冲压模具应承受冲击、振动、摩擦、高压、拉伸、弯曲等负荷,甚至在高温下工作(如冷挤压),工作条件复杂,易磨损、疲劳、断裂、变形。因此,模具工作部件的材料要求高于普通部件。
由于各种冲压模具的工作条件不同,对模具工作部件材料的要求也不同。
1.冲裁模材料的要求
对于薄板冲裁模具的工作部件,材料要求具有较高的耐磨性和硬度,而对于厚板冲裁 模具,除了要求具有较高的耐磨性和抗压屈服点外,还应具有较高的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性,以防止模具断裂或坍塌 。
2. 模具材料拉深要求
模具工作部件材料要求具有良好的抗粘附性(抗咬合性)、高耐磨性和硬度、一定的韧性和良好的切割加工性能,热处理变形较小。
3. 冷挤压模材料 的要求
模具工作部件要求强度和硬度高,耐磨性高。为了避免冲击断裂,还需要一定的韧性。由于挤压会产生较大的加热,因此也应具有一定的耐热疲劳和热硬性
11.2.2 冲压模具材料的类型和特点
制造冲压模具的材料包括钢、硬合金、 钢结硬合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、聚合物材料等。目前,制造冲压模具的材料主要是钢,常用的模具工作部件材料有:碳工具钢、低合金工具钢、高碳 高铬或 铬工具钢、碳合金钢、高速钢、基础钢、硬合金、 钢结硬合金 等。
1. 碳素工具钢
碳素工具钢广泛应用于模具中T8A、T10A优点是加工性能好,价格便宜。但淬透性和红硬性差,热处理变形大,承载能力低。
2. 低合金工具钢
低合金工具钢是在碳工具钢的基础上添加适量的合金元素。与碳工具钢相比,它降低了淬火变形和开裂的趋势,提高了钢的淬火和耐磨性。制造模具的低合金钢包括 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Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1(代号D2)具有良好的淬火、淬火和耐磨性,热处理变形很小,是高耐磨微变形模具钢,承载能力仅次于高速钢。然而,碳化物分析严重 ,必须重复 (轴向、径向),以减少碳化物的不均匀性,提高使用性能。
4. 高碳中铬工具钢
高碳中铬工具钢用于模具Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV等,铬含量低, 共晶碳化物 少,碳化物分布均匀,热处理变形小,淬透性好,尺寸稳定性好。与碳化物分析相对严重的高碳高铬钢相比,性能有所提高。
5. 高速钢
高速钢具有模具钢中最高的 硬度、耐磨性和抗压强度,承载能力高。 常用于模具W18Cr4V(代号8-4-1)和钨含量较低W6Mo5 Cr4V2(代号为6-5-4-2,美国品牌为M2)以及为提高韧性而开发的 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中加入少量其他元素,适当增加或减少碳含量,以提高钢的性能。这种钢通常被称为基础钢。它们不仅具有高速钢的特点,具有一定的耐磨性和硬度,而且抗疲劳强度和韧性优于高速钢,为高强度 韧性冷模具钢 ,材料成本低于高速钢。模具中常用的基础钢为 6Cr4W3Mo2VNb(代号65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(代号LD)、5Cr4Mo3SiMnVAL(代号012AL)等。
7.
硬合金的硬度和耐磨性高于任何其他类型的模具钢,但弯曲强度和韧性较差。模具的硬合金为 钨钴 ,对冲击小、耐磨性要求高的模具,可选择 钴含量低的硬合金。对于冲击模具,可选择 钴含量高的 硬合金。
钢结硬质合金 是以铁粉为粘合剂,加入少量合金元素粉(如铬、钼 、钨、钒等),以碳化 钛或碳化钨为硬相 ,用粉末冶金烧结而成。钢结硬质合金 的基体为钢,克服了硬质合金韧性差、加工困难的缺点,可切割、焊接、锻造、热处理。 钢结硬质合金含有大量碳化物。虽然硬度和耐磨性低于硬质合金,但仍高于其他钢种。淬火和回火后,硬度可达到 68 ~ 73HRC。
11.2.3 冲压模具材料的选择及热处理要求
一. 冲裁模具材料的选择及热处理要求
冲压模具材料的选择应考虑工件生产的批量。如果批量不大,则无需选择使用寿命长的模具材料;也应考虑冲压工件的材料。不同材料适用的模具材料也不同。对于冲压模具,耐磨性是决定模具寿命的重要因素。钢的耐磨性取决于碳化物等硬点相的状态和基体的硬度。硬度越高,碳化物数量越多,耐磨性越好。常用冲压模具钢耐磨性 的优点是碳工具钢- 合金工具钢- 基体钢- 高碳高铬钢- 高速钢- 钢结 硬合金- 硬合金。
此外,还必须考虑工件厚度、形状、尺寸、精度要求等因素对模具材料选择的影响。
1.传统模具钢
长期以来,国内薄板冲裁模用钢 T10A 、 CrWMn 、9Mn2V、Cr12 和 Cr12MoV 等。
其中 T10A 是碳工具钢,具有一定的强度和韧性。但耐磨性低,淬火易变形开裂,淬火性差,仅适用于形状简单、尺寸小、数量少的冲裁模具。
