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冷作模具钢

冷作模具钢键盘侧重硬度、耐磨性。含碳量高,合金元素以增加淬透性,提高耐磨性为主。 冷作模具钢包括制造冲截用的模具(落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀)、冷镦模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等

 真空脱气精炼钢,内质纯净

  机械加工性良好(切削性较SKD1提高20%)

  淬透性良好,空冷淬硬(不易出现淬裂)

  耐磨性极为优异(可用作不锈钢及高硬度材的冲裁模)

  韧性良好

  用途 使用硬度 用途 使用硬度

  冲裁模 HRC58~62 高级量规 HRC60~65

  成形轧辊 HRC58~63 搓丝辊 HRC60~63

  十字槽头螺钉成形模 HRC57~62 冷挤压制模压力机用原阳模 HRC58~65

  拉伸模 HRC58~63 冷镦模 HRC58~62

  剪刀 HRC50~65 热固性树脂成形用模 HRC56~61

综述

  冷作模具钢在工作时.由于被加工材料的变形抗力比较大,模具的工作部分承受很

大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此,冷作模具的正常报废原因一般是磨损.也有因断裂、崩力和变形超差而提前失效的。

  冷作模具钢与刃具钢相比.有许多共同点。要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性,以保证冲压过程的顺利进行、其不同之处在于模具形状及加I工艺复杂.而且摩擦面积大.磨损可能性大.所以修磨起来困难。因此要求具有更高的耐磨化模具工作时承受冲压力大.又由于形状复杂易于产生应力集中,所以要求具有较高的韧性;模具尺寸大、形状复杂.所以要求较高的淬透性、较小的变形及开裂倾向性。总之,冷作模具钢在淬透性、耐磨性与韧性等方面的要求要较刃具钢高一些.而在红硬性方面却要求较低或基本上没要求(因为是冷态成形),所以也相应形成了一些适于做冷作模具用的钢种,例如,发展了高耐磨、微变形冷作模具用钢及高韧性冷作模具用钢等。下面结合有关钢种选用进一步说明。

Crl2

  性能:高碳、高铬类型莱氏体钢,具有较好的淬透性和良好的耐磨性。由于钢中碳质量分数最高可达2.30%,从而钢变得硬而脆,所以冲击韧性较差,几乎不能承受较大的冲击荷载,易脆裂,而且易形成不均匀的共晶碳化物。

  用途:用于制造受冲击荷载较小,且要求高耐磨性的冷冲模和冲头,剪切硬且薄的金属的冷切剪刃、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉延模和螺丝滚模等。

  生产品种:热轧材、冷拉材、锻材、热轧钢板、冷拉钢丝。

Cr12Mo1V1

  性能:高碳、高铬类型莱氏体钢,无特殊要求时钻不作为必加元素。由于钼和钒的含量比Cr12MoV高,故钢的组织和晶粒度进一步细化,提高了钢的淬透性、强度和韧性,使钢的综合性能更好。

  用途:用于制造要求高耐磨性的大型复杂冷作模具,如冷切剪刀、切边模、拉丝模、搓丝板、螺纹滚模、滚边模和要求高耐磨的冷冲模和冲头等。

  生产品种:热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。

Cr12MoV

  性能:高碳、高铬类型莱氏体钢,具有良好的淬透性,截面尺寸在400mm以下可以完全淬透,且具有很高的耐磨性,淬火时体积变化小。其碳含量比Cr12钢低很多,且加入了钼、钒,因此,钢的热加工性能、冲击韧性和碳化物分布都得到了明显改善。

  用途:用于制造断面较大、形状复杂、耐磨性要求高、承受较大冲击负荷的冷作模具,如冷切剪刀、切边模、滚边模、量规、拉丝模、搓丝板、螺纹滚模、形状复杂的冲孔凹模、钢板深拉伸模,以及要求高耐磨的冷冲模和冲头等。

