典型冷作模具的选材及热处理

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    １. 前言 
    紧固件行业冷作模具主要完成金属或非金属材料的冲裁、弯曲、拉深、镦锻、挤压等工序，制作成各种螺栓、螺钉、螺母、垫片、销、铆钉等。由于加载形式和被加工材料力学性能不同，各种模具的工作条件差别很大，故失效形式也不相同。在以上模具中，模具工作条件最为恶劣的是镦锻模、挤压模，其次是厚板小孔冲裁模。 
    2. 冷作模具的失效 
    镦锻模、挤压模主要用于螺栓、螺母、异型件的制造。它用于金属体积成形。成形模具所受的载荷轻重根据工作形状、尺寸、变形量以及变形材料的力学性能的不同而不同。 
    在生产中由于变形金属在模具型腔中剧烈流动产生严重摩擦，致使模具表面温度瞬时达到 400 ℃，要求这类模具型腔能承受较大压力、张力和摩擦力，不开裂，不变形，不磨损。 
　　对于冲裁模，它要求刃口在板料冲裁（锥垫、带齿垫片等）过程中保持锋利与完整，不崩刃、不变形、耐磨损，冲头尤其具有高的强韧性和耐磨性。 
　　在生产中常见模具失效形式有以下几类： 
    (1)断裂失效 模具在使用中突然出现大裂纹或发生破损而失效。如冲裁模崩刃，冷挤压模和冷镦模的冲头断裂，凹模破裂。在冷镦模、冷挤压模工作时，由于成形力大，在金属变形过程中模具表面的瞬时温度很高，造成温度循环，也加速疲劳裂纹产生。 
    (2)变形失效 如凸模镦粗、弯曲、凹模型腔下沉塌陷、棱角堆塌、模孔胀大等。 
    (3)磨损失效 如厚板冲裁模刃口、冷镦冷挤模型腔尺寸超差。 
    3.  材料选择及热处理 
    选择模具材料首先要了解模具钢的材质成分、性能，模具的使用条件以及模具失效形式，针对性地选材。 
    3.1 冲裁模 
    冲裁模刃口承受的剪切力大，摩擦发热严重，易磨损。凸模易产生崩刃、折断等。对于批量较大的厚板冲裁模可选用 W18Cr4V 钢 W6Mo5Cr4V2 钢制作凸模，用 Cr12MoV 钢制作凹模，这类钢耐磨性抗压强度较好，基本能满足使用要求，但韧性较低、碳化物分布不均匀，使模具易断裂及崩刃，模具寿命也不理想。目前，紧固件企业多数使用了基体钢（ LD 、 65Nb 等），低合金高强度钢（ GD ），降碳高速钢（ 6W6Mo5Cr4V ），火焰淬火钢（ 7CrSiMnMoN ）等。 
　　基体钢由于有较高的强韧性，克服了 Cr12MoV 钢脆断倾向，使冲裁模寿命显著提高。 
表 1 新旧模具材料寿命对照表 
4 l9 c' P, j1 b/ z& n I( s+ m# ~3 _2 P. Q% Z. H S3 `, j5 b& e8 W D+ G( e5 |8 L4 ]# `* t& a* a# y. s2 X1 `: n' z0 u4 c$ `5 L) C+ \* ^" n# U1 V" S" }' J1 j3 y2 E; y# K9 V o! H! ~4 W; g4 \2 H" \! {+ w, ^# W! I; U6 ]2 U% V3 C- w0 `. @) p3 A! U" c$ T0 |& r' I& R& X. d4 B& T. n3 f8 \2 H" b8 d: A8 {* [6 F) P. v$ ^" l3 o2 n1 ?+ h8 U8 p+ r! _) L5 F7 H6 Q5 v! Z* c" t" Q. \4 l* v# l3 ~9 M$ g1 a$ `! I8 Y) `6 O' V9 z! {; h/ Z8 K" d o2 @: Q6 u# Y2 e" M. c# j. ]* N( B" C6 g2 b" M9 u5 i8 ]0 o* {6 Y6 l7 T+ c5 m