T10A 碳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 是一种高碳低合金钢,淬火操作简单,淬火性能优于碳工具钢,变形易于控制。但耐磨性和韧性仍较低,适用于中等批量、复杂工件形状的切割模具。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 2000~300 ℃回火脆性范围和体积明显膨胀应避免。
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 碳含量高,碳化物分布不均匀Cr12MoV 严重,脆性更大。
Cr12 型钢的热处理工艺选择取决于模具的使用要求。当模具需要较小的变形和一定的韧性时,可采用低温淬火和回火( Cr12 为 950~980 ℃淬火, 150~200 ℃回火; Cr12MoV 为 1020~1050 ℃淬火, 180~200 ℃回火 )。高温淬火和回火可用于提高模具的使用温度,提高其淬透性和红硬度( Cr12 为 1000~1100 ℃淬火, 480~500 ℃回火; Cr12MoV 为 1110~1140 ℃淬火, 500~520 ℃回火 )。
275高铬钢~375 ℃区域有回火脆性,应避免。
2.新型模具常用
为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钢:
( 1 ) Cr12Mo1V1 (代号 D2 )钢 仿美国 ASTM 标准中的 D2 引进 的钢种属 Cr12 型钢。由于 D2 钢中 Mo 、 V 含量增加,晶粒细化,碳化物分布改善,因此 D2 钢的强韧性(冲击韧性、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。可采用深冷处理,提高硬度,提高尺寸稳定性。D2 钢冲裁模具的使用寿命高于 Cr12MoV 钢模具。
D2 钢的锻造性能和热塑性比 Cr12MoV 钢略差,机械加工性能和热处理工艺Cr12 型钢相似。
( 2 ) Cr6WV 钢 耐磨性高,变形性高,碳和铬含量低于 Cr12 型钢,碳化物分布较 Cr12MoV 均匀,淬透性好。热处理变形小,加工性能好。抗弯强度和冲击韧性优于 Cr12MoV 耐磨性略低于 Cr12 型钢。用于高硬度、高耐磨板冲裁模具,其效果优于 Cr12 型钢。
钢的常用热处理工艺为:淬火温度9701 ~ 000℃,一般热油或硝盐分级淬火冷却,小部件可空冷。淬火后应立即回火,回火温度 ~ ℃,硬度 58 ~ 62HRC。
( 3 ) Cr4W2MoV 钢 也是高 耐磨微 变形高碳中铬钢,取代 Cr碳化物均匀性好,耐磨性高于 Cr12MoV 适用于制造形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具,可用于硅钢板冲压模具。
Cr4W2MoV 钢的热处理工艺低温淬火、低温回火工艺:淬火温度 960~980 ℃,回火温度 280~320 ℃,硬度 60~62HRC 。高温淬火、高温回火工艺:淬火温度 1020~1040 ℃,回火温度 50 0~540 ℃,硬度 60~62HRC 。
( 4 ) 7CrSiMnMoV( 代号 CH-1) 钢为 空淬微变形低合金钢和火焰淬火钢,可用于局部淬火和淬火模具刃口。淬火温度( 800~1000 ℃ ),有良好的淬透性和 淬硬性 (可达60 HRC 以上)强度和韧性高,崩刃 后可补焊。可替代 CrWMn 、 Cr12MoV 钢,制作形状复杂的冲裁模。 CH-1 钢推荐热处理工艺:淬火温度 900~920 ℃, 油冷, 190~200 ℃ 回火 1~3 小时,硬度 58~62 HRC 。
( 5 ) 6CrNiSiMnMoV( 代号 GD) 钢 为高韧性低合金钢,淬透性好,空淬变形小,耐磨性高。其韧性明显高于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 钢推荐热处理工艺:淬火温度 870~930 ℃( 900 ℃ 最佳 )加热盐浴炉( 45s/mm ),油冷或 空冷,风冷, 175~230 ℃ 回火2 小时,硬度58~62 HRC 。由于空冷可以淬火 ,也可以用火焰加热淬火。
9Cr6W3Mo2V2( 代号 GM) 钢为耐磨性高、韧性高的 合金钢,工艺性能好,耐磨性强、韧性强、加工性能优于 Cr12 型钢可用于高速压力机冲压下的多工位 级进模等 精密模具,是耐磨精密冲压模具的理想钢材。
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 是一种高耐磨、高强度的合金钢,电火花加工性能好,强度、韧性、耐磨性均优于 Cr12 型钢适用于大型精密冲压模具。用于硅钢片冲裁模具,一次刃 磨削寿命为 21万次,总寿命为 360 万次,是目前合金钢冲裁硅钢片的较高寿命水平。
ER5 钢推荐热处理工艺:耐磨性高、韧性高的模具, 1150 ℃ 淬火, 520~530 ℃ 回火 3 次; 在重载服务条件下使用模具 1120~1130 ℃ 淬火, 550 ℃ 回火3 次。
3 硬质 合