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冲压模具材料的要求及选用

上传时间:2016-09-24阅读次数:编辑:admin
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  •     冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷,甚至在较高的温度下工作(如冷挤压),工作条件复杂,易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。因此,对模具工作零件材料的要求比普通零件高。

       

        由于各类冲压模具的工作条件不同,所以对模具工作零件材料的要求也有所差异。

       

        1.冲裁模材料的要求

          对于薄板冲裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度,而对厚板冲裁 模除了 要求具有高的耐磨性、抗压屈服点外,为防止模具断裂或崩刃 ,还应具有高的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性。 

       

        2. 拉深模材料的要求

        要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性(抗咬合性)、高的耐磨性和硬度、一定的强韧性以及较好的切削加工性能,而且热处理时变形要小。

       

        3. 冷挤压模材料 的要求

        要求模具工作零件有高的强度和硬度、高耐磨性,为避免冲击折断,还要求有一定的韧性。由于挤压时会产生较大的升温,所以还应具有一定的耐热疲劳性和热硬性

       

        11.2.2 冲压模具材料的种类及特性

        制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、 钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主,常用的模具工作部件材料的种类有:碳素工具钢、低合金工具钢、高碳 高铬或中 铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、 钢结硬质合金 等等。

       

        1. 碳素工具钢

        在模具中应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等,优点为加工性能好,价格便宜。但淬透性和红硬性差,热处理变形大,承载能力较低。

       

        2. 低合金工具钢

           低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比,减少了淬火变形和开裂倾向,提高了钢的淬透性,耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有 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有Cr12和Cr12MoV、Cr12Mo1V1(代号D2),它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性,热处理变形很小,为高耐磨微变形模具钢,承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重 ,必须进行反复镦拔 (轴向镦、径向拔)改 锻,以降低碳化物的不均匀性,提高使用性能。 

        

        4. 高碳中铬工具钢

          用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV等,它们的含铬量较低, 共晶碳化物 少,碳化物分布均匀,热处理变形小,具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比,性能有所改善。

        

        5. 高速钢

        高速钢具有模具钢中最高的 的 硬度、耐磨性和抗压强度,承载能力很高。模具中常用的有 W18Cr4V(代号8-4-1)和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2(代号6-5-4-2,美国牌号为M2)以及为提高韧性开发的 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上添加少量的其它元素,适当增减含碳量,以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点,具有一定的耐磨性和硬度,而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢,为高强 韧性冷作模具钢 ,材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb(代号65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(代号LD)、5Cr4Mo3SiMnVAL(代号012AL)等。 

        

        7. 硬质合金和钢结硬质合金

        硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢,但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是 钨钴类 ,对冲击性小而耐磨性要求高的模具,可选用 含钴量较低 的硬质合金。对冲击性大的模具,可选用 含钴量较高 的硬质合金。

       

          钢结硬质合金 是以铁粉加入少量的合金元素粉末(如铬、 钼 、钨、钒等)做粘合剂,以碳化 钛或碳化钨为硬质相 ,用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金 的基体是钢,克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点,可以切削、焊接、锻造和热处理。 钢结硬质合金含有大量的碳化物,虽然硬度和耐磨性低于硬质合金,但仍高于其它钢种,经淬火、回火后硬度可达 68 ~ 73HRC。 

       

        11.2.3 冲压模具材料的选用及热处理要求 

       

        一. 冲裁模具材料的选用及热处理要求

        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 50 0~540 ℃,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 60 HRC 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 58~62 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 58~62 HRC 。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。

       

        厚板冲裁模具

        厚板冲裁模承受的冲压力高于薄板冲模,为重载冲裁模,易磨损、崩 刃 和断裂,所以要求模具材料应具有高的耐磨性和强韧性。

        传统模具用钢传统的重载冲裁模具钢种主要有 T8A 、 Cr12MoV 、 W18Cr4V 、

        W6Mo5 Cr4V2 等。

       

