冷作模具钢的选择及应用

    摘要：综述了冷作模具钢的性能及分类，指出了传统冷作模具钢的局限性和新型冷作模具钢的优势。从化学成分、 组织结构、力学性能和使用寿命等方面，对新型冷作模具钢如低合金冷作模具钢一GD (6CrMnNiMoVSi)钢、基 体钢一65Nb (65Cr4W3Mo2VNb)钢和CG-2 ( 6Cr4Mo3Ni2WV)钢、高韧性高耐磨性冷作模具钢一LD (7Cr7Mo2V2Si)钢和GM (9Cr6W3Mo2V2)钢等，进行对比和实例分析，指出应合理选择及应用新型冷作模具 钢，从而提高模具使用寿命。

    关键词：冷作模具钢；力学性能；使用寿命

    模具作为主要的成形工具，已成为一种重要的 加工装备。家用电器约80%的零部件、机电行业约 70%的零部件均采用模具成形。模具材料的性能、 质量和品种问题往往会影响模具质量、寿命及成本。 随着冷作制品向高精度、高效率、多品种发展，要 求冷作模具钢具有耐磨性和较高的韧性等口T2］。我 国传统的冷作模具钢品种少，质量差。如CrWMn 含碳量较高，容易产生严重的网状碳化物，导致模 具在使用中的崩刃和开裂，影响使用性能；高碳高 铭工具钢Crl2、Crl2MoV有高的耐磨性，但其碳 化物偏析较严重，导致变形的方向性和强韧性的降 低。D2 (Crl2MolVl)钢和 Crl2MoV 钢相比，D2 钢的碳化物偏析较之Crl2MoV略有改善，强度与 韧性稍有提高，D2钢制作的模具，其使用寿命也有 不同程度的提高寡为了提高铝管冲头的使用寿 命，用新型冷作模具钢7Cr7Mo2V2Si代替原 Crl2MoV钢，并采用优化的淬火、回火工艺处理使 冲头寿命提高至原来的4倍，再经表面强化处理, 冲头寿命进一步提高至原来的8倍叫。可见，合理 选择及应用优质、新型模具材料，可以提高模具使 用寿命。本文总结了各种冷作模具钢的性能及其应 用范围，以便指导实际应用。

    2冷作模具钢的性能要求

    冷作模具是在常温下完成对金属或金属材料进 行塑性变形的模具，如弯曲、拉拔、冲裁、挤压、 冷锻、滚丝和搓丝等。冷作模具在工作中受到拉伸、 压缩、冲击、疲劳、摩擦等机械力的作用，其失效 形式是磨损、脆断、塑性变形、咬合等。因此，冷 作模具钢应具有的性能要求如下口T2］。

    (1)良好的耐磨性：冷作模具工作时，模具与 坯料之间产生很大的摩擦，为防止在模具表面划出 一些微观凹凸不平的痕迹，而对模具表面造成破坏, 应使模具表面具有良好的耐磨性。在下贝氏体或回火马氏体的基体上分布有细小的、弥散分布的细颗 粒状碳化物的组织，具有良好的耐磨性。

    (1)足够的强度和韧性：为了防止由于冲击重 载荷、偏心弯曲载荷、应力集中等引起模具的破裂 和折断，要求模具具有一定的强度和韧性。

    (2)良好的抗疲劳性：冷作模具一般是承受交 变载荷作用的，所以所发生的破坏多为疲劳破坏。 模具材料抵抗疲劳破坏的能力与其化学成分、组织 状态、碳化物形态及分布、表面粗糙度等有关。

    (3)抗咬合粘结能力：抗咬合能力就是对可能 发生冷焊的抵抗能力。模具工作时模具表面与坯料 直接接触时应力高，摩擦力大，坯料可能被模具冷 焊在模具型腔表面而形成金属瘤，而在后续的坯料 成形中在工作表面产生划痕。

