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    【摘要】在模具加工中，合理的選材與正確制定熱處理工藝是至關重要的，它直接關系到產品的質量及經濟效益而且還能有效地增加模具的壽命。本文分析了冷作模具鋼的工作條件及失效形式，提出能滿足冷作模具鋼工作條件的性能滿足要求，在選擇其材料并進行相應的熱處理使其再結晶激發材料自身的潛力，以保證其性能要求。
 關鍵詞：冷作模具鋼  熱處理  設計工藝改進  模具壽命
   【 abstract 】 in the mold, the reasonable material selection and correct formulation heat treatment process is very important, it directly related to the quality of the products and economic benefits. This paper analyzes the cold working die steel working conditions and failure form, put forward to meet the cold working die steel working conditions performance meet the requirements, in the selection of its material and the corresponding heat treatment, in order to ensure the performance requirements.
Keywords: cold working die steel  Heat treatment  Design process improvement
    
  
    冷作模具是指在冷態下完成對金屬或非金屬材料的塑性變形的模具其對制品的變形方式一般有彎曲、拉伸、擠壓、滾絲、拉絲等。冷作模具在機械、輕工業、電器、儀表行業中應用極為廣泛，它使壽命的高低直接影響生產效率和產品成本。
    模具材料是模具制造的基礎。合理選擇冷作模具材料，正確實施熱處理工藝是保證模具壽命，提高模具質量和使用效能的關鍵尤其是在難成型材料不斷涌現成形工件形狀日益復雜，精度要求愈來愈高的情況下冷作模具對材料的使用性能和熱處理工藝提出了更為嚴格和苛刻的要求。
 1.1冷作模具鋼失效形式與性能要求
     冷作模具種類繁多，結構復雜，在工作中收到拉伸，彎曲壓縮，沖擊，疲勞摩擦等機械力的作用，其正常的失效形式主要是磨損，脆斷變形，咬合等
   （1）磨損失效：模具部位與被加工材料之間的摩擦損耗，使工作部位刃口凸模形狀和尺寸發生變化引起的失效。如厚板沖裁冷鐓模型腔尺寸超差。
   （2）脆斷失效：冷作模具承受的載荷大都是以一定沖擊速度，一定能量作用下周期性施加的，模具在使用中突然出現大裂紋或發生破損而失效。如沖裁模崩刃冷擠壓模工作時，由于成型壓力大，在金屬變形過程中模具表面的瞬時溫度很高，造成溫度循環也加速疲勞裂紋產生。
  
（3）變形咬合對受到沖擊載荷較大易受偏心彎矩載荷或有應力集中的模具等，都需要較高的韌性。對一般工作條件下的冷作模具，通常受到的是小能量多次沖擊載荷作用。沖壓材料與模具表面接觸時在高壓摩擦下，潤滑油膜被破壞此時被沖壓件金屬“冷焊”在模具型腔表面形成金屬瘤從而在成形工件表面劃出道痕。
根據冷作模具的工作條件及失效形式，冷作模具鋼應具備有如下基本性能：
 
 1良好的耐磨性
    冷作模具在工作時，模具與坯料之間產生很大的摩擦，在這種摩擦的作用下，模具表面繪劃出一些微觀凹凸痕跡，這些痕跡與坯料表面的凹凸不平相咬合，使模具表面逐漸產生切應力，造成機械破損而磨損。
 2高強度
    強度指標對于冷作模具的設計和材料選擇是極為重要的依據，主要包括：拉伸屈服點、壓縮屈服點。其中壓縮屈服點對冷作模具沖頭材料的變形抗力影響大。為了獲得高的強度，在材料選定的情況，主要是通過適當的熱處理工藝進行強化。
3良好的抗咬合能力
    當沖壓材料與模具表面接觸時，在高壓摩擦下，潤滑油膜被破壞，此時，被沖壓件金屬“冷焊”在模具型腔表面形成金屬瘤，從而在成形工件表面劃出道痕。咬合抗力就是對發生“冷焊”的抵抗能力。模具材料及潤滑條件對咬合抗力也有較大的影響。
1.2 冷作模具失效問題探討歸納
冷沖裁模：磨損，局部斷裂（崩刃）
冷拉深模：磨損（磨粒磨損粘著磨損）
冷擠壓模：沖頭塑性變形，斷裂，折斷，疲勞斷裂，縱向開裂，磨損（磨粒磨損）
冷鐓鍛模：磨損，斷裂，疲勞斷裂，塑性變形
 
