压铸模具制造 冲压模具制造

   冲压模具材料的选用模具制造工艺对冲压模具使用寿命的影响

   冲裁模具

   冲裁模具材料的选用

   选用冲裁模具材料应考虑工件生产的批量，若批量不大就没有必要选择高寿命的模具材料；还应考虑被冲工件的材质，不同材质适用的模具材料亦有所不同。对于冲裁模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。常用冲压模具钢材耐磨性的劣优依次为碳素工具钢—合金工具钢—基体钢—高碳高铬钢—高速钢—钢结硬质合金—硬质合金。

   此外还必须考虑工件的厚度、形状、尺寸大小、精度要求等因素对模具材料选择的影响。

   1.传统模具用钢长期以来，国内薄板冲裁模用钢为T10A、CrWMn、9Mn2V、Cr12和Cr12MoV等。

 其中T10A为碳素工具钢，有一定强度和韧性。但耐磨性不高，淬火容易变形及开裂，淬透性差，只适用于工件形状简单、尺寸小、数量少的冲裁模具。

   T10A碳素工具钢的热处理工艺为：760~810℃水或油淬，160~180℃回火，硬度59~62HRC。

   CrWMn、9Mn2V是高碳低合金钢种，淬火操作简便，淬透性优于碳素工具钢，变形易控制。但耐磨性和韧性仍较低，应用于中等批量、工件形状较复杂的冲裁模具。CrWMn钢的热处理工艺为：淬火温度820~840℃油冷，回火温度200℃，硬度60~62HRC。9Mn2V钢的热处理工艺为：淬火温度780~820℃油冷，回火温度150~200℃，空冷，硬度60~62HRC。注意回火温度在200~300℃范围有回火脆性和显著体积膨胀，应予避开。

   Cr12和Cr12MoV为高碳高铬钢，耐磨性较高，淬火时变形很小，淬透性好，可用于大批量生产的模具，如硅钢片冲裁模。但该类钢种存在碳化物不均匀性，易产生碳化物偏析，冲裁时容易出现崩刃或断裂。其中，Cr12含碳量较高，碳化物分布不均比Cr12MoV严重，脆性更大一些。

   Cr12型钢的热处理工艺选择取决于模具的使用要求，当模具要求比较小的变形和一定韧性时，可采用低温淬火、回火（Cr12为950~980℃淬火，150~200℃回火；Cr12MoV为1020~1050℃淬火，180~200℃回火）。若要提高模具的使用温度，改善其淬透性和红硬性，可采用高温淬火、回火（Cr12为1000~1100℃淬火，480~500℃回火；Cr12MoV为1110~1140℃淬火，500~520℃回火）

   高铬钢在275~375℃区域有回火脆性，应予避免。

   2.常用模具新钢种

   为了弥补传统模具钢种性能的不足，国内开发或引进了以下性能较好的冲压模具用钢：

   （1）Cr12Mo1V1（代号D2）钢为仿美国ASTM标准中的D2钢引进的钢种，属Cr12型钢。由于D2钢中Mo、V含量增加，细化了晶粒，改善了碳化物的分布状况，因此D2钢的强韧性（冲击韧度、抗弯强度、挠度）比Cr12MoV钢有所提高，耐磨性和抗回火稳定性也比Cr12MoV更高。可用深冷处理，提高硬度并改善尺寸稳定性。用D2钢制作的冲裁模具寿命要高于Cr12MoV钢模具。

   D2钢的锻造性能和热塑成形性比Cr12MoV钢略差，机械加工性能和热处理工艺与Cr12型钢相似。

   （2）Cr6WV钢为高耐磨微变形高碳中铬钢，碳、铬含量均低于Cr12型钢，碳化物的分布状态较Cr12MoV均匀，具有良好的淬透性。热处理变形小，机械加工性能较好。抗弯强度、冲击韧度优于Cr12MoV，只是耐磨性略低于Cr12型钢。用于承受较大冲击力的高硬度、高耐磨板料冲裁模，其效果好于Cr12型钢。

   钢的常用热处理工艺为：淬火温度9701~000℃，一般可热油或硝盐分级淬火冷却，尺寸不大的部件可采取空冷。淬火后应立即回火，回火温度160210~℃，硬度58~62HRC。

   （3）Cr4W2MoV钢也是高耐磨微变形高碳中铬钢，替代Cr12型钢而研制的钢种，碳化物均匀性好，耐磨性高于Cr12MoV，适于制作形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具，可用于硅钢片冲裁模。

   Cr4W2MoV钢的热处理工艺：要求强度、韧性较高时，采用低温淬火、低温回火工艺：淬火温度960~980℃，回火温度280~320℃，硬度60~62HRC。要求热硬性和耐磨性较高时，采用高温淬火、高温回火工艺：淬火温度1020~1040℃，回火温度500~540℃，硬度60~62HRC。

