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冷作模具钢工艺性能和承载能力特征

文章出处：网责任编辑：作者：人气：-发表时间：2024-07-31 15:05:00

（1）低淬透性冷作模具钢（包括T7A、T8A、T10A、T12A、V、MnSi、Cr2、9Cr2、CrW5）该组由碳素工具钢和低合金工具钢组成，其特点是：合金元素含量少，加工性能好，在淬火后的薄壳硬化状态具有充分的韧性和疲劳抗力，但钢的淬透性、回火抗力和耐磨性较低。通用水淬碳素工具钢T10A和通用水、油淬火冷作模具钢Cr2为典型代表。其中CrW5钢的韧性虽然较低，但其耐磨性和抗咬合性能极好。

该组冷作模具钢适用于各种小批量生产的模具和抗冲击载荷的模具。

（2）低变形冷作模具钢（包括9Mn2V、9Mn2、CrWMn、MnCrWV、9CrWMn、SiMnMo）该组钢中的合金元素含量多于（1）组，具有较好的淬透性、淬硬性，淬火操作过程简便，易于控制零件的淬火变形程度。但该组钢的韧性、回火抗力仍较低，残余奥氏体在250℃左右回火时发生分解，使钢的体积膨胀，并增加钢的低温回火脆性。本组钢中的MnCrWV为各国通用的综合性能优良的代表钢种，9CrWMn钢在美、英等国最为普及，9Mn2钢为西欧、捷克等国家和地区普及的冷冲模钢种，在美国则广泛用于小型塑料模具，SiMnMo石墨钢具有优良的抗咬合性能和耐磨性，欧、美已有多家钢厂生产，但我国使用者较少。

该组钢为中小批量生产用形状复杂的基本钢种。

（3）微变形冷作模具钢（包括Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV）该组钢为高合金钢，属低合金过共析钢，Cr12MoV钢是本组钢的典型代表。该组钢的基本特征是：具有高的淬火淬透性和中等的回火抗力，具有高耐磨性和淬火以后体积变化微小的特点。但其变形抗力和抗冲击能力有限，除Cr2Mn2SiWMoV钢以外，该组钢具有高的热稳定性。

该组钢是成批或大批量生产用冷冲模的基本钢材，以及中等载荷的冷挤压模、冷镦模的主要材料。

（4）高强度冷作模具钢（包括W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）该组钢为通用高速钢，其基本特点就是具有高的强度、高的回火抗力和高耐磨性，是制作冷挤压模具的基本材料。但该组钢的韧性差，合金元素消耗量大，制造工艺性能不佳，淬火、回火后的变形难以控制，原材料价格和后期的热加工价格昂贵。

（5）高强韧性冷作模具钢（包括6W6Mo5Cr4V、CG2、65Nb）该组钢为中碳高合金钢，过剩碳化物少，组织均匀，淬火组织以板条状马氏体为主，结合多元合金固溶强化和回火碳化物弥散强化，其基本特性是兼有高强度、高韧性和高抗冲击疲劳能力，但弱点是抗压能力低，热稳定性差，淬火变形以后难以控制，是综合性质优良的重载冷作模具钢。

适用于制作大、中型冷镦模、精压模。

（6）抗冲击冷作模具钢（包括4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si、60Si2Mn、5CrNiMo、5CrMnMo、5SiMnMoV、9SiCr）该组钢为中碳低合金钢，该类钢还可以细分为硅锰钢60Si2Mn，铬钨硅系耐冲击模具钢4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si，热作模具钢5CrNiMo、5CrMnMo、5SiMnMoV。其基本特性是抗冲击疲劳的能力极佳，耐磨性和抗压强度较低，是各种冲剪工具、精压模、冷镦模的基本材料。

硅锰钢60Si2Mn为产普及型弹簧钢，可用于内六角螺钉冷镦冲头、硬质合金凹模预应力套，其硬度为48～52HRC，以及其他小型冲头。铬钨硅系而冲击模具钢是世界上各国广泛应用、性能良好的冷、热模通用钢种，具有强韧性高、耐磨性优良、对等温回火适应性好等优点。钢中的铬与硅可保证淬透性、抗疲劳强度和抗压强度，钨元素可细化晶粒及保证淬透性。

5CrNiMo、5CrMnMo原本属于高韧性热作模具钢，由于其淬透性好、淬硬性高，在低温回火或等温淬火状态具有良好的强韧性，特别是低的缺口敏感性，国内、外均有应用于承载条件苛刻、易于脆断的重载冷作模具，只是耐磨性较低而已。5SiMnMoV钢主要用于厚钢板用冲剪工具及重载冲载模，如包括厚度超过20mm的钢板用直剪刀，及厚度超过6mm的钢板用圆盘剪刀，以及大、中规格圆钢、型钢下料剪刀，中厚板冲裁模和精压模等。

（7）低合金空淬冷作模具钢  该类钢要求具有良好的淬透性，热处理变形小，强韧性好，并且有一定的耐磨性能，是可以减小模具零件淬火变形和开裂的低合金空淬微变形钢。

而标准的高合金冷作模具钢（如D2、A2）虽然淬透性好，但合金含量高，成本昂贵。因此，在国内外开发的一些低合金微变形钢中，一般含有提高淬透性的Cr、Mn合金元素，合金元素的总含量一般小于5%，适用于制造生产批量不大的精密复杂模具。具有代表性的钢种如美国的A6钢、日立金属公司的ACD37钢、大同特殊钢公司的G04钢、爱知制钢公司的AKS3钢等。

