性能要求的冷作模具材料有低淬透性冷作模具钢、低变形冷作模具钢、高合金工具钢等，其中碳素工具钢是使用最多的低淬透性冷作模具钢，其特点是含碳量高，马氏体转变温度点(以下简称Ms点)低，临界冷却速度快，在快速淬火冷却时，产生热应力变形，使模具沿主导方向收缩变形，材料的含碳量越高，收缩量越大。这种收缩会在模具内部产生很大的内应力，必须通过回火或其他的方法有效地消除内应力。当然这种变形量的大小要受模具截面尺寸、淬火加热温度、淬火冷却方式和回火温度等因素的影响。因此，淬火和回火工艺是影响低淬透性冷作模具性能的主要因素。因为碳素工具钢模具多为中、小截面(10mm～50mm)。为减小淬火变形，T10A，T12A一般选择较低的淬火温度。当采用硝盐浴或碱浴冷却时，淬火加热温度可选择810～820℃；如果是水一油冷却，加热温度为760～780℃。对于T8A钢，根据模具截面尺寸的增大适当提高淬火温度以提高模具的淬火后硬度。采用水淬时，对于截面厚度t小于15ram的制件，加热温度应选择800～820℃；截面厚度t在30～50mm时，加热温度应选择820～830℃。采用硝盐浴分级淬火时，可在以上所述淬火温度上做适当调整。碳素工具钢的硬度随回火温度的升高而下降，当回火温度超过200℃时硬度就会明显下降。而且当回火温度在200～250℃时，会产生回火脆性，导致韧性下降。因此，韧性要求比较高的碳索工具钢模具应该避免在此温度回火。同时，采用250℃回火时，淬火马氏体会产生不同程度的分解，使模具产生收缩变形。因此，为了减少收缩变形，在保证模具使用性能的条件下。应尽可能降低回火温度。

(二)低变形冷作模具钢及其热处理工艺

低变形冷作模具钢是在碳素工具钢基础上加入少量合金元素发展起来的，CrWMn是其典型钢种。CrWMn钢具有高淬透性，淬火时不需要强烈的冷却，淬火变形比碳素工具钢明显减少。但是，这类钢的变形同样受到淬火加热温度、冷却方法、回火工艺和模具截面尺寸的影响。该钢淬火温度的选择，由于钨形式碳化物，所以这种钢在淬火及低温回火后具有比铬钢和9SiCr钢更多的过剩碳化物和更高的硬度。当采用800℃加热淬火时，既能获得较高的硬度(63HRC)还可以获得较高的抗弯强度和韧性。如果继续提高淬火温度，硬度上升但冲击韧度、抗弯强度会降低。当淬火温度大于850℃时，硬度也开始下降。因此，为减小变形并获得高的耐磨性，由这些钢制造的模具，其淬火加热温度不宜过高。CrWMn钢淬火常用的冷却介质是硝盐浴和矿物油，其中硝盐浴的使用温度较高而冷却能力却比油大。对于精度要求高的模具，根据硬度要求选择不同的温度进行等温淬火，等温时间不宜过长，等温后随硝盐浴一起缓冷。这样不仅能显著减小组织应力，还能有效控制变形量。CrWMn钢等温淬火后比普通淬火的强韧性高，对于易产生断裂的模具可采用等温淬火。该钢淬火后于150℃～160℃回火，可使原来淬火后膨胀的体积产生收缩。回火温度升高到220℃～240℃，又开始出现尺寸膨胀，在260℃～320℃回火时，会出现尺寸膨胀的最大值，而继续提高温度，变形又趋于收缩。当CrWMn钢要获得大于60HRC的硬度时，回火温度应不超过200℃～220℃。因此，在选择回火温度时应根据模具的结构、尺寸和硬度要求合理选择回火温度。选择合理的回火温度可以最大限度地消除由淬火产生的内应力，有效提高模具的寿命。

(三)高合金工具钢及其热处理

高耐磨微变形冷作模具钢、高强度高耐磨冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢等主要是高合金工具钢。高耐磨微变形冷作模具钢的常用牌号有Crl2、Crl2MoV、Cr6WV、CrSMolV和Cr4W2MoV等。这类钢的含碳量高，同时含有太量的碳化物形成元素，具有高的淬透性、耐磨性和热硬性。高合金工具钢由于淬透性高淬火时不需要快速冷却，因此产生的内应力小。高合金钢模具淬火温度的选择应首先考虑控制淬火变形。试验证明：当淬火温度为1030℃～1040℃时模具的变形量最小，接近于零。低于这个温度淬火，制件发生胀大变形；高于这个温度淬火，制件收缩变形。淬火温度为1100℃时，收缩量会急剧增大。为防止模具在高温下氧化和脱碳，一般应在盐浴炉中加热。冷却方法的选择则根据模具的具体情况和要求而定。截面尺寸大的模具可用150℃～200℃的油来充当淬火冷却介质。停留一段时间出油后空冷；大多数中、小尺寸的模具可以采用250℃～300℃的硝盐浴分级冷却；精度要求高、形状不对称的模具可以采用540℃～600℃的氯化盐和250℃～300℃的硝盐浴2次分级冷却；精度要求很高，需要严格控制变形的模具，可以采用2次分级冷却，并在硝盐浴中停留一段时间后随硝盐浴一起缓慢冷却，这样可以最大限度地减小内应力，避免模具开裂或产生细小的裂纹，从而提高模具的使用寿命。高碳高铬钢的回火抗力高，回火时马氏体的分解和残余奥氏体的转变是影响模具尺寸变形的两个主要因素。Crl2MoV钢采用低温淬火和低温回火时，可以获得高度硬度、强度和断裂韧度；若采用高温淬火与高温回火，将获得良好的热硬性，其耐磨性、硬度也较高，但抗压强度和断裂韧度较低；而采用中温淬火与中温回火，可以获得最好的强韧性配合。在生产中，采用何种淬火、回火工艺，应根据模具的工作条件及具体性能要求来确定。

