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冷冲模材料与热处理
冷冲模,冷作模工作零件常用材料及热处理
模具类型
常用材料
热处理
硬度（HRC）
凹模
凸模
冲裁模
形状简单、冲裁板料厚度＜3mm
T8A、T10A、9Mn2V、Cr6WV、GCr
15、45#喜
淬火、回火
58~62
58~62
形状复杂、冲裁板料厚度＞3mm，要求耐磨性高
CrWMn、9SiCr、Cr
12、Cr12MoV、Cr4W2MoV
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D2
淬火、回火
58~62
58~62 弯曲模
一般弯曲模
T8A、T10A
淬火、回火
54~58
56~60
要求耐磨性高、形状复杂、生产批量大的弯曲模
CrWMn、Cr
12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1
淬火、回火
58~62
58~62
热弯曲模
5CrNiMo、5CrMnMo H
13、3Cr2W8V
淬火、回火
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48~52
48~52 拉伸模
一般拉伸模
T8A、T10A、GCr15
淬火、回火
55~58
55~58
要求耐磨性高、生产批量大的拉伸模
Cr
12、Cr12MoV、YG
8、YG
15、D2
冷作模
紧固件行业冷作模具主要完成金属或非金属材料的冲裁、弯曲、拉深、镦锻、挤压等工序，制作成各种螺栓、螺钉、螺母、垫片、销、铆钉等。由于加载形式和被加工材料力学性能不同，各种模具的工作条件差别很大，故失效形式也不相同。在以上模具中，模具工作条件最为恶劣的是镦锻模、挤压模，其次是厚板小孔冲裁模。
2.冷作模具的失效
镦锻模、挤压模主要用于螺栓、螺母、异型件的制造。它用于金属体积成形。成形模具所受的载荷轻重根据工作形状、尺寸、变形量
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以及变形材料的力学性能的不同而不同。
在生产中由于变形金属在模具型腔中剧烈流动产生严重摩擦，致使模具表面温度瞬时达到 400 ℃，要求这类模具型腔能承受较大压力、张力和摩擦力，不开裂，不变形，不磨损。
对于冲裁模，它要求刃口在板料冲裁（锥垫、带齿垫片等）过程中保持锋利与完整，不崩刃、不变形、耐磨损，冲头尤其具有高的强韧性和耐磨性。
在生产中常见模具失效形式有以下几类：
(1)断裂失效 模具在使用中突然出现大裂纹或发生破损而失效。如冲裁模崩刃，冷挤压模和冷镦模的冲头断裂，凹模破裂。在冷镦模、冷挤压模工作时，由于成形力大，在金属变形过程中模具表面的瞬时温度很高，造成温度循环，也加速疲劳裂纹产生。
(2)变形失效 如凸模镦粗、弯曲、凹模型腔下沉塌陷、棱角堆塌、模孔胀大等。
(3)磨损失效 如厚板冲裁模刃口、冷镦冷挤模型腔尺寸超差。
3. 材料选择及热处理
选择模具材料首先要了解模具钢的材质成分、性能，模具的使用条件以及模具失效形式，针对性地选材。
3.1 冲裁模
冲裁模刃口承受的剪切力大，摩擦发热严重，易磨损。凸模易产生崩刃、折断等。对于批量较大的厚板冲裁模可选用 W18Cr4V 钢 W6Mo5Cr4V2 钢制作凸模，用 Cr12MoV 钢制作凹模，这类钢耐磨性
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抗压强度较好，基本能满足使用要求，但韧性较低、碳化物分布不均匀，使模具易断裂及崩刃，模具寿命也不理想。目前，紧固件企业多数使用了基体钢（ LD 、65Nb 等），低合金高强度钢（ GD ），降碳高速钢（ 6W6Mo5Cr4V ），火焰淬火钢（ 7CrSiMnMoN ）等。
基体钢由于有较高的强韧性，克服了 Cr12MoV 钢脆断倾向，使冲裁模寿命显著提高。
表 1 新旧模具材料寿命对照表
钢号
被加工材料
模具硬度／ HRC
平均寿命／件
寿命提高（倍）
Cr12MoV
Q235
t ＝ 2.1 ～ 2.4mm
58 ～ 62
14000 ～ 16000
――
65Nb
57 ～ 59
35000 ～ 70000
2.5 ～ 4.3 CD
65Mn
t ＝ 1.8 ～ 2.1mm
58 ～ 60
47000 ～ 88000
3.3 ～ 5.5 LD
10 ＃钢
t ＝ 2.6 ～ 3.5mm
58 ～ 62
22000 ～ 46000
1.5 ～ 2.8
3.2 冷镦模
冷镦模工作时，凸模必须承受强烈的冲击力，其最大压应力可达
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到 2500N/mm2, 一般低合金工具钢是不能承受的，必须采用高强韧性合金工具钢和硬质合金制造。
对于冷镦六角螺栓，六角螺母冷作模具，应采用高强韧、高耐磨性模具钢 65Nb ， LD ， GM ， LM ， 6W6Mo5Cr4V 钢。这类钢强韧很高，耐磨性稍次。如在冷镦模表面实施强化处理，如 PVD 物理气相氮化钛涂层，气体氮碳共渗、液体氮碳共渗、硼――碳复合渗等，就可明显提高冷作模具耐磨性。
硬质合金是用粉末冶金方法制造的复合材料，其硬度很高、耐磨性好，用于制作冷镦模具，其使用寿命可提高数倍和数百倍。如六角螺栓冷镦模芯、缩径模套寿命可达 20 万～ 50 万件，但其较脆，韧性较差，且不能进行车、铣，只宜磨削加工。
常用牌号 YG20 、YG15 。
表 2 硬质合金的化学成分
牌号
组成（％）
性能
WC
CO
硬度 HRC
抗弯强度／ Mpa
抗压强度／ Mpa
YG15
85
86~88