  生产品种:热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。

Cr5Mo1V

  性能:合金含量中等,由于含有钼和钒,所以钢的淬透性良好,碳化物分布均匀,具有一定的冲击韧性和较好的耐磨性。

  用途:用于制造定型模、钻套、冷冲模、冲头、切边模、螺纹滚模、搓丝板和量规等。

  生产品种:热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。

9Mn2V

  性能:综合力学性能比碳素工具我钢,具有较高的硬度和耐磨性,淬透性很好,淬火时变形较小。由于钢中含有一定量的钒,细化了晶粒,减小了过热敏感性。碳化物不均匀性比CrWMn钢好。

  用途:用于制造各种精密量具、样板,以及一般要求的尺寸较小的冲模、冷压模、雕刻模、料模、剪刀、丝锥、板牙和铰刀等。

  生产品种:热轧材、锻材、冷拉材、热轧钢板、冷拉钢丝。

  根据需方要求可供应中小规格的模块。

CrWMn

  性能:具有较高的淬透性,由于加入1.20%%26mdash;1.60%(质量分数)钨,形成碳化物,所以在淬火和低温回火后具有一定的硬度和耐磨性。钨有助于保持细小晶粒,从而使钢具有较好的韧性,该钢对形成网状碳物比较敏感,而且这种碳公物网使工具刃部有剥落的危险。

  用途:使用较为广泛的冷作模具钢。用于制造量具,如板牙、块规、样柱和样套,,以及形状复杂的高精度冲模等。

  生产品种:热轧材、锻材、冷拉材、冷拉钢丝、银亮钢丝、热轧钢板、冷轧钢板。

9CrWMn

  性能:低合金冷作模具钢,具有一定的淬透性和耐磨性,淬火变形较小,碳化物分布均匀且颗粒细小。

  用途:用于制造截面不大的,而形状较复杂的冷冲模,以及量规、样板等量具。

  生产品种:热轧材、锻材、冷拉材、冷拉钢丝、冷轧钢板。

Cr4W2MoV

  性能:新中型合金冷作模具钢,性能较稳定,与高合金冷作模具钢Crl2、Crl2MoV相比,用其制成的模具使用寿命明显提高。该钢的共晶碳化物颗粒细小,分布均匀,具有较高的淬透性和淬硬性,以及较好的耐磨性和尺寸稳定性。但钢的热加工温度范围较窄,变形抗力较大。

  用途:用于制造各种冲模、冷镦模、落料模、拉延模、冷挤压凹模和搓丝板等。

  生产品种:热轧材、锻材。

  根据需方要求可供应小规格模块。

6Cr4W3Mo2VNb

  性能:高韧性冷作模具钢,其化学成分接近高速工具钢的基体成分,属于一种基体钢。因此,它具有高速工具钢的高硬度和高强度。又因该钢没有过剩的碳化物,所以具有较高的韧性和疲劳强度。该钢含有0.20%%26mdash;0.35%(质量分数)的铌,使晶粒细化,并提高晶粒精化温度,从而提高了钢的韧性,改善了其工艺性能。

  用途:用于制造冷挤压模具、冷镦模、螺钉冲头、冷冲模、拉延模和搓丝板等。

  生产品种:热轧材、锻材。

  根据需方求可供应部分扁钢或其他条钢。

6W6Mo5Cr4V

  性能:低碳高速工具钢类型的冷作模具钢,其淬透性好,并具有类似高速工具钢的高硬度、高耐磨性、高强度等综合性能,还具有比高速工具钢韧性好的特性。用该钢制造的冷挤压模寿命较长。因钢中钼含量较高,其热加工温度范围稍窄,变形抗力较大。此钢易脱碳。

  用途:用于制造冷挤压凹模和上下冲头等。

  生产品种:热轧材、锻材。

  通常按冷作模具的使用条件,可以将钢种选择分为以下四种情况:

  (1)尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具。例如.小冲头,剪落钢板的剪刀等可选用T7A、 T8A、T10A、T12A等碳素工具钢制造。这类钢的优点是;可加工性好、价格便宜、来源容易。但其缺点是:淬透性低、耐磨性差、淬火变形大。因此,只适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的工具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷像模等。