我国的GD钢，经900℃淬火和200℃回火后，钢的组织中能保持一定量的残余奥氏体，具有较好的强韧性和尺寸稳定性，可用于制作易崩刃断裂的冷冲模具，有较高的使用寿命。

（8）火焰淬火模具钢  为了缩短模具制造周期，简化热处理工艺过程，节约能源，降低模具制造成本，日本开发了一些满足火焰淬火要求的专用冷作模具钢。比较典型的如爱知制钢的SX105V（7CrSiMnMoV）、SX4（Cr8），日立金属的HMD5、HMD1，大同特殊钢公司的G05钢等，我国研制开发了7CrSiMnMoV。

这类火焰淬火钢在模具加工完后，可以通过采用氧乙炔喷枪或其他加热器，对模具的刃部或其他部分进行加热后空冷淬火，一般淬火后可以直接使用。由于工艺简单，在日本获得广泛使用。该类钢代表性的钢种是7CrSiMnMoV，具有良好的淬透性，在φ80mm的钢材经油中淬火时，距表面30mm处的硬度可高达60HRC，心部与表面硬度差值为3HRC，火焰淬火时，经180～200℃预热。用喷枪加热至900～1000℃淬火，硬度可达到≥60HRC，可得到≥1.5mm的淬硬层。

（9）基体钢  高速钢以其优良的耐磨性和红硬性，在国外已经广泛地用于制造高性能、高寿命的冷作模具，如日本通用标准的高速钢SKH51（W6Mo5Cr4V2）等。为了适应模具的要求，往往通过降低淬火温度、淬火硬度或降低高速钢中的含碳量，以提高其韧性。

基体钢是从高速钢发展而来的，其化学成分相当于高速钢淬火后的基体成分。所以淬火后的残余碳化物数量少、分布均匀，使钢的韧性较高速钢有很大的改善。美国和日本在20世纪70年代初研究过牌号为VascpMA、VascoMatrix1和MOD2的基体钢，新近又研制开发了DRM1、DRM2、DRM3等，一般用于要求韧性较高而抗回火稳定性较好的冷作模具。我国也研制一些基体钢，如65Nb（65Cr4W3Mo2VNb）、65W8Cr4VTi、65Cr5Mo3W2VsiTi等钢。

该类钢具有良好的强韧性，广泛制作冷挤压、厚板冷冲、滚丝轮、压印模、冷镦模等，也可用做温挤压模具。

（10）粉末冶金模具钢  常规工艺生产的莱氏体型高合金冷作模具钢，特别是大截面钢材，其共晶碳化物粗大，分布不均匀，严重地降低了钢的韧性、可磨削性和等向性。因此，近年来，国外工模具钢生产的主要特钢企业都集中力量开发了一系列的粉末冶金高速钢和高合金模具钢，使该类钢得到迅速发展。

粉末冶金生产工模具钢已经成为国外重点发展方向，美国CRUCIBLE厂已具备年产12000t的生产能力，奥地利BOHLER厂仅2002年生产粉末工具钢（主要是高速钢和冷作模具钢）1800t。由于雾化钢粉冷速快，采用粉末冶金工艺形成的碳化物细小均匀，因而显著地提高了模具材料的韧性、可磨削性和等向性。这种特殊的生产工艺，由于碳化物细小均匀，使可加工性和可磨削性能得到改善，通过在钢中添加更高的碳含量和钒含量，从而发展了一系列的新钢种，如日本大同的DEX系列（DEX40，DEX60，DEX80等），日立金属的HAP系列，不二越的FAX系列，瑞典UDDEHOLM的VA-NADIS系列，法国Erasteel的ASP系列。美国CRUCIBLE公司的粉末冶金工模具钢发展较快，形成了CPM1V、CPM3V、CPM10V、CPM15V等一系列的粉末冶金钢，其可磨削性和韧性比普通工艺制造的工模具钢有明显提高。国内在1980年代曾开展粉末冶金高速钢的研究工作，但未产业比。

（11）高韧性、高耐磨性冷作模具钢  为了提高冷作模具钢的韧性，并使钢的耐磨性降低不是很多，国外一些模具钢生产的主要企业，相继开发了一系列高韧性、高耐磨性兼备的冷作模具钢。这类钢一般含碳量约为1%，含Cr8.0%，加入Mo、V、Si等合金元素，其碳化物细小、分布均匀、韧性远高于Cr12类型钢，而耐磨性则与之相近。它们的硬度、抗弯强度、疲劳强度和断裂韧性高，抗回火稳定性也高于Cr12型模具钢，适合于高速冲床和多工位冲床。

20世纪70年代，美国钒合金公司首先开发出VascoDie（8Cr8Mo2V2Si）该类钢发展较快，有美国CRUCIBLE公司开发的CRU-WEAR钢，Timken的Lescowear，BOHLER的K340钢，日本山阳特殊钢的QCM8，大同特钢的DC53，爱知制钢公司的SX5（Cr8MoV），TCD等钢。我国也研制开发了LD钢、GM钢、ER5钢等。

该类钢代表性的钢种是低V含量的日本DC53钢和高V含量的CRU-WEAR钢。

DC53钢经过回火后使用，其韧性比 D2高出1倍，抗疲劳性能比D2高出20%；CRU-WEAR钢经锻轧后，退火后硬度达到225～255HBS，淬火后硬度可达到63HRC，在480～570℃回火时，具有明显的二次硬化效应，钢的耐磨性、韧性均优于D2钢。