        其中 T8A 为碳素工具钢,虽然淬透性、韧性比 T10A 钢有所改善,但易残存网状碳化物、热硬性差,只能用于工件批量较小的中厚冲裁模。 T8A 工具钢的热处理工艺为: 790~820 ℃水或油 淬, 160~180 ℃ 回火,硬度 58~61HRC 。

       

        W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2为高速工具钢,具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性,但韧性较低,工作时有可能产生崩 刃或断裂,而且价格较贵。建议采用低温淬火、快速加温淬火等工艺措施来改善其韧性。对于工件批量较大的厚板冲裁模,可以用W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2钢做 凸 模,Cr12MoV 钢做凹模 。

       

        W18Cr4V 钢的推荐热处理工艺: 1220~1250 ℃ 淬火; 550~570 ℃ 回火 3 次。 

        W6Mo5Cr4V2 钢的推荐热处理工艺: 1160~1200 ℃ 淬火 : 550~570 ℃ 回火 3 次。 

       

        3. 常用模具新钢种

        为了克服高速工具钢的缺点,提高使用寿命,重载冲裁模具可选用 降碳降钒 高速钢6 W6Mo5 Cr4V(6W6)和以高速钢成分为基础,添加少量的其它元素构成的高强韧性模具钢 — 基体钢,如 65Nb钢、LD钢、012AL钢、CG-2 钢等等 。

       

        ( 1)6 W6Mo5 Cr4V (6W6)钢  为高强韧性高速钢,由于降低了碳化物的含量和分布均匀性,使其在保持硬度和耐磨性的同时,抗弯强度、冲击韧性和塑性都有显著提高,虽然耐磨性略低,仍可用低温 氮碳共渗提高 表面硬度和耐磨性。其热处理工艺和高速钢W6Mo5Cr4V2相似。

       

        ( 2 ) 6Cr4W3Mo2VNb (65Nb) 钢  65Nb 钢取自 W6Mo5CrV2 钢正常 淬火后的基本成分,碳含量比高速钢低,碳质量 分数 的中限为 0.65% ,故名 65Nb 。各合金元素在钢中的作用和在高速钢中相似, 另加入 3% 的 Nb 可形成高稳定性的碳化物 NbC ,能有效阻止奥氏体晶粒长大,改善钢的力学性能和工艺性能。这种钢具有较好的耐磨性和较强的高温韧性,可以代替 Cr12MoV 、 W18Cr4V 钢,用于重载冲裁模和冷挤压模、 冷镦模 。

       

        65Nb 钢锻造和退火工艺性能良好,热处理温度范围宽,淬火温度可以在 1080~1180 ℃,回火温度在 520~600 ℃之间选择。当采用比 W6Mo5CrV2 钢正常 淬火温度低的温度淬火后,其组织 为在碳含量 较低的马氏体基体上均匀 分布有细粒状未溶碳化物。通过热处理参数的调整,可以得到不同的强度、韧性、耐磨性配合,以适合不同模具的性能要求。 65Nb 钢的热处理工艺: 1080~1180 ℃盐浴炉加热( 15~20s/mm )油 淬, 520~560 ℃ 回火 2 次,硬度 57~63 HRC 。 

       

        ( 3 ) 7Cr7Mo2V2Si (LD) 钢 LD 钢含碳、 含钴量高于 65Nb ,含钒量也较高。 钒可细化 晶粒,提高耐磨性。因此其抗压、抗弯强度和耐磨性均高于 65Nb 由于具有良好的强韧性和耐磨性,因而适于制造各种重载模具。

        LD 钢的推荐热处理工艺: 850 ℃预热, 1100~1150 ℃ 淬火; 油冷后 530~570 ℃ 回火 2~3 次,每次 1~2 小时,硬度 57~63 HRC 。 

       

        ( 4 ) 5Cr4Mo3SiMnVAL (012AL) 钢 012AL 钢中加入质量分数为 0.3~0.7% 的铝,目的是为了细化晶粒,提高钢的冲击韧性和热加工塑性,加 Si 则为了强化基体。 012AL 钢强韧性高,综合性能好,通用性强,是冷、热兼用型模具钢。其抗弯强度及挠度高于 W18Cr4V 高速钢,代替高速钢作模具时很少发生折断现象。可以用作中厚板料冲裁模具和 各类冷 、热作模具。 