  (2)尺寸大、形状复杂、轻负荷的冷作模具。常用的钢种有9SiCr、CrWMn、GCr15及 9Mn2V等低合金刃具钢。这些钢在油中的淬透直径大体上可达40mm以上。其中9Mn2V钢是我国近年来发展的一种不含Cr的冷作模具用钢.可代替或部分代替含Cr的钢。

  9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向性比CrWMn钢小、脱碳倾向性比9SiCr钢小,而淬透性比碳素工具钢大.其价格只比后者高约30%因此是一个值得推广使用的钢种。

  但9Mn2V钢也存在一些缺点如冲击韧性不高,在生产使用中发现有碎裂现象.另外回火稳定性较差,回火温度一般不超过180℃在200℃回火时抗弯强度及韧性开始出现低值。

  9Mn2V钢可在硝盐、热油等冷却能力较为缓和的淬火介质中淬火。对于一些变形要求严格而硬度要求又不很高的模具,可采用奥氏体等温淬火。

  (3)尺寸大、形状复杂重负荷的冷作模具。须采用中合金或高合金钢.如Cr12Mo、 Crl2MoV、 Cr6WV Cr4W2MoV等,另外也有选用高速钢的。

  近年来用高速钢做冷作模具的倾向巴日趋增大、但应指出,此时已不再是利用高速钢所特有的红硬性长处.而用它的高淬透性和高耐磨性。为此.在热处理工艺上也应有所区别。

  选用高速钢做冷模具时.应采用低温淬火.以提高韧性。例如 W18Cr4V钢做刃具时常用的淬火温度为1280-1290℃。而做冷作模具时,则应采用1190℃的低温淬火。又如 W6Mo5Cr4V2钢.采用低温淬火后可使寿命大大提高、特别是显著减少了折损率。

  〔4)受冲击负荷且刀间单薄的冷作模具。如上所述.前三类冷作模具用钢的使用性能要求均以高耐磨性为主为此均采用高碳过共析钢乃至荣氏体钢。而对有的冷作模具加切边楼、冲裁模等.其对口单薄.使用时又受冲击负荷作用则应以要求高的冲击韧性为主。为了解决这一矛盾.可采取以下措施.①降低合碳量.采用亚共折钢.以避免由于一次及二次碳化物而引起钢的韧性下降;②加入Si.、Cr等合金元素.以提高钢的回火稳定性和回火温度(240一270℃回火)这样有利于充分消除淬火应力使叽提高.而又不致降低硬度;②加入W等形成难熔碳化物的元素以细化晶粒、提高韧性。常用的高韧性冷作模具用钢有6SiCr、4CrW2Si;、5CrW2Si等。

  3.充分发挥冷作模具钢性能潜力的途径

  在用Cr12型钢或高速钢做冷作模具时,一个很突出的问题是钢的脆性大.使用中易开裂。为此,必须用充分锻打的方法细化碳化物.除此之外应发展新钢种。发展新钢种的着眼点,应是降低钢的含碳量及碳化物形成元素的数量。近年来国内研制并推广以下几种新钢种、如表4.11所示。

  Cr4W2MoV 钢具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等优点.并具有较好的回火稳定性及综合力学性能.用干制造硅钢片冲模等.可使寿命比Cr12MoV钢提高1~3倍以上但此钢锻造温区范围较窄,锻造河县开裂.应严格控制锻造温度和操作规认Cr2Mn2SiWMoV钢淬火温度低、淬火变形小、淬透性高.有空淬微变形模具钢之称7W7Cr4MoV钢可代W18Cr4V和Cr12MoV钢.其特点是钢的碳化物不均匀性和韧性得到很大的改善。

