冷作模具钢性能优化及其应用分析
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【摘 要】冷作模具钢工作时承受压缩、拉伸、弯曲、冲击、摩擦等很大的变形抗力，其性能和热处理工艺对模具寿命有决定性的影响。其使用性能主要包括耐磨性、韧性、强度、抗疲劳性和抗咬合性，热处理工艺主要包括淬透性、淬硬性、耐回火性，过热敏感性、淬火变形和开裂倾向等。本文对冷作模具钢的性能、工艺和承载能力进行分析，使其具有合理的适用范围选用冷作模具钢，有效提升冷作模具的使用寿命。
【关键词】冷作模具钢;性能分析;优化;应用
一、冷作模具材料
冷作模具指在冷态下完成对金属或非金属材料的塑性变形的模具其对制品的变形方式一般有弯曲、拉伸、挤压、滚丝、拉丝等。冷作模具在机械、轻工业、电器、仪表行业中的应用比较广泛，其使用寿命的高低直接影响生产效率和产品成本。模具材料是模具制造的基础。合理选择冷作模具材料，正确实施热处理工艺是保证模具寿命，提高模具质量和使用效能的关键，尤其在难成型材料不断涌现的环境下，精度要求越来越高，冷作模具對材料的使用性能和热处理工艺提出更为严格和苛刻的要求。
二、冷作模具钢分类
1.低淬透性冷作模具钢
这类钢主要有碳素工具钢和GCrl5轴承钢。碳素工具钢价格便宜、原材料来源方便，加工性能良好，淬火温度低，热处理后具有较高的表而硬度和较好的耐磨性。但淬透件较低，只适用于尺寸较小、形状简单、负荷较轻，生产批量不大的冷作模具钢。轴承钢由于加入了Cr，其淬透性、硬度、耐磨性和接触疲劳强度较碳素工具钢高，在模具制造上多用于制造拉丝模和冷镦模。
2.低变形冷作模具钢
这类钢典型钢牌号有CrWMn、9M112V、9crwMn等，材料中加入了合金元素cr、Mn、Ni、Si、w、v等，提高了钢的强韧性、耐磨性和热硬性，同时提高钢的淬透性，减少了淬火变形和开裂倾向。钢的使用寿命比碳素工具钢长。主要用于尺寸较小、变形要求小、形状较复杂的冷作模具钢。
3.高耐磨微变形冷作模具钢
这类钢的代表钢号有：Crl2、Crl2MoV、crl2Molvl（D2）、Cr4w2MoV等。它具有高硬度、高强度、高耐磨性、易淬透、稳定性高等优点，常用于高耐磨、微变形、高负荷条件下的冷作模具钢，如形状复杂的重载切边模、落料模、拉丝模等，但该类钢韧性较差，易出现崩刃、脆裂现象。
4.高强度高耐磨冷作模具钢
这类钢常用牌号有：w18Cr4V（w18）、W6M05Cr4V2（M2）、W12M03Cr4V3N（V3N）等。高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性。因此，高速钢越来越多地应用于要求重载荷、高寿命的冷作模具。但其合金元素含量高，价格贵，工艺性能不佳，脆性较大，使其应用受到一定限制。
5.抗冲击冷作模具钢
这类钢主要包括弹簧钢60si2Mn，耐冲击工具钢4CrW2Si、5CrW2Si、6CiW2Si和刃具钢9siCr。60Si2Mn钢具有高屈服强度、高疲劳极限和优良的塑性，热处理工艺简单，用来制造冲击工具、模具。耐冲击工具钢具有较高强韧性和耐磨性，既可作冷模具用钢，又可作耐冲击风动工具用钢。9SiCr淬硬性较好，以轻剪刃为主。
6.高强韧性冷作模具钢
这类钢主要有降碳高速钢、基体钢等。降碳高速钢6W6M05Cr4V，它具有近高速钢的强度，且韧性好，常用于高冲击载荷下耐磨损的模具。65Nb基体钢具有高速钢的高硬度和高强度，又比高速钢具有更高的韧性和疲劳强度，可以用来制造各类冷作模具，适于制造复杂、大型或加工难变金属的冷挤压模具以及受冲击负荷较大的冷镦模具。
7.高耐磨高强韧性冷作模具钢
其典型钢种是9Cr6W3M02V2（GM）钢和Cr8MoWV3Si（ER5）。GM是一种高硬度冷作模具钢，是制作精密、耐磨、高寿命冷作模具的新钢种，属莱氏体钢，其主要性能均优于Crl2钢种。由于GM钢各项工艺性能好，具有最佳的强韧性和耐磨性配合，同时兼有良好的冷、热加工性和电加工性。
三、冷作模具钢的应用
1.低合金冷作模具钢的应用
简单模具可选用高碳钢如T10A，但高碳钢淬透性差、淬火变形大、耐磨性低、强韧性和回火稳定性都较差，因此不能用来制作形状复杂、精度要求高、承载力大的工模具。