   2.1冷作模具的選材分類及熱處理規范
      常用的冷作模具鋼有碳素工具鋼、低合金工具鋼、髙鈷和中鉻冷作模具鋼、基體鋼和低碳高速鋼類冷作模具鋼。按化學成分、工藝性能、力學性能及應用場合可以分為表2—1所示幾類：

          表2--1冷作模具鋼分類

類別	鋼號
低淬透性冷作模具鋼	T7A  T8A  T10A  8MnSi  Cr2  9Cr2  Cr06  GCrW5
低變形冷作模具鋼	CrWMn  9Mn2V  9CrwMn  9Mn2  MnCrWV  SiMnMo
高耐磨微變形冷作模具鋼	Cr12  Cr12MoV  Cr12Mo1V1  Cr5Mo1V  Cr4W2MoV
高強度高耐磨冷作模具鋼	W18Cr4V  W6Mo5Cr4V2  W12Mo3Cr4V3N
抗沖擊冷作模具鋼	4CrW2Si  5CrW2Si  6CrW2Si  9SiCr  60Si2Mn  5SiMnMoV
高強韌性冷作模具鋼	6W6Mo5Cr4V  6Cr4W3Mo2VNb  LD  CH--1  GD
高耐磨、高韌性冷作模具鋼	9Cr6W3Mo2(GM)  ER5
特殊用途冷作模具鋼	9Cr18  Cr18MoV  Cr14Mo  Cr14Mo4  1Cr18Ni9Ti

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
根據文獻【3～8】整理的部分冷作模具鋼典型處理工藝及其力學性能見表2-2，可以供選擇模具材料和制定處理工藝時參考。
 

                   表2-2部分冷作模具鋼處理工藝及力學性能

材料和典型處理工藝	抗壓屈服強度/Mpa	抗彎屈服強度/Mpa	抗彎斷裂強度/Mpa	擾度/mm	沖擊韌度/j .cm-2	斷裂韌度/Mpa .m1/2	硬度（HRC）	備注
W 6Mo5Cr4V2 1190 ～12 10 ℃淬火 + 560 ℃回火	3000	4000	4300	2.4	55	16	62～64	冷擠 ,沖頭模具
Cr12MoV 1020 ℃淬火 + 200 ℃回火	2400	2500		2.3	12	7	60～62	冷沖 ,冷鐓模具
Cr12 950 ～980 ℃淬火 + 200 ℃回火	2600	1900		1.7	8		60～62	冷沖 ,拉延模具
CrWMn 840 ℃淬火 + 200 ℃回火	2300	1700		2.3	2.2		60～62	冷沖 ,拉延模具
6Cr4W 3Mo2VN b ( 65N b) 1150 ℃淬火 + 520 ～560 ℃回火	2600	3700	4200	6.0	50	17	60～62	冷擠 ,冷鐓模具
7Cr7Mo2V2 Si  （LD） 1150 ℃淬火 + 550 ℃回火	2700	3900	4600	4.7	50	17	60～62	冷擠 ,冷沖模具
6Cr4Mo3N i2WV ( CG2) 1100 ℃淬火 + 540 ℃回火	2400	3700	4300	3	25	19	60～62	冷沖 ,切邊模具
5Cr4Mo3 SiMnVA l ( 0 12A l) 1090 ～1120 ℃淬火 + 510 ℃回火	2400	3600	4200	4	20	16	60～62	冷鐓 ,沖頭模具
7CrSiM nMoV ( CH 1) 840 ～900 ℃淬火 + 200 ℃回火	2300	3200	4000	4.2	17		60～62	冷沖 ,拉延模具
8Cr2MnWMoV S( 8Cr2 S) 860 ～880 ℃淬火 + 200 ℃回火	2400	3100		4	30		60～62	冷沖 ,塑料模具
6CrN iSiM nMoV ( GD )  900 ℃淬火 + 200 ℃回火	2200	3000	3700	5	90		60～62	冷沖 ,冷擠模具
9Cr6W 3Mo2V ( GM ) 1120 ℃淬火 + 540 ℃回火	3000	3600		4.8	22		60～64	冷沖 ,切邊模具
5Cr4Mo2W 2V Si  V ascaMA 1100 ～1200 ℃淬火 + 510 ～560 ℃回火	2400	3500		2.5	18		61	冷鐓 ,熱擠模具