% X3 E) _7 G8 ~' j- i% ~' T. P 钢号	被加工材料	( D4 s# d6 T& d+ N 模具硬度／ HRC	平均寿命／件	0 }# P4 [5 y- A( n+ j, ` 寿命提高（倍）
& l1 D S$ G' }) a1 V1 ]# ? Cr12MoV	" T v1 v- i$ Y- k- o Q235 t ＝ 2.1 ～ 2.4mm	58 ～ 62	" I: p/ N. ^: J4 b2 n, ^$ q 14000 ～ 16000	――
65Nb		57 ～ 59	* J2 V1 s4 _* ^" _3 ~: N% `- s2 V/ K. @ 35000 ～ 70000	2.5 ～ 4.3
CD	7 ~9 r. M/ r! H1 B/ G2 V& e 65Mn ! ]0 o2 W' n1 N& ^8 I3 _5 T t ＝ 1.8 ～ 2.1mm	/ y" U' B+ N# I' p4 L% D2 Z1 d 58 ～ 60	' V: I( N% j, V* C 47000 ～ 88000	6 e+ P4 b, Z$ e' g3 i- f/ s 3.3 ～ 5.5
LD	10 ＃钢 t ＝ 2.6 ～ 3.5mm	' |9 r4 {. x. Y! M" `% j) u( E 58 ～ 62	8 Z8 r$ d! i. m9 w- W2 l; b 22000 ～ 46000	1.5 ～ 2.8

! A& n& E3 i" [/ f

钢号 被加工材料 模具硬度／ HRC 平均寿命／件 寿命提高（倍） 
Cr12MoV Q235 
t ＝ 2.1 ～ 2.4mm 58 ～ 62 14000 ～ 16000 ―― 
65Nb 57 ～ 59 35000 ～ 70000 2.5 ～ 4.3 
CD 65Mn 
t ＝ 1.8 ～ 2.1mm 58 ～ 60 47000 ～ 88000 3.3 ～ 5.5 
LD 10 ＃钢 
t ＝ 2.6 ～ 3.5mm 58 ～ 62 22000 ～ 46000 1.5 ～ 2.8 
    3.2 冷镦模 
    冷镦模工作时，凸模必须承受强烈的冲击力，其最大压应力可达到 2500N/mm2, 一般低合金工具钢是不能承受的，必须采用高强韧性合金工具钢和硬质合金制造。 
    对于冷镦六角螺栓，六角螺母冷作模具，应采用高强韧、高耐磨性模具钢 65Nb ， LD ， GM ， LM ， 6W6Mo5Cr4V 钢。这类钢强韧很高，耐磨性稍次。如在冷镦模表面实施强化处理，如 PVD 物理气相氮化钛涂层，气体氮碳共渗、液体氮碳共渗、硼――碳复合渗等，就可明显提高冷作模具耐磨性。 
     硬质合金是用粉末冶金方法制造的复合材料，其硬度很高、耐磨性好，用于制作冷镦模具，其使用寿命可提高数倍和数百倍。如六角螺栓冷镦模芯、缩径模套寿命可达 20 万～ 50 万件，但其较脆，韧性较差，且不能进行车、铣，只宜磨削加工。 
    常用牌号 YG20 、 YG15 。 
    表 2 硬质合金的化学成分 

5 y: ^$ Z' |! E) K4 u7 o0 h( a

 

4 ]: Q; D* w; Y! E) z" H/ N x6 A8 P' H; F1 e, L5 y" q$ A( ^. P; r {. m h* \; k$ \0 G$ l4 Q; Z* V W! ?6 T( B3 l+ `8 K; \2 _2 T' K9 |# J( Q8 o# t8 N- h4 F% R4 G! g, \4 i0 ?1 {) x5 V$ }. Z& q: [; Y2 Z8 t( L$ G; y* j6 [% C% h A$ S" [+ |% P. O! A- P" X+ _( L" i5 c0 N6 j+ C8 q

; {$ O0 k/ G" Q! H" f7 y 牌号	+ T$ G5 b. i5 [/ p 组成（％）		* B# c) `9 l: W9 G$ \, T 性能
	+ e" X1 q* G" ^0 v" w2 b WC	CO	硬度 HRC	抗弯强度／ Mpa	抗压强度／ Mpa
YG15	85	15	86~88	2 i9 l7 [& |' L 1800 ～ 2200	, _2 g) v5 k2 a. _ 3900
" ?1 j1 X. H2 Z+ q# @ YG20	80	) k$ [0 m( Z9 | 20	" `: ?0 y* ^! n+ g4 I 83~86	2000 ～ 2600	! A8 r2 _" T! I- W 3400
) @1 @7 p, [, {( S YG25	Q) C: H% a% ? 75	4 l( D+ W! z: x5 ] 25	, z- @7 D. l+ ^; q 82 ～ 84	1800 ～ 2700	9 t4 q4 l4 Z7 n) i7 r# V 3200