钢号工作硬度耐磨性韧度淬火不变形性淬硬深度可加工性脱碳敏感性
Cr1258~64较差较小
Cr12MoV55~63较差较差较小
9Mn2V58~62中等中等较好较浅较好较大
CrWMn58~62中等中等中等较浅中等较大
9SiCr57~62中等中等中等较浅中等较大
Cr4W2MoV58~62较好较差中等较差中等
6W6Mo5Cr4V256~62较好较好中等中等中等
W18Cr4V260~65较差中等较差
W6Mo5Cr4V258~64中等中等较差中等
CrW2Si54~58较好较好中等中等中等
T10A56~62较差中等较差
9SiCr58~62中等中等较差较浅中等
Cr258~62中等中等中等较浅较好较大
7Cr7Mo2V2Si57~62较好较好中等较差较小
5CrNiMo47~51中等较好较深中等
60Si2Mn47~51

57~61

中等中等较差较深较好极大
65Mn47~51

57~61

中等中等较差较深较好极大
40Cr45~50中等中等中等

  冷作模具钢侧重硬度、耐磨性。含碳量高,添加合金元素以增加淬透性,提高耐磨性为主。

  热作模具钢对硬度要求适当,侧重于红硬性,导热性,耐磨性。因此含碳量低,合金元素以增加淬透性,提高耐磨性、红硬性为主。

  美国按模具服役条件将模具钢分为四大类,美国金属学会工具钢委员会列出了:冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢,塑胶模具钢四大类。其中,冷作模具钢又分出12小类,热作模具钢9小类,塑

模具钢

料模具钢2小类,塑胶模具钢5小类。每个小类的选材又取决于三个主要因素:  ◆ 尺寸大小和形状的复杂性,  ◆ 被加工的材料,  ◆ 耐久性要求或设计寿命。  1.冷作模具钢  (1)分为五组:W组、O组、A组、D组、S组。  ◆ W组即水淬模具钢,有11个钢种,7个碳素模具钢,含碳量从0.7%-1.3%。  ◆ O组即油淬冷作模具钢(俗称油钢),有4个钢种,含碳量在0.85%-1.55%,  ◆ A组即空淬中合金冷作模具钢,有9个钢种,含碳量从0.5%-2.25%。  ◆ D组即高碳高铬冷作模具钢,有7个钢种,含碳量0.9%-2.5%。  ◆ S组即耐冲击工具钢,有7个钢种,含碳量0.4%-0.6%。  用于冷作模具还有高速钢(HSS组)和超高速钢(SHSS组),钴基硬质合金和钢结硬质合金(HA组),粉末钢和工程陶瓷(PIM组),碳钨工具钢(F组),特殊用途工具钢(L组)。  (2)冷作模具钢的选用  冷作模具钢的主系列是高硬冷作类,主要用于要求高抗压和耐磨为主的模具,硬度高于HRC60-62。对于要求耐冲击、韧性高的模具,硬度低于HRC60- 62,主要用S类和部份A类和最普通的调质钢、弹簧钢、热作模具或基体钢。对于大型冲压模,如汽车外型冲压件,主要用铸铁类。简易或寿命数量少的用锌基合金或高分子复合材料。  高速钢和超高速钢在冷作模具中的应用迅速增长。主要是有高的"抗压强度/硬度" 比值。且硬度可在HRC60-70之间选择。  粉末模具钢有优良的耐磨寿命,硬度不大高HRC60-62,应用相当多。  碳素工具钢在寿命10万件的冲头或软材料冲压模仍有一定的应用范围。  2.热作模具钢  美国热作模具钢分二大类:热作模具钢,和超级热强合金。  热作模具由于在有温度的条件下工作,要求材料具有热强性和热耐磨性,为了保证模具的使用寿命模具要冷却,热冷交替模具会出现龟裂,即热疲劳裂纹,所以材料又要求有抗裂纹能力和抗热疲劳性能。  按热强性排列的主系列进行选材:  低合金调质模具钢(6G,6F2,6F3)→中铬热作模具钢(H11、H12、H13)→钨热作模具钢(H21,H22)。  非标准的热作模具钢:例如热镦锻模具用时效硬化型的6H4。使用H11、H12、H13出现了不能满足热耐磨性时,可以选择6H1,6H2。  当要求模具以热作耐磨性为主时,可以选择D2,D4→M2,M4→粉末钢。钢结硬质合金、钴基硬质合金的高温耐磨性是很高的,但其热疲劳性(即冷热抗疲劳裂纹)很差,不能在急