 
 
 
 
 
 
 
 
 









































 2.2 1Cr12型鋼
   屬于高碳高鉻萊氏體鋼，這類鋼經熱處理后，組織中含有大量彌散分布的鉻的碳化物顆粒，使鋼具有很高的硬度、耐磨性和抗壓強度，承載能力僅次于高速鋼。其淬透性也高，截面尺寸為300～400mm的模具在油中均可淬透。淬火變形小，通過調整淬火溫度，可達微變形程度。其中，Cr12鋼的Wc高達2.3‰，因此，碳化物不均勻性嚴重存在碳組織偏析問題，脆性大，制造的模具易產生崩刃和脆斷；Cr12MoV鋼的含碳量比Cr12鋼少，并由于加入了Mo、V，鋼中碳化物分布不均明顯改善，韌性提高。
  2.3　原材料優化
    Cr12MoV 鋼的化學成分（質量分數 , % ）145 ～ 170 C、≤040  Si、≤040 m n、110 ～12 50 Cr、015 ～ 030 V 、040 ～060 Mo,余量 Fe[ 3 ]  。鉻能提高鋼的淬透性 ,是形成 M    C 型碳化物的主要元素 ,也是促成碳 化物不均勻分布的主要元素 。加入鉬 、釩能進一步提 高鋼的淬透性 ,細化晶粒和共晶碳化物 ,改善韌性 ,提高回火穩定性 [ 3 ]  。Cr12MoV 鋼淬火后含有大量的殘留奧氏體 , 熱處理畸變小 [ 3, 5 ]  。Cr12MoV 鋼屬高碳高 鉻鋼 ,耐磨性高 ,韌性差 。組織中含有大量的共晶碳化物 ,碳化物偏析較嚴重 ,特別在模具尺寸較大時導致鍛 造變形的方向性和強韌性降低 。
電渣鋼是由電爐鋼冶煉坯料經過電渣重熔制得 ,電渣重熔工藝可以大幅提高鋼材的冶金質量 , 降低非金屬夾雜物含量 ,等向性能較好 ,碳化物分布均勻且細小 。經過重熔后非金屬夾雜物 的數量 降到原來 的  1 / 3[ 3, 6 ]  。電渣鋼與普通電爐鋼市場價格相差不多 , 企 業能夠承受 。
 
2.4　淬回火工藝改進
   Cr12MoV 鋼的導熱性差 , 為減少熱應力 , 淬火加 熱前 在 箱 式 爐 中保 溫 預 熱 ( 820 ℃ ±10℃按 40  s/mm ) ,奧氏體化溫度 1000 ～1020 ℃,等溫淬火 ; 160 ～400 ℃回火 。采用等溫淬火工藝 ,其優點是在不 降低模具強度的同時 ,能大幅度提高工件的韌性 ,使用 壽命可提高約 30% ～50% [ 3 ]  。
2.5　原熱處理工藝
     工藝曲線 ,在箱式爐中保溫預熱820 ℃ ±10℃按 40   s/mm ,高溫鹽浴中1020℃  ±10  ℃ 按 6 s/mm 加熱保溫 。然后直接淬入 250 ～300  ℃等溫硝鹽槽中 , 1 h 后出爐空冷至室溫 , 200 ×3 h 回火 2 ～3 次 ,硬度為 58～62 HRC。通過金相檢驗觀察 , 發現保溫時間過短 , Cr12MoV鋼中大量的M C 合金碳化物在淬火加熱過程 中只能部分溶解。同時生產過程中 , 由于淬火模具批量大 ,冷卻措施不足 ,等溫淬火溫度很難保持在 250 ～300℃之間 ,經常達到 350 ～400℃,而在此溫度區間正是上貝氏體的形成溫度 ,上貝氏體的形成對模具性能極為有害 。
 
 
 