(四)热作模具钢热处理工艺

热作模具钢主要用于制造高温状态下进行压力加工的模具，如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦模具等。热作模具在工作时承受着很大的冲击力，模腔和高温金属接触后，局部可达500℃～700℃，有的甚至达到1000℃左右，同时还经受着反复的加热和冷却，使模具的工作表面容易产生热疲劳裂纹，另外炙热金属被强制变形时，与模具型腔，表面摩擦，模具极易磨损并且硬度降低。因此，热作模具钢要求能稳定地保持各种力学性能，特别是应该具备较高的热强性、高的热疲劳性、良好的韧性和耐磨性。

第一代热作模具钢主要包括5CrNi－Mo、5CrMnMo和3Cr2W8V钢，自上世纪30年代初在工业中应用后至今仍广为应用，已经积累了丰富的冶炼、锻造、机械加工和热处理工艺经验；第二代热作模具钢则是以美国的AISIHl0、Hll、H12、H13钢系列为代表，尤其以H13钢最受欢迎。H13钢的热处理新工艺，双重淬火是用高温淬火――高温回火(1160℃淬火＋720℃回火)取代普通球化退火，再进行常规热处理。工艺结果显示，随奥氏体化温度升高，H13钢硬度及断裂韧性升高，但冲击韧性下降；而经双重淬火的可在几乎不降低韧性的条件下得到最大的断裂韧性，硬度值也高于普通淬火。双重淬火能改善断裂韧性，是因孪晶马氏体和未溶碳化物量的减少及残余奥氏体量的增加所致。断裂韧性的改善，有利于提高H13钢热作模具的疲劳裂纹扩展能力和热疲劳开裂能力，抑制热裂纹扩展。

冷作模具钢范文第2篇

关键词：汽车 模具 材料选用 使用寿命 成本

模具是冲压生产的关键工艺装备，随着模具行业的不断发展，模具在兵器工业、机械工业及日用品的生产中应用越来越广泛。我国的模具行业已步入了高速发展时期，但模具的制造水平和使用性能与世界上发达国家相比，还有很大的差距[1]。现代汽车90%以上的白车身零件，都靠冲压模具实现大批量生产。

根据汽车冷冲模具的使用寿命要求：在正常使用、维修状态下，能多批次、小批量生产出50万辆合格零件。故模具材料的性能、质量对模具的使用寿命有极大的影响。因此，模具材料的研究和开发，一直受到模具钢生产厂商的重视，并得到了迅速的发展。

1.模具材料的现状

近年来，我国模具钢生产技术发展较快，用于制造冷冲压模具材料主要分为以下几类：

（1）高碳低合金冷作模具钢，如：9SiCr、7CrSiMnMoV、8Cr2MnWMoVS、等。

（2）抗磨损冷作模具钢，如：6Cr4W3Mo2VNb、Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等。

