冲压模具材料的选用及热处理要求

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一.  冲裁模具材料的选用及热处理要求

    选用冲裁模具材料应考虑工件生产的批量，若批量不大就没有必要选择高寿命的模具材料；还应考虑被冲工件的材质，不同材质适用的模具材料亦有所不同。对于冲裁模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。常用冲压模具钢材耐磨性 的劣优依次 为碳素工具钢 — 合金工具钢 — 基体钢 — 高碳高铬钢 — 高速钢 — 钢结 硬质合金 — 硬质合金。
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    此外还必须考虑工件的厚度、形状、尺寸大小、精度要求等因素对模具材料选择的影响。
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1.传统模具用钢     长期以来，国内薄板冲裁模用钢为 T10A 、 CrWMn 、 9Mn2V 、 Cr12 和 Cr12MoV 等。
    其中 T10A 为碳素工具钢，有一定强度和韧性。但耐磨性不高，淬火容易变形及开裂，淬透性差，只适用于工件形状简单、尺寸小、数量少的冲裁模具。
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    T10A 碳素工具钢的热处理工艺为： 760~810 ℃水或油 淬， 160~180 ℃ 回火，硬度 59~62HRC 。

& o$ c# G8 k+ {7 j* [6 f+ J    CrWMn 、 9Mn2V 是高碳低合金钢种，淬火操作简便，淬透性优于碳素工具钢，变形易控制。但耐磨性和韧性仍较低，应用于中等批量、工件形状较复杂的冲裁模具。 CrWMn 钢的热处理工艺为：淬火温度 820~840 ℃ 油冷 ，回火温度 200 ℃，硬度 60~62HRC 。 9Mn2V 钢的热处理工艺为：淬火温度 780~820 ℃ 油冷 ，回火温度 150~200 ℃，空冷，硬度 60~62HRC 。注意 回火温度在 200~300 ℃范围有回火脆性和显著体积膨胀，应予避开。
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6 _9 C9 y/ e7 a' N    Cr12 和 Cr12MoV 为高碳高铬钢，耐磨性较高，淬火时变形很小，淬透性好，可用于大批量生产的模具，如硅钢片冲裁模。但该类钢种存在碳化物不均匀性，易产生碳化物偏析，冲裁时容易出现崩 刃 或断裂。其中， Cr12 含碳量较高，碳化物分布不均比 Cr12MoV 严重，脆性更大一些。
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    Cr12 型钢的热处理工艺选择取决于模具的使用要求，当模具要求比较小的变形和一定韧性时，可采用低温淬火、回火（ Cr12 为 950~980 ℃淬火， 150~200 ℃回火； Cr12MoV 为 1020~1050 ℃淬火， 180~200 ℃回火 ）。 若要提高模具的使用温度，改善其淬透性和红硬性，可采用高温淬火、回火 （ Cr12 为 1000~1100 ℃淬火， 480~500 ℃回火； Cr12MoV 为 1110~1140 ℃淬火， 500~520 ℃回火 ）。
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    高铬钢在 275~375 ℃区域有回火脆性，应予避免。
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2.常用模具新钢种   
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    为了弥补传统模具钢种性能的不足，国内开发或引进了以下性能较好的冲压模具用钢：
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    （ 1 ） Cr12Mo1V1 （代号 D2 ）钢     为仿美国 ASTM 标准中的 D2 钢引进 的钢种，属 Cr12 型钢。由于 D2 钢中 Mo 、 V 含量增加，细化了晶粒，改善了碳化物的分布状况，因此 D2 钢的强韧性（冲击韧度、抗弯强度、挠度）比 Cr12MoV 钢有所提高，耐磨性和抗回火稳定性也比 Cr12MoV 更高。可用深冷处理，提高硬度并改善尺寸稳定性。用 D2 钢制作的冲裁模具寿命要高于 Cr12MoV 钢模具。

# K0 F1 T2 Q6 }- u, z( y6 p    D2 钢的锻造性能和热塑成形性比 Cr12MoV 钢略差，机械加工性能和热处理工艺与 Cr12 型钢相似。
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    （ 2 ） Cr6WV 钢    为高 耐磨微 变形高碳中铬钢，碳、铬含量均低于 Cr12 型钢，碳化物的分布状态较 Cr12MoV 均匀，具有良好的淬透性。热处理变形小，机械加工性能较好。抗弯强度、冲击韧度优于 Cr12MoV ， 只是耐磨性略低于 Cr12 型钢。用于承受较大冲击力的高硬度、高耐磨板料冲裁模，其效果好于 Cr12 型钢。
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    钢的常用热处理工艺为：淬火温度9701 ~ 000℃，一般可热油或硝盐分级淬火冷却，尺寸不大的部件可采取空冷。淬火后应立即回火，回火温度160210 ~ ℃，硬度 58 ~ 62HRC。