1800 ～ 2200
3900 YG20
80
83~86
2000 ～ 2600
3400 YG25
75
25
82 ～ 84
1800 ～ 2700
3200
钢结构硬质合金是以碳化物为硬质相、钢作粘结相形成的复合材料，钢结硬质合金有良好的耐磨性，其强度和韧性高于硬质合金，并
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可进行机械加工和热处理，在冷作模具中得到广泛应用，主要以碳化钨钢结硬质合金为主（简称 DT 合金），其性能见表 3 。
表 3 钢结硬质合金性能比较
合金牌号
硬质相种类
硬度 HRC
抗弯强度 /MPa
冲击韧度 KJ/m 2
加工态
使用态
DT
WC
32 ～ 36
62 ～ 64
2450 ～ 3530
147 ～ 196
TLMW50
WC
35 ～ 42
66 ～ 68
1960 ～ 2050
78 ～ 98
GT35
TiC
39 ～ 46
67 ～ 69
1370 ～ 1765
58 ～ 59
钢结硬质合金制作各种冷作模具，主要以镶套为主。采用 DT 合金制造 M6 、M8 半圆头螺钉冷镦模，模具寿命比 9CrSi 钢 8 万件产量提高 30 倍，寿命可达 250 万件。而制造 M20 六角螺母冷镦模比 Cr12MoV 钢 0.4 万件产量提高 55 倍，寿命达 22 万件，经济效益显著。
3.3 冷挤压模
各类紧固件的挤压成型是在强烈的三向压应力状态下完成的。凸模既受强大的压应力，又受各种不均衡侧向力，在回程时瞬间易引起
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断裂。受力复杂的凸模，特别是在凸模尺寸变化应力集中处，易产生脆性断裂。而凹模有胀裂的可能以及由于金属材料剧烈流动而引起模腔严重磨损。
首先 , 应重视选材和热处理工艺，如 6W6Mo5Cr4V2 、LD 、65Nb 、LM2 、GD 、7CrSiMnMoV 等钢可大大提高强韧性，其次 , 耐磨性可通过表面处理来达到。
例如，冷挤压发动机异型件，如锁芯、接头凹凸模常用高速钢制作，抗压强度和耐磨性都很好，缺点是韧性差，易脆断，降低淬火温度可提高该钢的断裂抗力。 6W6Mo5Cr4V 钢比原用 W18Cr4V 、Cr12MoV 钢制作凹模原寿命 1 万多件提高到 40000 件达 4 倍，淬火温度 1080 ～ 1120 ℃， 560 ℃回火三次，就是一个例子。
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制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。
1.碳素工具钢
在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等，优点为加工性能好，
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价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。
2.低合金工具钢
低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。
3.高碳高铬工具钢
常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1（代号D2），它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔（轴向镦、径向拔）改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。
4.高碳中铬工具钢
用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高
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铬钢相比，性能有所改善。
5.高速钢
高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2（代号6-5-4-2，美国牌号为M2）以及为提高韧性开发的降碳降钒 高速钢 6W6Mo5 Cr4V（代号6W6或称低碳M2）。高速钢也需要改锻 ，以改善其碳化物分布 。
6.基体钢
在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。
7.硬质合金和钢结硬质合金
硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和
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韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用含钴量较低的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。
钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、钼 、钨、钒等）做粘合剂，以碳化 钛或碳化钨为硬质相 ，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。 钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达 68 ~ 73HRC。
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