为了适用模具的性能需要而发展起来的高碳低合金钢是在碳素工具钢基础上加入适当的合金元素如铬、镍、锰、钼、钛、钨、钒、硅等元素冶炼而成的，常用的有CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15等，合金元素的加入提高了钢的淬透性，油冷代替水冷降低了模具变形和开裂的倾向，马氏体在回火时不易分解，分解后析出的碳化物又不易聚集长大、低温回火后有较高的强韧性和耐磨性，模具使用寿命可大幅提高。
近年来我国研制了一些新型低合金冷作模具钢，这些钢的主要特点是合金总量低、淬透性好、淬火温度低、热处理畸变小、强韧性好、并且有适当的耐磨性，如GD （6CrMnNiMoVSi）钢、CH（7CrSiMnMoV）钢、DS（6CrMnNiMoVWSi）钢和CrNiWMoV钢等。其中GD钢中加入少量Ni、Si，既强化了基体又提高了低温回火抗力，Mo和V的加入可细化晶粒，用于制造易崩刃、易断裂的模具，有较高的使用寿命。DS钢是一种抗冲击冷作模具钢，其韧性显著优于常用的高韧性刀片用工具钢。CH钢的成分与日本SX105V钢相同，是一种火焰淬火模具钢，常用于制造汽车等生产线上用的模具零件，火焰淬火时，加热模具刃口切料面，硬化层下有一个高韧性的基体做衬垫，从而获得较高的使用寿命。
2.高韧性高耐磨模具钢的应用
我国传流上应用较多的是Cr12型系列，如Cr12、Cr12MoV钢，它们都是莱氏体钢，其组织中有大量共晶碳化物，淬火有大量残留奥氏体，热处理后变形小、耐磨性高、承载力大、长期以来在国内大中型冷作模具中得到广泛应用。 虽然Cr12、Cr12MoV钢耐磨性好，但是其韧性差，并且常因碳化物偏析易引起热处理后断裂。为克服这些缺点，国内外均进行了大量的研究工作，一方面在提高钢的质量上下功夫，如采用电炉+炉外精炼、电渣重熔来提高钢的纯净度、致密度、等向性和均匀性，减少偏析;另一方面又不断研究新钢种，先后开发了多种高韧性高耐磨性模具钢，如LD（7Cr7Mo2V2Si）钢、GM（9Cr6W3Mo2V2）钢、ER5（Cr8WMoV3Si）钢。与Cr12型模具钢相比，这类新开发的钢中适当降低了C和Cr的含量以改善碳化物偏析，还适当增加了W、Mo和V的含量，以增加二次硬化的能力和提高其耐磨性。这些新型模具钢既有高的强韧性，又有良好的耐磨性，用其制造的模具使用寿命有所提高。
3.无磁高强度模具钢的应用
电子工业的发展，对无磁模具钢的需求量大大增加，传统的无磁模具钢7Mn15Cr2A13V2WMo是一种高强度奥氏体无磁模具钢，其磁导率低，并具有良好的强度和耐磨性，但由于其冷作硬化现象，切削加工比较困难。为此国内科技工作者研发了一些新型无磁模具，有A18（18Mn12Cr18NiN）钢、WCG（8Mn15Cr18）钢、50Mn（50Mn18Cr4WN）钢等，以及部分奥氏体不锈钢。这些钢磁导率较低，强度较高，并具有良好的可切削加工性能。
4.钢结硬质合金的应用
用硬质合金制造模具，在不受冲击韧性要求不高的情况下，性能比钢要好，寿命很长，但成本较高，更為困难的是由于受制造条件的限制，难以制造形状复杂的模具。
20世纪60年代我国已开始研究钢结硬质合金，它是一种介于合金钢和硬质合金之间的新型材料，具有优良的耐磨性。与硬质合金相比，钢结硬质合金可以切削、锻造、焊接、热处理，并且具有韧性，综合力学性能较好，成本较低的特点。我国研制的钢结硬质合金有以TiC为硬质相的GT35、R5、DT、Ti等和以WC为硬质相的GW50、GJW50、TLMW50等。
结语
冷作模具材料的应用及选择既要考虑其优缺点和工作条件及延长寿命的性能优化方法，还应考虑不同材料的选择产生不同使用效果。在冷作模具材料的选择中，需要根据模具的工作条件和失效性能选择，还应根据社会的需求来综合考虑材料的成本等非技术方面因素。冷作模具钢是一种很好的材料，具有良好的性能，被广泛的应用。
参考文献
[1]张先鸣. 冷作模具钢的技术发展和热处理工艺[J]. 模具制造. 2011（03）
[2]孙舒明，李静，李彩艳. 冷作模具钢的发展现状综述[J]. 科技致富向导. 2011（23）
[3]吴华春，李名尧，董黎涛，朱香利. 冷作模具材料性能分析及其选用[J]. 机械设计与制造. 2011（01）
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