5 Z( W+ n# z* p$ _  h" l    （ 3 ） Cr4W2MoV 钢    也是高 耐磨微 变形高碳中铬钢，替代 Cr12 型钢而研制的钢种，碳化物均匀性好，耐磨性高于 Cr12MoV ，适于制作形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具，可用于硅钢片冲裁模。
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    Cr4W2MoV 钢的热处理工艺：要求强度、韧性较高时，采用低温淬火、低温回火工艺：淬火温度 960~980 ℃，回火温度 280~320 ℃，硬度 60~62HRC 。要求热硬性和耐磨性较高时，采用高温淬火、高温回火工艺：淬火温度 1020~1040 ℃，回火温度 50 0~540 ℃，硬度 60~62HRC 。
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1 O$ a( u6 `8 J    （ 4 ） 7CrSiMnMoV( 代号 CH-1) 钢    为 空淬微变形 低合金钢、火焰淬火钢，可以利用火焰进行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火温度（ 800~1000 ℃ ），具有良好的淬透性和 淬硬性 （可达 60 HRC 以上），强度和韧性较高，崩 刃 后能补焊。可代替 CrWMn 、 Cr12MoV 钢，制作形状复杂的冲裁模。 CH-1 钢的推荐热处理工艺：淬火温度 900~920 ℃， 油冷 ， 190~200 ℃ 回火 1~3 小时，硬度 58~62 HRC 。

2 Q" K/ A. s( L3 t1 f7 I    （ 5 ） 6CrNiSiMnMoV( 代号 GD) 钢   为高韧性低合金钢，淬透性好，空淬变形小，耐磨性较高。其强韧性显著高于CrWMn 和 Cr12MoV 钢，不易崩刃或断裂。尤其适用于细长、薄片状 凸模及 大型、形状复杂、薄壁凸凹模。

    GD 钢的推荐热处理工艺：淬火温度 870~930 ℃（ 900 ℃ 最佳 ），盐浴炉加热（ 45s/mm ）， 油冷或 空冷、风冷 ， 175~230 ℃ 回火 2 小时，硬度 58~62 HRC 。由于空冷即可淬硬 ，也可采用火焰加热淬火。

/ z. S2 |! a# N  g$ m    （ 6 ） 9Cr6W3Mo2V2( 代号 GM) 钢     为高耐磨高强 韧 合金钢，各项工艺性能良好，其耐磨性、强韧性、加工性能均优于 Cr12 型钢，能够用于高速压力机冲压下的多工位 级进模等 精密模具，是较理想的耐磨、精密冲压模具用钢。
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' T. r7 E0 e( _% u5 A. q6 Z    GM 钢的热处理工艺：淬火温度 1080~1120 ℃，硬度 64~66HRC 。 回火温度 540~560 ℃，回火二次。
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    （ 7 ） Cr8MoWV3Si ( 代号 ER5) 钢      属高耐磨高强 韧 合金钢，具有较好的电火花加工性能，强度、韧性、耐磨性都优于 Cr12 型钢，适用于大型精密冲压模具。用于硅钢片冲裁模，一次 刃 磨寿命为 21 万次，总寿命高达 360 万次，是目前合金钢冲模冲裁硅钢片的较高寿命水平。
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    ER5 钢的推荐热处理工艺：对高耐磨性、高强韧性的模具，采用 1150 ℃ 淬火， 520~530 ℃ 回火 3 次；   对重载服役条件下的模具，采用 1120~1130 ℃ 淬火， 550 ℃ 回火 3 次。
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( l4 v8 k" O5 F3 p6 y3 ．硬质合金及钢结硬质合金     
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    当工件的批量极大时，可以考虑选用硬度和耐磨性比各类模具钢种更高的硬质合金 或钢结硬质合金 。用作模具材料的硬质合金为 钨钴类 ，随着 含钴量的 增加，韧性及抗弯强度提高而硬度降低。对于承受冲击力较小的模具，可以选用 含钴量较低 的 YG10X ；承受冲击力中等或较大的模具，可以选用 含钴量较高 的 YG15 或 YG20 。硬质合金的缺点为韧性较差、难以加工，作为模具的工作部件可以设计为镶拼结构。 钢结硬质合金 的性能介于硬质合金和高速钢之间，能够机械加工和热处理，可以用于制作复杂的高寿命模具。用作冲裁模 的钢结硬质合金 有 DT 、 GT35 、 TLMW50 、 GW50 等。