（3）抗冲击冷作模具钢，如：4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si等。

（4）冷作模具用高速钢，如：W6Mo5Cr4V2、W12Mo3Cr4V3N、W9Mo3Cr4V等。

2.汽车模具材料的使用性能

（1）冲裁模材料的使用要求

对于薄板冲裁模具的用材要求具有高的耐磨性和硬度，而对厚板冲裁模除了要求具有高的耐磨性、抗压屈服点外，为防止模具断裂或崩刃，还应具有高的断裂抗力、韧性。

（2）拉延、整形模材料的使用要求

要求模具工作零件材料具有高的耐磨性和硬度、一定的强韧性以及较好的切削加工性能、良好的抗粘附性（抗咬合性），而且热处理时变形要小。

根据汽车厂生产冲压件的模具现状，汽车模具主要采用的材料为：钼铬铸铁、Cr12MoV、铸态空冷钢。

钼铬铸铁：属于镍硬白口铸铁系中高铬白口铸铁的一种，由于其共晶组织由一种M7C3型碳化物和奥氏体其它转变物组成，其基体退火成马氏体后能表现出很高的耐磨性，同时其含有的铬能显著提高强度、硬度和耐磨性、锰能显著提高韧性，而且钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性。其热处理的方法为表面淬火，大量节省热处理时间，淬火后硬度HRC 50以上，热处理后变形量小。由于其铸造性好，且铸造成本较低，可实现整体铸造，减轻钳工的工作强度，缩短模具的制造周期。同时由于其硬度相对空冷钢低，加工时对刀具的磨损较小，具有良好的切削加工性能，加工成本低。在模具工作时，由于钼铬铸铁的散热性能优于其他几种模具材料，尤其模具在机械压力机上工作时，其具有良好的抗粘附性（抗咬合性）能最大化的保护模具，延长模具使用寿命。维修时，可以直接对其表面进行冷焊，大量节约维修时间。但由于其淬火后的硬度相对较低，耐磨性差，生产高强板的模具不会采用钼铬铸铁。

Cr12MoV：属于高碳高铬钢，其含有大量的碳化物和高合金度的马氏体。使钢具有高硬度、高耐磨，其硬度与耐磨性要高于钼铬铸铁。其含有的钒能细化晶粒增加韧度，又能形成高硬度的VC，以进一步增加钢的耐磨性；铬又使钢具有高的淬透性和回火稳定性。经整体淬火后，需要1～2次的回火，热处理时间较长。火后硬度可以达到HRC 60-62。但热处理后变形量要大于空冷钢，消除变形困难，容易降低模具的精度。生产Cr12MoV模具钢的方法为锻造，生产成本较高，同时由于锻造工艺的局限性，Cr12MoV钢只能分块锻造，制造模具时还需要拼装镶块，增加了钳工的劳动强度，延长了模具的制造周期，成本也随之增加。同时由于其硬度相对空冷钢高，加工时对刀具的磨损较大，增加了切削加工的时间和成本。另外，由于Cr的大量存在，钢液结晶时析出的大量共晶碳化物，形成带状或网状碳化物脆性区，其塑性、韧度差，裂纹很容易在这里萌生与扩展，往往成为裂纹产生的主要原因，使其使用寿命降低。对其维修时，由于焊接性能差，不能直接对其表面进行冷焊，需要加热并保温一段时间后，再对其表面进行焊接，大量浪费维修时间。

铸态空冷钢：是一种以铸代锻的高碳低合金钢，其含有的锰使钢有较高的强度和硬度，提高钢的淬性。其热处理的方法也为表面淬火，然后空冷即达到淬火的目的，大量节省了时间和成本。火后硬度可达HRC 55以上，不须其他加工，所以变形很小，并且随淬火温度的升高变形量逐渐减小[2]。空冷钢进行表面淬火后，淬硬层下有高韧性基体作衬垫，韧性高于Cr12MoV，工作时不容易产生开裂、崩刃现象。但由于铸态空冷钢不能整体铸造，在加工模具前，需要钳工将镶块拼接好后在进行机加，钳工劳动强度增加，延长了制造周期，增加了制造成本。但由于其可以使用泡沫板材制造成近型模具型，可以节省铸造费用以及部分加工费用，又可以降低部分成本。其硬度相对钼铬铸铁高，加工时对刀具的磨损较大，增加了切削加工的时间，增加了加工成本。另外，空冷钢具有良好的焊接性能，从而模具获得较高的使用寿命。制造有偏差时可以直接进行补焊，经打磨修整即可达到理想的效果，大量的节约了维修时间。

基于以上性能介绍，适用于拉延凸模、凹模、压料圈的材料为钼铬铸铁和Cr12MoV；适用于整形模的材料为钼铬铸铁、Cr12MoV、铸态空冷钢；适用于修冲模具的材料为Cr12MoV、铸态空冷钢。

3.结论

故经过上述材料性能对比以及对生产现状的经验积累，对于普通钢板（如DC01、DC04、DC06、B170P1等），料厚在1.2以下时，由于板材的屈服强度在260MPa以下[3]、硬度比较低的钢板，拉延模具的材质选用钼铬铸铁即可；修冲模具的材质选用铸态空冷钢即可；翻边整形模具工作部分的包容型面等要求高韧性的地方，镶块材质选用铸态空冷钢即可，工作部分的被包容型面等要求具备高耐磨性的地方，镶块材质选用钼铬铸铁即可。

对于高强钢板（车身常用材料，如B280VK、B340/590DP、B400/780DP、SAPH440等），以及料厚在1.2以上时，由于板材的屈服强度在260MPa以上，590MPa以下[3]、硬度比较高的钢板，拉延模具的材质选用Cr12MoV即可；修冲模具的材质选用Cr12MoV即可；翻边整形模具工作部分的包容镶块材质与被包容镶块材质选用Cr12MoV即可。

参考文献：

[1]黄全新 模具材料与热处理工艺选择探讨 《广西教育》2012年第11期

冷作模具钢范文第3篇

Abstract： The article has carried on the experimental study on the performance of low chromium alloy steel with different rare earth content， the experimental results show that： in order to refine the organization of alloy steel， get the right size of carbon compound， make good interaction of alloy element and reduce the influence of harmful elements， the rare earth content should be controlled at about 0.1%.