   （4）7CrSiMnMoV(代号CH-1)钢为空淬微变形低合金钢、火焰淬火钢，可以利用火焰进行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火温度（800~1000℃），具有良好的淬透性和淬硬性（可达60HRC以上），强度和韧性较高，崩刃后能补焊。可代替CrWMn、Cr12MoV钢，制作形状复杂的冲裁模。CH-1钢的推荐热处理工艺：淬火温度900~920℃，油冷，190~200℃回火1~3小时，硬度58~62HRC。

   （5）6CrNiSiMnMoV(代号GD)钢为高韧性低合金钢，淬透性好，空淬变形小，耐磨性较高。其强韧性显著高于CrWMn和Cr12MoV钢，不易崩刃或断裂。尤其适用于细长、薄片状凸模及大型、形状复杂、薄壁凸凹模。

   GD钢的推荐热处理工艺：淬火温度870~930℃（900℃最佳），盐浴炉加热（45s/mm），油冷或空冷、风冷，175~230℃回火2小时，硬度58~62HRC。由于空冷即可淬硬，也可采用火焰加热淬火。

   （6）9Cr6W3Mo2V2(代号GM)钢为高耐磨高强韧合金钢，各项工艺性能良好，其耐磨性、强韧性、加工性能均优于Cr12型钢，能够用于高速压力机冲压下的多工位级进模等精密模具，是较理想的耐磨、精密冲压模具用钢。

   GM钢的热处理工艺：淬火温度1080~1120℃，硬度64~66HRC。回火温度540~560℃，回火二次。

   （7）Cr8MoWV3Si(代号ER5)钢属高耐磨高强韧合金钢，具有较好的电火花加工性能，强度、韧性、耐磨性都优于Cr12型钢，适用于大型精密冲压模具。用于硅钢片冲裁模，一次刃磨寿命为21万次，总寿命高达360万次，是目前合金钢冲模冲裁硅钢片的较高寿命水平。

   ER5钢的推荐热处理工艺：对高耐磨性、高强韧性的模具，采用1150℃淬火，520~530℃回火3次；对重载服役条件下的模具，采用1120~1130℃淬火，550℃回火3次。

   3．硬质合金及钢结硬质合金

   当工件的批量极大时，可以考虑选用硬度和耐磨性比各类模具钢种更高的硬质合金或钢结硬质合金。用作模具材料的硬质合金为钨钴类，随着含钴量的增加，韧性及抗弯强度提高而硬度降低。对于承受冲击力较小的模具，可以选用含钴量较低的YG10X；承受冲击力中等或较大的模具，可以选用含钴量较高的YG15或YG20。硬质合金的缺点为韧性较差、难以加工，作为模具的工作部件可以设计为镶拼结构。钢结硬质合金的性能介于硬质合金和高速钢之间，能够机械加工和热处理，可以用于制作复杂的高寿命模具。用作冲裁模的钢结硬质合金有DT、GT35、TLMW50、GW50等。

   冲压模具使用寿命受模具制造工艺影响

   (1)锻造工艺的影响

   如果锻造工艺不合理，会降低钢材的性能，造成锻造缺陷，形成导致模具早期失效的隐患。常见的锻件表面缺陷有裂纹、折叠、凹坑等，内部缺陷有组织偏析、流线分布不合理、疏松、过热、过烧等。

   锻造时镦击力过大，变形量过大，易产生裂纹。加热不均，温度过高会产生材料晶粒粗大的过热现象、或导致晶界熔化和氧化的过烧现象。停锻后冷却速度过快容易开裂，特别是高碳高合金钢，锻造温度范围较窄，操作不当极易开裂。锻造不充分会产生组织应力，热处理时也易发生变形开裂。若模具材料中的非金属夹杂物锻压后，流线分布走向与凸模轴线垂直，则可能引起横向折断；如果分布走向与轴线平行，则可能发生纵向劈裂

   (2)加工工艺的影响

   切削加工时没有彻底去除材料表面脱碳层，将会降低模具的表面硬度，加剧了模具磨裂及淬裂的倾向。切削的表面粗糙、尺寸连接处不光滑，或留有尖角和加工刀痕，将萌生疲劳裂纹，造成模具疲劳失效。磨削加工时进给量过大、冷却不足则容易产生磨削裂纹和磨削烧伤，减低模具的疲劳疲劳强度和断裂抗力。电火花成形及线切割加工，会使模具表面产生拉应力和显微裂纹，导致表面剥落和早期开裂。若材料淬火后的内应力很高，电火花加工时应力会重新分布，引起模具变形或开裂。

   (3)热处理工艺的影响

   模具淬火加热时温度过高，容易造成模具的过热、过烧，冲击韧度下降，导致早期断裂。如果淬火温度过低，会降低模具的硬度、耐磨性及疲劳抗力，容易造成模具的塑性变形、磨损失效。淬火加热时不注意采取保护措施，会使模具表面氧化和脱碳，脱碳将造成淬火软点或软区，降低模具的耐磨性、疲劳强度和抗咬合能力，影响其使用寿命。淬火冷却速度过快或油温过低，模具容易产生淬火裂纹。如果回火温度太低，而且不够充分，将无法消除淬火过程中的残余应力使模具的韧性降低，容易发生早期断裂。