    厚板冲裁模具   
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* b7 F8 a& Z3 D* I    厚板冲裁模承受的冲压力高于薄板冲模，为重载冲裁模，易磨损、崩 刃 和断裂，所以要求模具材料应具有高的耐磨性和强韧性。

" M4 ^3 r  }, b& c•  传统模具用钢    传统的重载冲裁模具钢种主要有 T8A 、 Cr12MoV 、 W18Cr4V 、 W6Mo5 Cr4V2 等。

    其中 T8A 为碳素工具钢，虽然淬透性、韧性比 T10A 钢有所改善，但易残存网状碳化物、热硬性差，只能用于工件批量较小的中厚冲裁模。 T8A 工具钢的热处理工艺为： 790~820 ℃水或油 淬， 160~180 ℃ 回火，硬度 58~61HRC 。

* R! Z# V& S4 j, s& P5 T   W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2为高速工具钢，具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，但韧性较低，工作时有可能产生崩 刃 或断裂，而且价格较贵。建议采用低温淬火、快速加温淬火等工艺措施来改善其韧性。对于工件批量较大的厚板冲裁模，可以用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢做 凸 模，Cr12MoV 钢做凹模 。
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    W18Cr4V 钢的推荐热处理工艺： 1220~1250 ℃ 淬火； 550~570 ℃ 回火 3 次。
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- D# ~: ?3 y$ }8 @  i. c* M% G. N1 ^W6Mo5Cr4V2 钢的推荐热处理工艺： 1160~1200 ℃ 淬火 ： 550~570 ℃ 回火 3 次。
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3.  常用模具新钢种   

     为了克服高速工具钢的缺点，提高使用寿命，重载冲裁模具可选用 降碳降钒 高速钢6 W6Mo5 Cr4V（6W6）和以高速钢成分为基础，添加少量的其它元素构成的高强韧性模具钢 — 基体钢，如 65Nb钢、LD钢、012AL钢、CG-2 钢等等 。

* S& H2 S% K( `! t4 p3 h（ 1）6 W6Mo5 Cr4V (6W6)钢     为高强韧性高速钢，由于降低了碳化物的含量和分布均匀性，使其在保持硬度和耐磨性的同时，抗弯强度、冲击韧性和塑性都有显著提高，虽然耐磨性略低，仍可用低温 氮碳共渗提高 表面硬度和耐磨性。其热处理工艺和高速钢W6Mo5Cr4V2相似。

（ 2 ） 6Cr4W3Mo2VNb (65Nb) 钢     65Nb 钢取自 W6Mo5CrV2 钢正常 淬火后的基本成分，碳含量比高速钢低， 碳质量 分数 的中限为 0.65% ，故名 65Nb 。各合金元素在钢中的作用和在高速钢中相似， 另加入 3% 的 Nb 可形成高稳定性的碳化物 NbC ，能有效阻止奥氏体晶粒长大，改善钢的力学性能和工艺性能。这种钢具有较好的耐磨性和较强的高温韧性，可以代替 Cr12MoV 、 W18Cr4V 钢，用于重载冲裁模和冷挤压模、 冷镦模 。
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   65Nb 钢锻造和退火工艺性能良好，热处理温度范围宽，淬火温度可以在 1080~1180 ℃，回火温度在 520~600 ℃之间选择。 当采用比 W6Mo5CrV2 钢正常 淬火温度低的温度淬火后，其组织 为在碳含量 较低的马氏体基体上均匀 分布有细粒状 未溶碳化物。通过热处理参数的调整，可以得到不同的强度、韧性、耐磨性配合，以适合不同模具的性能要求。 65Nb 钢的热处理工艺： 1080~1180 ℃盐浴炉加热（ 15~20s/mm ）油 淬， 520~560 ℃ 回火 2 次，硬度 57~63 HRC 。

（ 3 ） 7Cr7Mo2V2Si (LD) 钢    LD 钢含碳、 含钴量高于 65Nb ，含钒量也较高。 钒可细化 晶粒，提高耐磨性。因此其抗压、抗弯强度和耐磨性均高于 65Nb 由于具有良好的强韧性和耐磨性，因而适于制造各种重载模具。
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5 \% O- r; X; R# h1 V$ q: `    LD 钢的推荐热处理工艺： 850 ℃预热， 1100~1150 ℃ 淬火； 油冷后 530~570 ℃ 回火 2~3 次，每次 1~2 小时，硬度 57~63 HRC 。
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（ 4 ） 5Cr4Mo3SiMnVAL (012AL) 钢    012AL 钢中加入质量分数为 0.3~0.7% 的铝，目的是为了细化晶粒，提高钢的冲击韧性和热加工塑性，加 Si 则为了强化基体。 012AL 钢强韧性高，综合性能好，通用性强，是冷、热兼用型模具钢。其抗弯强度及挠度高于 W18Cr4V 高速钢，代替高速钢作模具时很少发生折断现象。可以用作中厚板料冲裁模具和 各类冷 、热作模具。