模具钢

冷急热状态下使用。  3.塑料模具钢  美国是最早在工具钢中列出塑料模具专用钢的国家,以P来表示为主,共分为五类。  ◆ 渗碳型塑料模具钢:P1,P2,P3,P4,P5,P6。这类钢含碳量很低,主要是美国早期及用挤压成型制模法,要求冷塑性好,有高的挤压性能,成型后表面渗碳淬火提高表面硬度,使用寿命长。芯部超低碳可使淬火时变形量最小。  ◆调质型塑料模具:P20,P21。目前塑料模具中P20的用量很大,已成为主体,大多数在预硬状态时使用。  ◆ 中碳合金工具钢用于热固性塑料模。钢号有H13,而L2和S7,O1和A2也有应用。这一类的特点是:  (1)基本属二次硬化金钢,500-600oC时的热强性好。  (2)含铬较高,大气腐蚀性好。  (3)淬透性极好,适用于大模块。  ◆不锈钢用于耐蚀性要求高的塑料模,主要钢号有420,414L,440,416。  ◆时效钢是经过时效处理而获得高的使用性能。有两种,一种是P21低碳Ni-A1时效钢;另一类是18Ni马氏体时效钢。后者是用于宇航工业的无碳高纯度、高强度、高韧性的材料。用于力学性能、尺寸精度、光洁度和耐蚀性都要求高的塑料模具中。  塑料模具钢的选用  薄壁的塑料箱体,生产批量在小于10万件时,用P20,P21预硬态(HB250~300),腐蚀性较强时用414L。  高寿命的普通塑料模,用P6或P20,经渗碳一淬火后硬度在HRC54-58;塑料件不太大时,可用O1,S7。腐蚀性较强时用420。  非高温的热固性模用P6,P20经渗碳淬火后使用。腐蚀性强用420。  高温热固性塑料模用H13和S7或渗碳钢P4。这些含铬较高有好的抗回火性和抗高温氧化性。  4.塑胶模具钢  塑胶模具钢分预硬普通塑胶模具钢,预硬优质塑胶模具钢,预硬高硬度塑胶模具钢,预硬抗腐镜面塑胶模具钢,抗腐镜面塑胶模具钢5小类

塑胶模具钢

塑胶模具钢质量等级分配  模具类别以美国SPI-SPE 为标准分下列各类.  一. 101 类模(SPI-SPE 标准1,000,000 啤或以上,长期精密生产模)  1. 需要详细模具结构图.  2. 模胚材料硬度最低为 280BN.(DME #2 钢 / 4140 钢)  3. 有胶位的内模件钢材一定要见硬至 48~50HRC.其余零件如行位,压锁,压条等亦应为硬件.  4. 顶针板要有导柱.  5. 行位要有硬片.  6. 如有需求的话,上模,下模及行位要有温度控制.  7. 所有运水道,建议采用无电浸镍或用420 不锈钢做模板.这样可防止生锈及清理垃圾.  8. 需要直身锁或斜锁.  二. 102 类模. (不超过1,000,000 啤,大量生产模具.)  1. 需要详细模具结构图.  2. 模胚材料硬度最低为 280BHN.(DME #2 钢 / 4140 钢)  3. 有胶位的内模件钢材要见硬至最低 48~52HRC,其余有用的零件亦应同一处理.  4. 建议采用直身锁或斜锁.  5. 下列项目可能或不需要.视乎最终生产数量而定.建议报价时如采用下列项目要检查清楚是否需要:  A. 顶针板导柱.  B. 行位硬片.  C. 电镀运水孔.  D. 电镀模腔.  三. 103 类模(少于500,000 啤,中量生产模.)  1. 需要详细模具结构图.  2. 模胚材料硬度最小为 165BHN. (DME #1 钢 / 1040 钢)  3. 内模钢材为 P20(28~32HRC)或高硬度(36~38HRC).  4. 其余要求视乎需要而定.  四. 104 类模(少于100,000 啤,少量生产模)  1. 需要模具结构图.  2. 模胚材料 P20(28~32HRC)可用软钢或铝.(1040 钢)  3. 内模件可用铝,软钢或其它认可金属.  4. 其余要求视乎需要而定.  五. 105 类模. (少于500 啤,首办模或试验模)  1. 可用铝铸铁或环氧树脂或任何材料只要有足够强度可生产最少测试数量便可