        012AL 钢的推荐热处理工艺: 1090~1120 ℃盐浴炉加热( 30s/mm )油 淬, 510 ℃ 回火 2 次, 每次油冷 2 小时 ,硬度 60~62 HRC 。 

       

        ( 5 ) 6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2) 钢 CG-2 钢在成分中加 Ni ,强化了基体,改善了韧性和高温性能。同时增加 Mo 减少 W ,以降低碳化物的偏析。 CG-2 钢具有高的强度和强韧性,在热处理到高硬度时仍能维持良好的韧性,较好地解决了高硬度与韧性的合理配合。但锻造塑性较差,退火后硬度偏高。亦可用作中厚板料冲裁模具和 各类冷 、热作模具。 

        

         CG-2 钢的热处理工艺:淬火温度 1100~1140 ℃加热( 20s/mm ), 油冷 , 540 ℃ 回火 2 次,每次 2 小时,空冷,硬度 60~62 HRC 。

       

         二. 拉深模具材料的选用及热处理要求

       

        表 11.2.1 各种板料适用的 拉深模材料

       

        由于拉深模具的失效主要为粘附磨损和磨粒磨损,并以粘附磨损为主。因此选用的模具材料必须具有较高的耐磨性和抗粘附性能,以及足够的强度。按被拉深材料 考虑适用的拉 深模材料 可以参考表 11-1 。选用时还应考虑被拉深材料的板料厚度、 拉深件的 尺寸形状以及生产批量的大小等因素。

       

          (一) 轻载拉深(拉深薄钢板和 铜、 铝合金)时的模具材料

        生产批量较小时,对于形状简单的筒形 浅拉深件 ,可选用 T8 、 T10 钢; 对于形状复杂的中小型件,选用 CrWMn 、 9Mn2V 。

        中批量生产或生产批量较大时,选用 Cr12MoV 。

        生产批量很大时,选用硬质合金 或钢结硬质合金 。

         

        (二)重载拉深(拉深厚钢板、反拉深、变薄拉深)时的模具材料

          生产批量较小时,可选用 T10 、 CrWMn 。

        生产批量较大时,选用 Cr12MoV 以及 GM 钢。 GM 钢的强度和韧性高于高速钢、 Cr12MoV ;抗粘附磨损和磨粒磨损能力明显优于基体钢和 Cr12MoV ,在拉 深模方面 已得到较好应用。

        生产批量很大时,考虑选用硬质合金 或钢结硬质合金 。

         

        (三)拉深不锈钢、 高镍合金钢 、耐热钢板的模具材料 

        拉深这类材料时,容易发生粘附和拉毛,首选模具材料为铝青铜。 

        生产批量较小时,可选用铝青铜、 T10A (镀硬铬,注意采用镀硬铬工艺时镀层不能太厚,以防拉深时剥落)。 

        生产批量较大时,选用铝青铜、 Cr12MoV 、 Cr12Mo1V1 (表面渗氮)。 

        生产批量很大时,选用硬质合金。 

       

        (四)大型 拉深件 、汽车覆盖件的拉深模具材料 

          可以选用合金铸铁或高强度球墨铸铁。球墨铸铁能够浸入润滑油,组织中的石墨具有自润滑作用,能有效地减轻拉深中的摩擦,而且成本较低、容易加工。 

        高强度球墨铸铁可以采用双介质延迟冷却马氏体等温淬火,以获得较高的强度和韧性,硬度为 55~58 HRC 。先将模具缓慢预热后再加热至 880~900 ℃,保温后先空气预冷,然后盐水 淬冷至 550 ℃左右即转入 油冷,当模温 降至 250 ℃左右,放入 180~200 ℃的热油中等温保持 2~3 小时,再将油温降至 170 ℃左右等温 5~7 小时,最后转入空冷。

       

       

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