关键词： 合金钢；稀土；力学性能

Key words： alloy steel；rare earth；mechanical performance

中图分类号：TG142.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）20-0321-02

0 引言

在炼钢过程中，添加适当的稀土，对合金钢的强化和净化有着良好的作用。我国稀土资源丰富，合理利用稀土，控制合金钢中稀土的含量尤为重要[1]。为了合理的利用稀土，探索稀土提高合金钢性能的规律，有必要对稀土与合金钢性能之间的关系进行研究。

1 试验合金钢的选择

为了研究稀土对合金钢性能的影响，现以低铬合金模具钢为实验对象，研究稀土与低铬合金模具钢性能之间的关系。一般地，对于合金模具钢，通常要求其具有良好的组织稳定性、抗冲击韧性和抗回火稳定性，在高温下能具有较高的耐磨性、硬度和强度。为了满足以上要求，同时又要节约成本，现确定在合金钢中加入低含量铬的同时，加入Cu、Mn、Mo、Al、Si、V等合金元素，放弃加入镍、钨等贵重金属元素。以上合金元素的加入，能够强化基体，获得MoC、VC等特殊碳化物和合金碳化物，从而提高组织稳定性。Cu、Al的加入可以提高模具钢的散热性能。Cr、Si、Al能够提高合金钢的抗生长与抗氧化能力。散热性能、抗生长和抗氧化能力的提高又能进一步提高合金钢的高温性能。Mn、Si等元素的加入能够提高钢液的流动性。此外稀土的影响与合金元素进行配合，进一步提高合金钢的强韧性[2，3]。试验合金模具钢的具体成分如表1所示，除RE变化外，其他元素均以中限成分控制。

2 试验材料及方法

2.1 实验材料 材料包括：钼铁、锰铁、钒铁、电解铜、铬铁、硅铁、包头稀土硅铁、废钢、铝锭、清渣剂、增碳剂等。

2.2 实验方法 本实验采用感应炉熔炼试验用钢，热电偶测量温度。熔炼最后采用砂型浇注成10mm×10mm×55mm标准测试试样。试样浇注温度为1550℃。采用箱式炉对需要热处理的铸态试样进行热处理。通过测试试样铸态与热处理后的硬度和冲击韧性，研究合金钢性能。利用摆锤智能力性试验机测试试样冲击韧性。在相同实验条件下，利用磨损实验机对试样与另外两种合金钢作磨损性能对比实验。同时在相同条件下，对试样与两外两种合金钢做抗氧化性能对比试验。制取不同成分合金钢的金相照片，并对其进行分析。

3 实验结果与分析

3.1 试样硬度和冲击韧性 化学成分（RE）不同的合金钢试样，每种合金成分浇注3件试样，冲击韧性和硬度结果3件平均，如表2所示。

由表2可知，热处理前，合金钢的稀土含量越高，其冲击韧度和硬度越高且冲击韧度变化更加明显。热处理后，当稀土含量较低时，合金钢的冲击韧度和硬度随稀土含量的提高而增强。然而当稀土含量到达0.1%时，稀土含量进一步增加，对合金钢的性能的提升不明显。

3.2 试样耐磨性和抗氧化性 化学成分不同的合金钢试样耐磨性如表3所示。由表3可知，试验用低铬合金钢的耐磨性比2Cr3Mo2NiVSi，7Cr7Mo2V2Si两种合金钢更好。这是由于合金元素强化了基体的基础上，合金钢内部析出合金碳化物与MoC、VC等特殊碳化物还与基体达到了理想的配合效果。在室温～800℃时，由于三种合金钢表面都形成了氧化膜，起到了保护作用，故而三种合金钢都无增重。合金钢的耐热性随着Mo含量的增加而增强，此外Cr、Si、Al都可生成致密的氧化物，形成保护膜[4]。在800℃和800℃～室温时，试验合金钢氧化程度比另外两种合金钢氧化程度都低。这是由于稀土、V等增强了试验合金钢组织细化的程度，从而使其扩散系数降低，减轻其氧化程度。同时碳化物在回火的过程中析出速度和长大速度都较为缓慢，提高了钢的强度和抗回火稳定性。由于本实验研究的合金钢比2Cr3Mo2NiVSi（高强韧性钢热作模具钢），7Cr7Mo2V2Si（高强韧性冷作模具钢）某些性能更为优越，故而试验钢有满足冷、热作模具钢性能的潜质。

3.3 试样铸态金相组织分析 化学成分不同的合金钢试样铸态金相组织如图1所示。

由图1可知，当未加入稀土时，试验合金钢组织非常不均匀，相对碳化合物尺寸较大，网状二次碳化合物较为明显。加入少量的稀土的3号试样中，二次碳化合物断网明显。稀土含量越高，1号试验样品组织越来越均匀，越来越细。稀土含量的增加使得碳化合物支晶和莱氏体网格越来越细，进而提高合金钢的冲击韧性。不同化学成分的合金钢试样热处理后的金相组织如图2所示。