可加工性

  热加工性能,指热塑性、加工温度范围等;

热作模具用钢

冷加工性能,指切削、磨削、抛光、冷拔等加工性能。  冷作模具钢大多属于过共析钢和莱氏体钢,热加工和冷加工性能都不太好,因此必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数,以避免产生缺陷和废品。另一方面,通过提高钢的纯净度,减少有害杂质的含量,改善钢的组织状态,以改善钢的热加工和冷加工性能,从而降低模具的生产成本。  为改善模具钢的冷加工性能,自20世纪30年代开始,研究向模具钢中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或导致模具钢中碳的石墨化的元素,发展了各种易切削模具钢,以进一步改善其切削性能和磨削性能,减少刀具磨料消耗、降低成本。

淬透性和淬硬性

  淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前的原始组织状态;淬硬性则主要取决于钢中的含碳量。对于大部分的冷作模具钢,淬硬性往往是主要的考虑因素之一。对于热作模具钢和塑料模具钢,一般模具尺寸较大,尤其是制造大型模具,其淬透性更为重要。另外,对于形状复杂容易产生热处理变形的各种模具,为了减少淬火变形,往往尽可能采用冷却能力较弱的淬火介质,如空冷、油冷或盐浴冷却,为了得到要求的硬度和淬硬层深度,就需要采用淬透性较好的模具钢。

淬火温度和热处理变形

  为了便于生产,要求模具钢淬火温度范围尽可能放宽一些,特别是当模具采用火焰加热局部淬火时,由于难于准确地测量和控制温度,就要求模具钢有更宽的淬火温度范围。  模具在热处理时,尤其是在淬火过程中,要产生体积变化、形状翘曲、畸变等,为保证模具质量,要求模具钢的热处理变形小,特别是对于形状复杂的精密模具,淬火后难以修整,对于热处理变形程度的要求更为苛刻,应该选用微变形模具钢制造。

氧化、脱碳敏感性

  模具在加热过程中,如果发生氧化、脱碳现象,就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低;因此,要求模具钢的氧化、脱碳敏感性好。对于含钼量较高的模具钢,由于氧化、脱碳敏感性强,需采用特种热处理,如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。

其他因素

  在选择模具钢时,除了必须考虑使用性能和工艺性能之外,还必须考虑模具钢的通用性和钢材的价格。模具钢一般用量不大,为了便于备料,应尽可能地考虑钢的通用性,尽量利用大量生产的通用型模具钢,以便于采购、备料和材料管理。另外还必须从经济上进行综合分析,考虑模具的制造费用、工件的生产批量和分摊到每一个工件上的模具费用。从技术、经济方面全面分析,以最终选定合理的模具材料。

