冷作模具鋼的工作條件及性能要求

    冷作模具鋼在工作時．由於被加工材料的變形抗力比較大，模具的工作部分承受很大的壓力、彎曲力、沖擊力及摩擦力。因此，冷作模具的正常報廢原因一般是磨損．也有因斷裂、崩力和變形超差而提前失效的。

    冷作模具鋼與刃具鋼相比．有許多共同點。要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗彎強度和足夠的韌性，以保證沖壓過程的順利進行、其不同之處在於模具形狀及加I工藝復雜．而且摩擦面積大．磨損可能性大．所以修磨起來困難。因此要求具有更高的耐磨化模具工作時承受沖壓力大．又由於形狀復雜易於產生應力集中，所以要求具有較高的韌性；模具尺寸大、形狀復雜．所以要求較高的淬透性、較小的變形及開裂傾向性。總之，冷作模具鋼在淬透性、耐磨性與韌性等方面的要求要較刃具鋼高一些．而在紅硬性方面卻要求較低或基本上沒要求（因為是冷態成形），所以也相應形成瞭一些適於做冷作模具用的鋼種，例如，發展瞭高耐磨、微變形冷作模具用鋼及高韌性冷作模具用鋼等。下面結合有關鋼種選用進一步說明。

鋼種選擇

    通常接冷作模具的使用條件，可以將鋼種選擇分為以下四種情況：

   （1）尺寸小、形狀簡單、輕負荷的冷作模具。例如．小沖頭，剪落鋼板的剪刀等可選用T7A、T8A、T10A、T12A等碳素工具鋼制造。這類鋼的優點是；可加工性好、價格便宜、來源容易。但其缺點是：淬透性低、耐磨性差、淬火變形大。因此，隻適於制造一些尺寸小、形狀簡單、輕負荷的工具以及要求硬化層不深並保持高韌性的冷像模等。

   （2）尺寸大、形狀復雜、輕負荷的冷作模具。常用的鋼種有9SiCr、CrWMn、GCr15及9Mn2V等低合金刃具鋼。這些鋼在油中的淬透直徑大體上可達40mm以上。其中9Mn2V鋼是我國近年來發展的一種不含Cr的冷作模具用鋼．可代替或部分代替含Cr的鋼。

     9Mn2V鋼的碳化物不均勻性和淬火開裂傾向性比CrWMn鋼小、脫碳傾向性比9SiCr鋼小，而淬透性比碳素工具鋼大．其價格隻比後者高約30%因此是一個值得推廣使用的鋼種。

    但9Mn2V鋼也存在一些缺點如沖擊韌性不高，在生產使用中發現有碎裂現象．另外回火穩定性較差，回火溫度一般不超過180℃在200℃回火時抗彎強度及韌性開始出現低值。

     9Mn2V鋼可在硝鹽、熱油等冷卻能力較為緩和的淬火介質中淬火。對於一些變形要求嚴格而硬度要求又不很高的模具，可采用奧氏體等溫淬火。

   （3）尺寸大、形狀復雜重負荷的冷作模具。須采用中合金或高合金鋼．如Cr12Mo、Crl2MoV、Cr6WV Cr4W2MoV等，另外也有選用高速鋼的。

    近年來用高速鋼做冷作模具的傾向巴日趨增大、但應指出，此時已不再是利用高速鋼所特有的紅硬性長處．而用它的高淬透性和高耐磨性。為此．在熱處理工藝上也應有所區別。

    選用高速鋼做冷模具時．應采用低溫淬火．以提高韌性。例如W18Cr4V鋼做刃具時常用的淬火溫度為1280-1290℃。而做冷作模具時，則應采用1190℃的低溫淬火。又如W6Mo5Cr4V2鋼．采用低溫淬火後可使壽命大大提高、特別是顯著減少瞭折損率。