由图2可知，热处理后，未加稀土与加入稀土的合金钢组织都包括回火马氏体、少量回火托氏体、含铬和锰等的合金碳化物与分布均匀的VC、MoC特殊碳化物。然而含稀土越多，碳化物尺寸越小。该特征在提高放大倍数后非常明显。此外稀土元素还可融入碳化合物中，或者与氧、磷、硫、硅、铝发生反应生成氧化物等，降低有害杂质对脆性的影响。此外，1号合金钢试样与2号合金钢试样组织性能比较接近，由此可知，在该实验环境与条件下，合金钢中稀土含量达到0.1%附近时，稀土对碳化合物尺寸的减小，与合金元素的配合，在晶界处的分布以及减小有害物质的影响等综合效果较为明显。

4 总结

稀土的加入可显著提高实验用合金钢力学性能，可提高合金钢6HRC的硬度，35%左右的；当合金钢中的稀土含量在0.1%左右时，稀土对合金钢力学性能的提高最为明显，最为经济；稀土的加入对铸态和热处理后的合金钢中组织和碳化合物等都有细化作用；加入稀土后的试验用合金钢具有较高的强度和韧度，可以尝试作为冷、热模具钢使用。

参考文献：

[1]李恒德，师昌绪.中国材料发展现状及迈入新世纪对策[M].济南：山东科学技术出版社，2003.

[2]李家锐，张中可，车云等.稀土含量对铝中间合金组织和性能的影响[J].热加工工艺，2011，03：44-47.

冷作模具钢范文第4篇

【关键词】T10A；热处理工艺；冲裁模；碳素工具钢

基于T10A碳素工具钢的冲裁模具在现代机械工业领域的应用非常广，而机械工业的生产效率很大程度上直接取决于冲裁模具的制作质量。冲模失效是冲裁模具制作的最大阻碍，基于其成因的分析可知，锻造方法的合理性和热处理工艺的改进具有现实意义，即实现冲裁模具使用性能的提高和使用寿命的延长。本文结合具体案例，就T10A碳素工具钢的热处理工艺展开讨论。

1.冲裁模工作条件和性能要求

冲裁模是完成冲压生产的必要装备，即冲压生产工艺方案的落实离不开模具结构的支持。冲裁模的制作质量和制作精度直接影响着冲压零件的质量和精度，而冲压生产效率和冲裁模使用性能和寿命直接取决于冲裁模结构的先进性和合理性。源于冲裁模尺寸、形状、精度和生产条件的差异，冲裁模结构和类型也不尽相同。

1.1工作条件

冲裁模多用作板材的落料和板材的冲孔。源于凹凸模具的刃口即为模具的工作部位，其必然会承受模具工作阶段产生的剪切力、冲击力、弯曲力和摩擦力。

1.2性能要求

源于冲裁模具的工作条件，即在冲裁阶段，冲裁模具承受着弯曲应力和摩擦力，冲裁模具必须具备足够高的抗弯曲强度、抗压强度、韧性、耐磨性和硬度（见表一），且其还应该具备较小的热处理变形量和低廉的造价。需注意，冲裁模具的制作板材决定了冲裁模具的性能指标。就板材厚度而言，冷冲裁模具包括板厚大于1.5mm的厚板冲裁模和板厚≤1.5mm的薄板冲裁模，其中薄板冲裁模要求板材的耐磨性要高；厚板冲裁模要求板材的抗弯曲强度、耐磨性和强韧性要高，以防冲裁模具断裂。

表一 不同冲裁模具的硬度要求

基于冲裁模工作条件和性能要求，某电力设备企业应用了基于T10A碳素工具钢的冲裁模具。T10A碳素工具钢具有强耐磨性、高强度、切削加工和锻造加工简单、造价低廉等优点。源于碳素工具钢的高含碳量、低塑性，务必要严格控制碳素工具钢的纯度，以确保切实消除淬裂现象的出现，而P/S的含量应被控制在0.02%或0.03%内。

2.毛坯制作要求

一般而言，冲裁模应经锻造制成毛坯。碳素工具钢良好的锻造性能，务必要严格控制锻造阶段存在的表面脱碳现象，且注意尽可能缩短加热时间和锻压比（>4）。待碳素工具钢锻造结束，在进行空气冷却处理，需注意初锻温度为1200℃；终锻温度为800℃。

3.热处理工艺分析

T10A碳素工具钢热处理的主要工艺流程为：预先热处理淬火回火。本文就以上三个方面展开讨论。

3.1预先预处理工艺

待T10A碳素工具钢锻造完毕，为了方便后序加工和最终热处理，务必要采取措施，使锻件应力被消除和组织被改善，以确保锻件具备适宜的组织和强度。基于此，就毛坯状态中的锻件做预先预处理具有现实意义。一般而言，球化退火法（见表二）可使T10A碳素工具钢的渗碳体以球状形式均匀分布开来。如果锻件在晶界方向产生网状碳化物，则有必要先做正火处理再做球化退火处理。实践证实，球化退火法可获取铁素体机体中的粒状碳化物组织。