  1. 强度性能  (1)硬度硬度是模具钢的主要技术指标,模具在高应力的作用下欲保持其形状尺寸不变,必须具有足够高的硬度。冷作模具钢在室温条件下一般硬度保持在HRC60左右,热作模具钢根据其工作条件,一般要求保持在HRC40~55范围。对于同一钢种而言,在一定的硬度值范围内,硬度与变形抗力成正比;但具有同一硬度值而成分及组织不同的钢种之间,其塑性变形抗力可能有明显的差别。  (2)红硬性 在高温状态下工作的热作模具,要求保持其组织和性能的稳定,从而保持足够高的硬度,这种性能称为红硬性。碳素工具钢、低合金工具钢通常能在180~250℃的温度范围内保持这种性能,铬钼热作模具钢一般在550~600℃的温度范围内保持这种性能。钢的红硬性主要取决于钢的化学成分和热处理工艺。  (3)抗压屈服强度和抗压弯曲强度 模具在使用过程中经常受到强度较高的压力和弯曲的作用,因此要求模具材料应具有一定的抗压强度和抗弯强度。在很多情况下,进行抗压试验和抗弯试验的条件接近于模具的实际工作条件(例如,所测得的模具钢的抗压屈服强度与冲头工作时所表现出来的变形抗力较为吻合)。抗弯试验的另一个优点是应变量的绝对值大,能较灵敏地反映出不同钢种之间以及在不同热处理和组织状态下变形抗力的差别。  2. 韧性  在工作过程中,模具承受着冲击载荷,为了减少在使用过程中的折断、崩刃等形式的损坏,要求模具钢具有一定的韧性。  模具钢的化学成分,晶粒度,纯净度,碳化物和夹杂物等的数量、形貌、尺寸大小及分布情况,以及模具钢的热处理制度和热处理后得到的金相组织等因素都对钢的韧性带来很大的影响。特别是钢的纯净度和热加工变形情况对于其横向韧性的影响更为明显。钢的韧性、强度和耐磨性往往是相互矛盾的。因此,要合理地选择钢的化学成分并且采用合理的精炼、热加工和热处理工艺,以使模具材料的耐磨性、强度和韧性达到最佳的配合。  冲击韧性系表特征材料在一次冲击过程中试样在整个断裂过程中吸收的总能量。但是很多工具是在不同工作条件下疲劳断裂的,因此,常规的冲击韧性不能全面地反映模具钢的断裂性能。小能量多次冲击断裂功或多次断裂寿命和疲劳寿命等试验技术正在被采用。  3. 耐磨性  决定模具使用寿命最重要的因素往往是模具材料的耐磨性。模具在工作中承受相当大的压应力和摩擦力,要求模具能够在强烈摩擦下仍保持其尺寸精度。模具的磨损主要是机械磨损、氧化磨损和熔融磨损三种类型。为了改善模具钢的耐磨性,就要既保持模具钢具有高的硬度,又要保证钢中碳化物或其他硬化相的组成、形貌和分布比较合理。对于重载、高速磨损条件下服役的模具,要求模具钢表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜,保持润滑作用,减少模具和工件之间产生粘咬、焊合等熔融磨损,又能减少模具表面进行氧化造成氧化磨损。所以模具的工作条件对钢的磨损有较大的影响。  耐磨性可用模拟的试验方法,测出相对的耐磨指数,作为表征不同化学成分及组织状态下的耐磨性水平的参数。以呈现规定毛刺高度前的寿命,反映各种钢种的耐磨水平;试验是以Cr12MoV钢为基准进行对比。  4. 抗热疲劳能力  热作模具钢在服役条件下除了承受载荷的周期性变化之外,还受到高温及周期性的急冷急热的作用,因此,评价热作模具钢的断裂抗力应重视材料的热机械疲劳断裂性能。热机械疲劳是一种综合性能的指标,它包括热疲劳性能、机械疲劳裂纹扩展速率和断裂韧性三个方面。  热疲劳性能反映材料在热疲劳裂纹萌生之前的工作寿命,抗热疲劳性能高的材料,萌生热疲劳裂纹的热循环次数较多;机械疲劳裂纹扩展速率反映材料在热疲劳裂纹萌生之后,在锻压力的作用下裂纹向内部扩展时,每一应力循环的扩展量;断裂韧性反映材料对已存在的裂纹发生失稳扩展的抗力。断裂韧性高的材料,其中的裂纹如要发生失稳扩展,必须在裂纹尖端具有足够高的应力强度因子,也就是必须有较大的裂纹长度。在应力恒定的前提下,在一种模具中已经存在一条疲劳裂纹,如果模具材料的断裂韧性值较高,则裂纹必须扩展得更深,才能发生失稳扩展。  也就是说,抗热疲劳性能决定了疲劳裂纹萌生前的那部分寿命;而裂纹扩展速率和断裂韧性,可以决定当裂纹萌生后发生亚临界扩展的那部分寿命。因此,热作模具如要获得高的寿命,模具材料应具备高的抗热疲劳性能、低的裂纹扩展速率和高的断裂韧性值。  抗热疲劳性能的指标可以用萌生热疲劳裂纹的热循环数,也可以用经过一定的热循环后所出现的疲劳裂纹的条数及平均的深度或长度来衡量。  5. 咬合抗力  咬合抗力实际就是发生“冷焊”时的抵抗力。该性能对于模具材料较为重要。试验时通常在干摩擦条件下,把被试验的工具钢试样与具有咬合倾向的材料(如奥氏体钢)进行恒速对偶摩擦运动,以一定的速度逐渐增大载荷,此时,转矩也相应增大,该载荷称为“咬合临界载荷”,临界载荷愈高,标志着咬合抗力愈强。