2.6彎曲模事例分析
    在彎曲模中檢測彎曲拐形原件時，在加工零件時常出現加工完后無開裂現象但過后進行裝配時發現彎曲部位存在明顯的裂紋的分析厚板彎曲件在彎曲時拐部存在很大的內應力在加工完成時內應力沒消除，導致內部應力釋放零件拐處開裂現象的發生。
   解決措施是在水彎機旁挖一個加熱坑將剛加工完的零件及時放入加熱坑加熱，消除內應力；也可以用敲擊的方法消除局部內應力。
  在拉伸模中常出現壓邊力過大底部上方會出現拉破現象，壓邊力過小會造成凸緣翹曲形成荷葉邊，在工件向徑向延展流動時在凸緣區受到摩擦阻力和拉應力同時存在切向壓應力，傳力區兩相應力作用受到拉應力和與模具的摩擦力，在此處特別容易發生凹模咬合現象在凹模形成積削瘤一樣的冷作硬化組織充當刀具對工件進行刮傷，嚴重影響工件表面質量。
   一般處理方案是對其工件表面涂加一些潤滑油或潤滑脂使其工件表面形成一層油膜起到減摩作用，或是改變工件材料與模具材料的性質差異大增加表面質量，可以達到減少咬合顯現，在凹模圓角處選擇合適的凹模圓角有利于金屬的流動。
 
3.1結論
根據實踐經驗在選擇模具材料和制定合理處理工藝方面，提出一些減少早期失效的措施
1脆性失效減硬度，變形失效增硬度。（屈服強度與抗拉強度是衡定硬度指標）
2細化冷作模具鋼的碳化物的顆粒或晶粒尺寸，可提高材料強度和斷裂韌度提高材料抗脆斷能力。
3復相組織增韌增強，在材料中增加一種或數種增韌增強的彌散組織，可以起到吸收能量，阻礙裂紋擴展的作用，例如ZIO2材料中的增韌相鋼中的殘留奧氏體等都能起到增韌效果。
4纖維增強復合材料利用金屬和非金屬纖維材料的強韌性配合制備復合材料，挺高抗斷裂強度。
5梯度材料，根據不同性質要求采用復合多層功能梯度材料中如用表面抗脆性能好的涂層材料。
6  改用電渣重熔 Cr12MoV 鋼 , 降低非金屬夾雜物含量 ,提高鋼材的組織均勻性 。共晶碳化物通過后序鍛造及固溶處理加以改善
7采用等溫淬火工藝 ,適當延長淬火保溫時間 從 6  s/mm 延長到 10  s/mm ,保證了碳化物的充分溶解及均勻化 。提高回火溫度至 420℃,適當降低硬度至55 ～58 HRC。420  ℃ ×2 h 回火 3 次 ,使碳化物充分析出 ,增加了鋼的韌性。
8磨削加工 、線切割加工后進行去應力回火 ,壓匝套及適當的尺寸設計 ,可明顯減少模具早期開裂。
9對形狀復雜的 Cr12MoV 鋼模具 ,采用固溶雙細化工藝 ,模具使用壽命可以翻幾番 ,沖壓 8 mm 厚度的復雜形狀鏈板 ,壽命 由原來的 5 萬次提高到 23 萬次。主要失效形式為正常磨損 ,開裂和崩刃情況大為減 少 。雖工序較多 ,成本較高 ,但總經濟效益十分可觀 。
 
 
參考文獻
  1《金屬熱處理》 2006年 第31卷第二期
  2上海機電工業局《工人技術教育讀書》編委會 熱處理工【M】北京：機械工業出版社1984
  3模具失效與維護 陳志剛編委 機械工業出版社
  4模具材料及表面處理第2版 吳兆祥主編 機械工業出版社
  5機械工程材料及成形工藝基礎 張至豐主編 機械工業出版社
  6姚鴻年，金相研究方法【M】北京：機械工業出版社 1963
  7劉東雨 方鴻生，等1500Mpa級經濟型貝氏體/馬氏體復相鋼的合金設計【J】金屬熱處理，2000,25（10）：1-5
  8史美堂金屬材料熱處理【M】，上海科技出版社 1980
 
 

 
 
 
 
 
 
 
               
 


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