表二 某企业球化退火工艺参数

3.2淬火工艺

源于T10A的低淬透性，其有必要事先做冷水冷却处理，但易引起冲裁模具淬裂或变形。此外，源于碳素工具钢的热敏感性，晶粒的体积会随之变大，而碳素工具钢的淬火温度多波动于奥氏体与碳化物的共存区间，原因在于碳化物可通过阻止奥氏体的增长把碳素工具钢的晶粒控制到要求范围内，进而确保碳素工具钢的韧性及冲裁模具的耐磨性。一般而言，淬火加热温度应保持在最低温度，即760-780℃，以防模具出现淬火开裂现象，且注意T10A碳素工具钢冷却的基础应为淬火法。

模具材质和加热时间的确定取决于工件的尺寸，即不同的工件大小对应不同的升温时间，不同的模具材质对应不同的保温时间和加热时间，且注意模具的组织性能取决于加热时间的控制。一般而言，碳化物溶解的保温时间应控制在15min-25min内，以确保T10A冷作模具基体奥氏体化。

3.3回火工艺

冲裁模具的回火处理应安排在淬火加工工艺完毕之后，且注意衔接时间的控制，回火温度的确定基础应为冲裁模具的硬度要求，以确保冲裁模具成品能够满足韧性、强度和硬度的要求。就T10A碳素工具钢而言，不同的回火温度对应不同的强度要求（见表三）：

表三 T10A碳素工具钢在不同回火温度下的硬度

需注意，回火温度在200℃-300℃间时，任何冷作模具钢均会出现回火脆性现象，进而引起模具韧性下降，则高韧性的T10A碳素工具钢模具要求尽可能规避上述回火温度。

4.结束语

综上所述，T10A碳素工具钢凭借着自身所具备的造价成本低廉、使用性能优等优点而被广泛应用于各小批量机械生产领域。但在冲裁模具的制作阶段，务必要基于性能要求和工作条件选择最佳的锻造方法和热处理工艺，以确保模具使用性能的提（下转第118页）（上接第21页）高和使用寿命的延长。

【参考文献】

[1]谈淑咏，蒋穹.氯化钙水溶液淬火介质在碳素工具钢热处理中的应用[J].机械工程材料，2008，32（3）：72-74.

[2]徐桃.多次冲击碰撞载荷下T10钢的累积宏观塑性变形及其机理分析[D].苏州大学，2011.

冷作模具钢范文第5篇

一、模具材料种类、特性简介

为便于对后面高效模具加工刀具介绍的理解，有必要对模具材料及加工方式作一个简单介绍。

（一）模具类型

模具主要分为以下几个类型：大型汽车外覆盖件冲压模具、普通塑胶注塑模具、PVC注塑模具、吹塑模具、五金冲压及板金模具、热挤压模具、热锻模具等等。

（二）模具材料

每种不同的模具以及同一模具的不同部位所采用的材料有相当大的差别，其加工特性也有很大的区别。模具材料的种类极为繁多，这里只介绍与本文相关的被加工材料。

1．C45W中碳钢：牌号为S50C~S55C 45钢，香港称为王牌钢，此钢材的硬度为HB170～220，模具有70%～80%的加工采用这种钢材，适用于大多数加工对象。

2．40CrMnMo7预硬塑胶模具钢：硬度HRC28～40，很适合做一些中低价模具的镶件，有些大批量生产的模具模架也采用此钢材，好处是硬度比中碳钢高，变形也比中碳钢稳定，这种钢在塑胶模具上被广泛采用，较为普遍的品牌有718S、718H、738H、NAK80、NAK55等，这种钢材的应用占模具的15%～20%左右，其加工难度大于45钢，主要为型芯和型腔加工。

3．fc250-fc350，fcd500-fcd700：材料中添加了Cu、Ni、Mo等合金，通过对总碳量、Si、Mn、P、S、Mg等组成元素进行控制，在分子结构上由于晶体易于变形，使之易于马氏体化。

一直以来，国内汽车行业所使用的模具材料主要包括铸态和锻态两大类。铸态材料常用的牌号为HT300、钼铬铸铁、铸态风冷钢（7CrSiMnMoV）；铸铁材质主要用于模具基体，铸钢材质则用于镶块。锻态材质常用的牌号为锻态风冷钢（7CrSiMnMoV）、Cr12MoV，主要用于制造汽车外覆盖件模具。