  在模具生产成本中,材料费用一般占10%~20%,而机械加工、热处理、装配和管理费用占80%以上,所以模具材料的工艺性能是影响模具的生产成本和制造难易的主要因素之一。  1. 可加工性  (1)热加工性能,指热塑性、加工温度范围等;  (2)冷加工性能,指切削、磨削、抛光、冷拔等加工性能。  冷作模具钢大多属于过共析钢和莱氏体钢,热加工和冷加工性能都不太好,因此必须严格控制热加工和冷加工的工艺参数,以避免产生缺陷和废品。另一方面,通过提高钢的纯净度,减少有害杂质的含量,改善钢的组织状态,以改善钢的热加工和冷加工性能,从而降低模具的生产成本。  为改善模具钢的冷加工性能,自20世纪30年代开始,研究向模具钢中加入S、Pb、Ca、Te等易切削加工元素或导致模具钢中碳的石墨化的元素,发展了各种易切削模具钢,以进一步改善其切削性能和磨削性能,减少刀具磨料消耗、降低成本。  2. 淬透性和淬硬性  淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前的原始组织状态;淬硬性则主要取决于钢中的含碳量。对于大部分的冷作模具钢,淬硬性往往是主要的考虑因素之一。对于热作模具钢和塑料模具钢,一般模具尺寸较大,尤其是制造大型模具,其淬透性更为重要。另外,对于形状复杂容易产生热处理变形的各种模具,为了减少淬火变形,往往尽可能采用冷却能力较弱的淬火介质,如空冷、油冷或盐浴冷却,为了得到要求的硬度和淬硬层深度,就需要采用淬透性较好的模具钢。    3. 淬火温度和热处理变形  为了便于生产,要求模具钢淬火温度范围尽可能放宽一些,特别是当模具采用火焰加热局部淬火时,由于难于准确地测量和控制温度,就要求模具钢有更宽的淬火温度范围。  模具在热处理时,尤其是在淬火过程中,要产生体积变化、形状翘曲、畸变等,为保证模具质量,要求模具钢的热处理变形小,特别是对于形状复杂的精密模具,淬火后难以修整,对于热处理变形程度的要求更为苛刻,应该选用微变形模具钢制造。  4. 氧化、脱碳敏感性  模具在加热过程中,如果发生氧化、脱碳现象,就会使其硬度、耐磨性、使用性能和使用寿命降低;因此,要求模具钢的氧化、脱碳敏感性好。对于含钼量较高的模具钢,由于氧化、脱碳敏感性强,需采用特种热处理,如真空热处理、可控气氛热处理、盐浴热处理等。

冷作模具钢与热作模具钢成分区别

冷作模具钢侧重硬度、耐磨性。含碳量高,添加合金元素以增加淬透性,提高耐磨性为主。

热作模具钢对硬度要求适当,侧重于红硬性,导热性,耐磨性。因此含碳量低,合金元素以增加淬透性,提高耐磨性、红硬性为主。


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