1 |5 r. ]& d. z4 f+ D   012AL 钢的推荐热处理工艺： 1090~1120 ℃盐浴炉加热（ 30s/mm ）油 淬， 510 ℃ 回火 2 次， 每次油冷 2 小时 ，硬度 60~62 HRC 。
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1 _3 x) \- L6 W# |( M& W（ 5 ） 6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2) 钢      CG-2 钢在成分中加 Ni ，强化了基体，改善了韧性和高温性能。同时增加 Mo 减少 W ，以降低碳化物的偏析。 CG-2 钢具有高的强度和强韧性，在热处理到高硬度时仍能维持良好的韧性，较好地解决了高硬度与韧性的合理配合。但锻造塑性较差，退火后硬度偏高。亦可用作中厚板料冲裁模具和 各类冷 、热作模具。

    CG-2 钢的热处理工艺：淬火温度 1100~1140 ℃加热（ 20s/mm ）， 油冷 ， 540 ℃ 回火 2 次，每次 2 小时，空冷，硬度 60~62 HRC 。

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由于拉深模具的失效主要为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主。因此选用的模具材料必须具有较高的耐磨性和抗粘附性能，以及足够的强度。按被拉 深材料 考虑适用的拉 深模材料 可以参考表 11-1 。选用时还应考虑被拉 深材料 的板料厚度、 拉深件的 尺寸形状以及生产批量的大小等因素。 （一）  轻载拉深（拉深薄钢板和 铜、 铝合金）时的模具材料
. n' f+ U0 d* [. v* m( ?' P3 I    生产批量较小时，对于形状简单的筒形 浅拉深件 ，可选用 T8 、 T10 钢； 对于形状复杂的中小型件，选用 CrWMn 、 9Mn2V 。
% ]8 B  d& N2 v' @    中批量生产或生产批量较大时，选用 Cr12MoV 。
9 H% @; u0 _% U, \# k9 x    生产批量很大时，选用硬质合金 或钢结硬质合金 。
（二）重载拉深（拉深厚钢板、反拉深、变薄拉深）时的模具材料
+ _0 p: m* ~: m8 x- [   生产批量较小时，可选用 T10 、 CrWMn 。
0 X2 B4 m% Q' T2 b+ S  A+ q! v    生产批量较大时，选用 Cr12MoV 以及 GM 钢。 GM 钢的强度和韧性高于高速钢、 Cr12MoV ；抗粘附磨损和磨粒磨损能力明显优于基体钢和 Cr12MoV ，在拉 深模方面 已得到较好应用。
6 N* ^- Q3 E# s2 g' P    生产批量很大时，考虑选用硬质合金 或钢结硬质合金 。
4 E7 h6 R/ P3 N; x1 O' P（三）拉深不锈钢、 高镍合金钢 、耐热钢板的模具材料
    拉深这类材料时，容易发生粘附和拉毛，首选模具材料为铝青铜。
    生产批量较小时，可选用铝青铜、 T10A （镀硬铬，注意采用镀硬铬工艺时镀层不能太厚，以防拉深时剥落）。
  Y6 U+ r% x) b3 X( ?+ ~- u2 s    生产批量较大时，选用铝青铜、 Cr12MoV 、 Cr12Mo1V1 （表面渗氮）。
    生产批量很大时，选用硬质合金。
( E" L* M) ^* H' e# D. c（四）大型 拉深件 、汽车覆盖件的拉深模具材料
    可以选用合金铸铁或高强度球墨铸铁。球墨铸铁能够浸入润滑油，组织中的石墨具有自润滑作用，能有效地减轻拉深中的摩擦，而且成本较低、容易加工。
2 J6 v) g' H4 n" `2 e0 c. |; R5 ?    高强度球墨铸铁可以采用双介质延迟冷却马氏体等温淬火，以获得较高的强度和韧性，硬度为 55~58 HRC 。先将模具缓慢预热后再加热至 880~900 ℃，保温后先空气预冷，然后盐水 淬冷至 550 ℃左右即转入 油冷，当模温 降至 250 ℃左右，放入 180~200 ℃的热油中等温保持 2~3 小时，再将油温降至 170 ℃左右等温 5~7 小时，最后转入空冷。