二、汽车外覆盖件模具粗加工用球头铣刀

近年来，工业领域使用的刀具产品样式不断变化，且绝大多数企业本着降低制造成本的生产理念，要求生产高精度、高品质的产品。这种现象在汽车行业加工领域也不例外。针对客户的要求，株钻刀具技术公司采取的策略是不断提高刀具使用寿命以及缩短加工时间。株钻公司最新推出了几种新型高效刀具，在车门、保险杠、车架等零部件的冲压模加工时，能够大大提高刀具使用寿命、降低加工成本。其中BMR03系列刀具就是其中之一。

该款刀具适用于汽车外覆盖件模具粗加工时的型面轮廓强力仿形切削，一般来说，D50、D40的刀具进行型面开粗，D30的刀具进行型面的半精加工和圆弧过渡面的清根加工，被加工工件的材质主要是以上介绍的冷作模具钢和钼铬合金铸铁，为了降低成本，有些低档卡车模具也采用GCr15钢和灰口铸铁，甚至采用A3钢堆焊的毛坯生产。因此要求该刀具有极高的综合切削性能：（一）适用于各种被加工材质的刀片槽型和结构；（二）优秀的抗冲击性能，强力铣削加工时不能出现切削刃意外崩缺；（三）长的刀具使用寿命，一般客户希望能够在不更换刀片情况下不间断地加工完一个型面，对于加工一个大型模具意味着4～12小时的加工寿命；（四）低的切削振动，这是制约加工效率提高最难逾越的因素；（五）高的形状精度和高负荷加工下刀具的精度保持性；（六）高的刀体可靠性。

转贴于 该刀片的槽型是综合考量各种实际切削因素，并且通过长达两年的用户试验，不断优化而最终定型的。具体而言，主要在以下几个方面进行了优化设计。

比传统刀具更高的精度，刀片安装在刀体上后，与理想球体的理论误差应尽可小，而且曲线不能太复杂，以免造成研磨困难。株钻球头铣刀的球形刃设计精度（所有系列）均为≤0.005mm，制造轮廓误差≤0.05mm（ZOLLER测刀仪检测）。

中心刀片的刀尖设计保证更低的切削振动和抗冲击性能，过中心区域切削速度极低（接近于零）。切削阻力极大，非常容易出现刀尖崩缺现象。必须进行大量试验室试验和客户实际试验来提高刀片性能。举例来说，其中有一项为切削阻力和切削振动对比试验，试验方案如下：试验刀具为A、B两种国外D40球头铣刀，被加工材料为P20HRC35，切削参数：Vn=3000，ap=0.5mm，ae=1mm，f=3000mm/min，测试仪器：KISTLER动态电荷测力仪。

由试验结果可知：

（一）在其他条件相同的情形下，f=0.5mm/z时，A刀具的最大主切削力Fx=400N，最大主切削力Fx=50N，最大振幅为350N，平均切削力为230N；

（二）在其他条件相同的情形下，f=0.8mm/z时，A刀具的最大主切削力Fx=600N，最大主切削力Fx=80N，最大振幅为520N，平均切削力为290N；

（三）在其他条件相同的情形下，f=0.5mm/z时，B刀具的最大主切削力Fx=800N，最大主切削力Fx=160N，最大振幅为640N，平均切削力为400N；

（四）在其他条件相同的情形下，f=0.8mm/z时，B刀具的最大主切削力Fx=1000N，最大主切削力Fx=200N，最大振幅为800N，平均切削力为500N。

由以上四点可知，在1mm的小切深情况下，在所有切削条件相同的情况下，B刀具的刀尖受力情况明显比A差很多，平均受力大了几乎一倍，刀具在同等频率下振动的振幅也明显大得多，而上述切削参数在大多场合都是正常切削参数，这说明在刀具刀尖的处理上A刀具的设计方案明显优越。而B刀具由于切削阻力和切削振动太大，且刀尖的切削前角仅为－20°，刀尖过于单薄，刀具的过中心刀尖非常容易崩缺。

因此刀尖的形状设计非常重要，对刀具的实际切削效果有显著的影响。实际上优化设计刀尖形状和参数是一个非常繁杂的过程，要平衡诸多因素，如切削振动、刃部强度、刀具使用的工艺特点、刀片材料特性、本身的工艺性等等，很难一蹴而就，要往返多次不断完善。

刀片的槽型优化设计，球头铣刀的圆弧切削刃各点的切削线速度都不相同，轴心区低，外部高，线速度的变化极大，因此各点承受切削阻力相差很大。

当切削速度低于某个值时，切削阻力会急剧增大，而高过此值时，变化会比较平缓，因此设计主切削刃棱带、槽型主参数时必须遵循这个规律。对于球头刀来说，设计为变棱宽棱带、光滑曲面的切屑导流槽、连续变化的前角、槽宽等最为合适，配合前刀面的减振凸台设计可以在保证刃口强度的基础上尽可能减少棱宽，从而最大化减少切削阻力和抑制振动。分屑槽刀片，对于大直径刀具D50、D40刀具和大悬长刀具来说，在进行过渡全刃接触铣削时，几乎难以加工，排屑非常困难。刀片极易被挤缺。这时需要采用分屑技术的刀片。在实际验证时，加工效率得到2倍以上的提高。