   （4）受沖擊負荷且刀間單薄的冷作模具。如上所述．前三類冷作模具用鋼的使用性能要求均以高耐磨性為主為此均采用高碳過共析鋼乃至榮氏體鋼。而對有的冷作模具加切邊樓、沖裁模等．其對口單薄．使用時又受沖擊負荷作用則應以要求高的沖擊韌性為主。為瞭解決這一矛盾．可采取以下措施．①降低合碳量．采用亞共折鋼．以避免由於一次及二次碳化物而引起鋼的韌性下降；②加入Si．、Cr等合金元素．以提高鋼的回火穩定性和回火溫度（240一270℃回火）這樣有利於充分消除淬火應力使嘰提高．而又不致降低硬度；②加入W等形成難熔碳化物的元素以細化晶粒、提高韌性。常用的高韌性冷作模具用鋼有6SiCr、4CrW2Si；、5CrW2Si等。

冷作模具鋼性能

    在用Cr12型鋼或高速鋼做冷作模具時，一個很突出的問題是鋼的脆性大．使用中易開裂。為此，必須用充分鍛打的方法細化碳化物．除此之外應發展新鋼種。發展新鋼種的著眼點，應是降低鋼的含碳量及碳化物形成元素的數量。近年來國內研制並推廣以下幾種新鋼種、如表4.11所示。

     Cr4W2MoV鋼具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等優點．並具有較好的回火穩定性及綜合力學性能．用幹制造矽鋼片沖模等．可使壽命比Cr12MoV鋼提高1～3倍以上但此鋼鍛造溫區范圍較窄，鍛造河縣開裂．應嚴格控制鍛造溫度和操作規認Cr2Mn2SiWMoV鋼淬火溫度低、淬火變形小、淬透性高．有空淬微變形模具鋼之稱7W7Cr4MoV鋼可代W18Cr4V和Cr12MoV鋼．其特點是鋼的碳化物不均勻性和韌性得到很大的改善。

冷作模具鋼的壽命

    ⒈夾雜物的含量增加

    鋼中的夾雜物是工模具內部產生裂紋的起源。尤其是脆性氧化物和矽酸鹽等夾雜物，在熱加工是不發生塑性變形，從而引起脆性的碎裂而形成微裂紋，在進一步的熱處理和使用中，該裂紋進一步引起模具的開裂。例如。Cr4W2MoV鋼制造的沖壓手錶零件用的冷沖模，其沖頭經粗加工、熱處理並磨削加工後，發現頭部中心有許多小孔洞，致使一批沖頭全部報廢，經分析發出鋼中含有大量的呈鏈狀分佈的矽酸鹽夾雜物，經機加工後剝落而造成小孔洞。

    ⒉碳化物分佈不均勻引起的失效

      Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等萊氏體型模具鋼，具有大量共晶碳化物，當鍛造比小或澆註溫度控制不適當時，在鋼材中易呈帶狀或網狀碳化物的偏析，使模具零件在淬火時常常出現沿著帶狀或網狀碳化物嚴重的部位裂紋，或在使用過程中內部裂紋進一步擴展而引起失效。例如，采用Φ50mm的共晶碳化物不均勻度超過4級的鋼材制造沖頭在使用過程中易發生斷裂。

    ⒊鍛造質量不好引起的失效

    鋼材的鍛造質量的好壞，直接影響模具的使用壽命。鍛造的加熱制度與變形工藝不當，會引起鋼材產生過燒、表面裂紋、內裂、角裂等缺陷。這些會降低模具的使用壽命，甚至直接報廢。對於高碳高鉻的萊氏體鋼，由於導熱性較差，若鍛造加熱時加熱速度過快，保溫時間不足，造成鍛造時鋼坯內外溫差大，產生內部裂紋。

    ⒋表面質量差

    合金模具鋼材如果表面脫碳嚴重，在機加工後，仍有殘留脫碳層，這樣在模具最終的熱處理時，由於內外層組織不同而造成明顯的應力，從而導致模具的淬火裂紋；另一方面，淬火後模具表面層的硬度偏低，且截面硬度分佈不均勻，降低瞭模具的使用壽命。