0 I! ~* L, x3 P1 H0 u' {) {4 e; a

    牌号 组成（％） 性能 
    WC CO 硬度 HRC 抗弯强度／ Mpa 抗压强度／ Mpa 
    YG15 85 15 86~88 1800 ～ 2200 3900 
    YG20 80 20 83~86 2000 ～ 2600 3400 
    YG25 75 25 82 ～ 84 1800 ～ 2700 3200 
    钢结构硬质合金是以碳化物为硬质相、钢作粘结相形成的复合材料，钢结硬质合金有良好的耐磨性，其强度和韧性高于硬质合金，并可进行机械加工和热处理，在冷作模具中得到广泛应用，主要以碳化钨钢结硬质合金为主（简称 DT 合金），其性能见表 3 。 
    表 3 钢结硬质合金性能比较 

+ _7 C( t! O6 A) _& ~8 r% `

 

/ W x1 d$ m J$ |% f3 X \9 u+ a% v. k, E" A# K) M& d' x1 {5 S0 Q+ o% h/ ^2 @6 D% Q7 H8 S9 D; I4 d; C3 K5 c8 J3 u6 U9 ~1 }; ] K5 y8 g7 I* n7 S' @$ m9 {6 V0 H9 H- ?; O* U3 f- T% U4 @, w8 g+ F3 J& k7 v1 Q3 V7 C9 @, k/ E& X5 {' E, E: z, _2 ~% G3 n# q0 v' c5 I1 f6 i, @! N$ c8 e& E. l6 u6 [ O% K4 U2 {- I9 O2 o: E) c# d/ p+ g+ r. J/ g" C5 y; C" p3 A) Q" \" ~ f: M( E+ J5 v( v' M5 X: m1 @+ Z/ h9 g4 T ~- w0 N' C# D# }2 [5 D1 H+ N% E3 _! Z, V. _' I+ v9 Y1 ^2 K

合金牌号	硬质相种类	硬度 HRC		# U- T- W& W" m! Q+ I 抗弯强度 /MPa	冲击韧度 KJ/m 2
		加工态	使用态
DT	4 P; e+ H: v+ ~8 m: I5 v WC	32 ～ 36	62 ～ 64	2450 ～ 3530	/ d3 W6 h3 C1 c$ K( E; d$ B) L 147 ～ 196
TLMW50	WC	5 b. F7 Y U8 ?7 @6 | 35 ～ 42	66 ～ 68	1960 ～ 2050	: V* I$ X! C! V. h X 78 ～ 98
: y0 q. g9 I3 l GT35	. _ O' I5 w* i: }! y2 i8 N7 X TiC	39 ～ 46	& y" I3 y% H3 S4 ~. e6 L0 c 67 ～ 69	4 _5 o- ]4 b& T" j# ]+ ] 1370 ～ 1765	58 ～ 59

      钢结硬质合金制作各种冷作模具，主要以镶套为主。采用 DT 合金制造 M6 、 M8 半圆头螺钉冷镦模，模具寿命比 9CrSi 钢 8 万件产量提高 30 倍，寿命可达 250 万件。而制造 M20 六角螺母冷镦模比 Cr12MoV 钢 0.4 万件产量提高 55 倍，寿命达 22 万件，经济效益显著。 
    3.3 冷挤压模 
    各类紧固件的挤压成型是在强烈的三向压应力状态下完成的。凸模既受强大的压应力，又受各种不均衡侧向力，在回程时瞬间易引起断裂。受力复杂的凸模，特别是在凸模尺寸变化应力集中处，易产生脆性断裂。而凹模有胀裂的可能以及由于金属材料剧烈流动而引起模腔严重磨损。 
    首先 , 应重视选材和热处理工艺，如 6W6Mo5Cr4V2 、 LD 、 65Nb 、 LM2 、 GD 、 7CrSiMnMoV 等钢可大大提高强韧性，其次 , 耐磨性可通过表面处理来达到。 
    例如，冷挤压发动机异型件，如锁芯、接头凹凸模常用高速钢制作，抗压强度和耐磨性都很好，缺点是韧性差，易脆断，降低淬火温度可提高该钢的断裂抗力。 6W6Mo5Cr4V 钢比原用 W18Cr4V 、 Cr12MoV 钢制作凹模原寿命 1 万多件提高到 40000 件达 4 倍，淬火温度 1080 ～ 1120 ℃， 560 ℃回火三次，就是一个例子。