转贴于 极限过载和疲劳破损校验，进一步改进刀具结构，确保刀具能够长期稳定切削。极限试验主要用于检测刀具在推荐切削参数下的安全性能，包括一系列的超载试验。这需要投入极大的物力和精力，一个产品的开发必须包含此项验证。这里列举其中一项试验：

检验刀具：BMR03-040-G32-XP30-02-M；刀片：XPHT40R2004；牌号：YBG302

被加工材料：NAK80（HRC40）

切削参数：Vn=2500，ap=5mm，ae=4mm，f=2000mm/min

试验结果：加工16小时后，刀具出现疲劳损坏裂纹。刀体上部安装刀片的刀槽底面与侧面出现明显裂痕，刀体已经无法继续使用。

正是疲劳试验发现了该刀具的内在缺陷，为此进行了四次大的改进来解决这个问题，其中包括（一）面与面间采用圆弧过渡，消除应力集中；（二）更高精度的锁进螺纹配合，提高刀片的安装刚性；（三）采用优质耐热合金钢制造刀体；（四）改变表面处理和热处理工艺，提高抗疲劳性能。改进产品小批量客户试验证明，消除缺陷的产品完全可以满足实际使用要求，现在大批量订货也没有出现问题。

新型球头铣刀较传统刀具有较大优势，加工实例证明了其高效切削性能，比原来传统球头铣刀提高加工效率2倍以上，且刀具寿命更长，性能可与国外先进厂家相当；批量应用证明该刀具性能稳定可靠，由于性价比高，节约了刀具消耗成本。

三、新型大进给铣刀

株钻刀具公司推出的新型大进给铣刀几乎已成为HPM的狭义对等词。这种大进给铣刀结合了低振动切削和高进给切削两种切削形式的优点，能够进一步提高刀具的切削性能。刀片基本形状为类三角形，三个边完全对称，每个边由修光刃、第一主切削刃、突起过渡区、第二主切削刃和刀尖圆弧等组成。刀具的原理及形状专利正在申请中。

（一）低振动大进给铣刀的原理及特色

所谓低振动切削是指刀具采用大的悬伸量加工深的部位，而刀具的刚性与悬伸长度的四次方成反比，加工效率的主要制约因素是因为加工振动而不得不降低走刀速度。FEETE公司的理论研究和试验证明，通过改变切屑的形状，可以在切屑截面不变的情况下提高走刀速度，或者说在同等金属去除率的情况下，可以降低切削阻力和消耗功率15%～25%。这是一个非常可观的数据，实际上由于受到几何形状以及残余加工区域面积的限制，产品应用达不到这一理论值。

株钻公司开发的新型大进给铣刀成功地将小的主偏角与切屑形状控制理论结合起来。该铣刀在切削深度ap小于凸起过渡区到修光刃时，参与切削的为第一主切削刃，这与传统的大进给铣刀并无任何区别。

但当切削深度ap超过这一临界值时，切屑的形状发生改变，传统的大进给铣刀应为一段较长的切屑，而新型铣刀为两段切屑，这种断屑方法称为自台阶断屑。下面通过一个试验来证明对新型刀具性能的阐述。

试验机床：MIKRON UCP1000

被加工材料：NAK80（HRC40）

对比试验刀具：进口D32大进给铣刀（加长型）；株钻D32大进给铣刀

测量仪器：KISTLER电荷测力仪

加工参数：ap=1.7mm，ae=25mm，V=120m/min，f=0.8mm/z

试验结果：由于受到机床功率的限制，f=0.8mm/z时机床已经达到极限功率，株钻D32大进给铣刀MR01-063-A22-ZD16-04的切屑成两段排出，切削状态正常。

对比的进口刀具已经完全丧失了继续切削的能力，出现强烈的振动甚至抖动。这就证实采用分屑技术与大进给相结合的新型刀具有着更加优越的切削性能。

株钻刀具每刃平均切削寿命为3.5小时，进口刀具为3.7小时，寿命基本相当；株钻刀具的切削振动声音相对较小；株钻刀具切屑细碎，容易被压缩空气吹走，切屑刮擦相对较轻。另外值得一提的是，在采用大进给加工前，采用RDKW1204M0刀片进行加工，大进给刀具有着明显的优势，主要体现在以下几个方面：（一）加工效率提高1～2倍，机床占用率大大降低，大大降低固定资产成本；（二）拐角处振动和大模具加工的优势更加明显，提高效率3倍以上；（三）刀片消耗量大大降低，原来RDKW刀片每月消耗2万片，而大进给刀片消耗量不到3000片。

新型大进给铣刀可以通过分屑方法有效抑制振动，从而进一步提高加长刀具的加工性能；合理的外形设计使该刀具的切削性能和使用寿命达到了预期目的；较传统刀具而言，新刀具的加工效率提高2～3倍，而刀具消耗量仅为原来的1/5，效益相当可观。