    3常用冷作模具钢的类型及代号

    常用的冷作模具钢有以下几种口』眼测：

    (1)低淬透性冷作模具钢，如碳素工具钢 T7A、T8A、T10A、T12A 及滚动轴承钢如 GCrl5 等。碳素工具钢易于锻造成形，切削加工性能比较 好，但淬透性差，常规淬火的淬硬层只有1.5? 5 mm,淬火变形开裂倾向大，回火稳定性差，耐磨 性和热强性都较低(适用于250 °C以下温度)，因而 只适合于制作形状简单、要求不高的小型冷作模具。 GCrl5是轴承专用钢，主要用于制造各种滚动轴承 零件。GCrl5的锻造性能较好，锻造温度范围宽， 网状碳化物倾向小，锻后组织为细晶片状珠光体, 允许有细小网状碳化物，其组织可不经正火即进行 球化退火。由于其具有优良的性能，广泛地用在落 料模具，冷挤压模具和成形模具等冷作模具中。但 GCrl5钢锭容易出现缩松，缩孔，夹渣，锻造时难 于焊合；淬火开裂，低温回火不能全部消除淬火应 力而岀现裂纹等。

    (2)低变形冷作模具钢，如CrWMn、9SiCr、 9Mn2V等，是在碳素工具钢的基础上加入少量的合 金元素如Cr, Mn, Si, W, V等发展而成的。

    CrWMn淬透性比GCrl5好，常用于形状复杂、 耐磨性好的高精度冲模。因为钙的碳化物比较稳定, 淬火加热时不溶解，奥氏体晶粒较细，又由于锭的 存在，使淬火后有较多的残留奥氏体，因此淬火变 形小。9SiCr钢具有碳化物分布均匀，淬透性、淬 硬性较好，回火时硬度变化平稳，承载能力好，适 合于等温淬火等特点，用于机械载荷较重的冷作模 具，如滚丝模具，厚钢板冲剪工具等，也可作为冷 锹模具材料。9Mn2V钢不含铭，锭可提高钢的淬透 性，钥可以抑制晶粒长大。其碳化物比CrWMn钢 要少，但颗粒度比较大，因此耐磨性不及CrWMn, 但仍比T10钢的耐磨性要高出6?7倍。主要用于 冲压模具，冷挤压模具。

    (3)高耐磨、微变形冷作模具钢，该模具钢适 用于形状复杂的重载冷作模具。典型的钢种主要有 Crl2、Crl2MoV等。Crl2MoV是莱氏体钢，钢中 的铭大部分都是集中在M7C3 (M表示金属)型共 晶碳化物中，其硬度在1800-2800 HV之间，既能 阻止晶粒长大，也是其耐磨性特别高的原因。在服 役过程中，由于摩擦而升温，在工模具表面形成 Cr2O3薄膜，既能提高工模具表面的抗氧化抗腐蚀 性能，同时还能降低表面的摩擦系数，起到润滑的 作用。由于其热处理变形小、耐磨性高、承载能力 大，广泛应用于制造截面尺寸大、形状复杂、承受 较大载荷的各种冷作模具，如冷冲模具、挤压模具、 复杂模具上的镶块、拉丝模具、滚丝模具等。

    (4)高速钢，典型的钢种有：W18CMV, W6Mo5Cr4V2, W12Mo3Cr4V3N 等。高速钢是红 硬性、耐磨性较高的高合金工具钢，适用于承受巨 大的外力作用和工作条件十分严峻的场合。

    4新型冷作模具钢

    4. 1低合金冷作模具钢口，3"2刀

    低合金冷作模具钢主要特点是工艺性好，淬火 温度低，热处理变形小，强韧性好，并具有适当的 耐磨性。GD (6CrMnNiMoVSi)钢是一种低合金工 具钢，也是典型的高强高韧性冷作模具钢，用于制 作易崩刃、断裂的冷冲模具，有较高的使用寿命。 其化学成分见表1⑶。

    GD钢是在CrWMn钢的基础上，适当地降低 碳含量，以减少碳化物偏析，同时增加镣、硅、镒, 以增加基体的强度和韧性，少量钥和钮可以细化晶 粒，提高淬透性和耐磨性，并增加回火稳定性，铭 的作用主要是提高淬透性。GD钢基体具有较多的 板条状马氏体，碳化物较少，且细小而均匀，可以 取代CrWMn钢和部分取代Crl2MoV钢制造冷作 模具，模具使用过程中很少崩韧和断裂。力学性能 见表2、表3⑶。

    表2列出了 GD钢在不同的淬火回火温度下获 得的硬度。由于Si, Cr的共同作用，使其具有较高 的回火稳定性，可满足冷作模具的要求。由表3可 知，GD钢的强韧性