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冷作模具钢简介

冷作模具钢用于金属或非金属材料的冲载、拉伸、弯曲、冷镦、滚丝、压弯等工序。冷变形模具的材料应具有高的硬度、强度和耐磨性,足够的韧性和小的热处理变形量。因此,冷作模具钢应在淬火回火后的组织中有一定量的剩余碳化物,并要分布均匀,形态圆整、细密,马氏体针要均匀、细小、弥散。对于形状简单的小型工模具,可选用碳素工具钢;精度要求较高的中小型工模具,可选用低合金工模具钢,如CrWMn、9SiCr、GD钢等;对于要求淬透性好,而且具有高硬度、高强度、高耐磨、高承载能力的大中型模具,应选用高铬钢、高速钢、基体钢等来制作。

  工模具服役条件是经常承受冲击、磨损、弯曲、剪切,因此要求其材料应具备优良的强韧性。为了满足某些工模具的比较苛刻的使用要求,对不同材料的工模具的热处理工艺和组织应有一些特殊的要求,以便进一步改进工模具的性能,提高其使用寿命。例如双细化工艺、等温淬火工艺等,现已得到广泛应用。



常用的冷作模具钢的钢号和化学成分见表。对表中部分钢种作如下简要介绍:


01

Cr12钢 属高铬微变形模具钢,经常用于制造高耐磨、微变形、高负荷服役条件下的冷作模具和工具。因含铬量高使钢的淬透性很好。因为组织中含有大量共晶碳化物,故又称为莱氏体钢。大量碳化物的存在不仅使硬度很高,而且能阻止晶粒长大。可以通过控制淬火加热温度来控制合金元素向奥氏体的溶解量,从而使模具得到微变形甚至不变形。残留奥氏体量的多少与模具的变形量密切相关,因此针对不同要求,通过制定相应热处理工艺来控制淬火后的残留奥氏体量,以满足生产上的不同要求。

  由于Cr12型莱氏体钢中碳化物的不均匀性较严重,增大了钢的脆性,在锻后应进行球化退火处理。在淬火回火状态都仍会残留有较大的淬火应力,因此淬火后回火必须充分,否则易在磨削和服役中开裂。

02

9Mn2V钢 这是一种利用我国资源丰富的锰和钒而不含铬的冷作模具钢,它有很好的淬透性,是极易锻造和加工的工模具钢。含锰量增加,会使淬火后残留奥氏体含量增加,因此淬火变形小,但尺寸稳定性稍差,耐回火性差。由于钒有细化晶粒的作用,因此改善了由锰带来的过热倾向和颗粒长大的倾向。

03

6CrW2Si钢 该钢的淬透性好,耐回火性好,等温转变比较稳定,有利于分级淬火和等温淬火,可用来制作冷作模具,也可制作冲击工具和刀具等。对于用于要求有中等硬度和耐磨性的工模具时,可采用880~900℃加热淬火,而要求有高硬度高耐磨的工模具时则采用950~980℃加热淬火。



04

Cr12MoV钢 是高铬微变形模具钢系列的一种,其综合性能最好,与Cr12钢相比,因加入钼而进一步提高了钢的淬透性,细化了晶粒,细化了共晶碳化物,改善了韧性,提高了耐回火性,碳化物的数量、粒度、形态、不均匀程度都比Cr12钢有较大的改善。Cr12MoV钢除耐磨性稍逊于Cr12钢外,强度和韧性都比Cr12钢好。

05

GD钢 其钢号为6CrNiMnSiMoV钢,是一种碳化物偏析小而淬透性高的高强韧钢。通过热处理可获得较多的板条马氏体,碳化物细小、均匀,总量比较少,淬火温度较低,淬火温度区间宽,尤其适用于中小企业的热处理条件,可制作各种冷作模具,很少出现崩刀和断裂现象。GD钢是空冷微变形模具钢,退火状态硬度较高,故必须经球化退火以利于机械加工。

06

65Nb钢 其钢号为65Cr4W3Mo2VNb,是以高速钢为母体,适当降低含碳量,并用少量铌合金化的改型基体钢,是一种高强韧冷热兼用模具钢。特别适用于复杂、大型或难变形金属的冷挤压模具和受冲击负荷较大的冷镦模具,有时也用于热作模具。其淬火回火工艺可按不同要求适当选择:

  要求韧性高时:1080~1120℃加热后油冷淬火,520~540℃回火1~2h,回火二次。

  要求硬度高时:1120~1180℃加热后油冷淬火,540~580℃回火1~2h,回火二次。

07

012A1钢 其钢号为5Cr4Mo3SiMnVA1钢,是冷热兼用的基本钢。钢中适量增加了锰和硅,提高了固溶强化效果,因此提高了基本强度,又添加了微量铝,使钢材的韧性有了明显提高,012A1钢十分适用于进行渗碳或碳氮共渗来有效提高模具的耐磨性。012A1钢的热处理工艺可按模具要求不同而做出选择:

  冷作模具:1090~1100℃加热,油冷淬火或分级冷却,510℃回火2h, 回火二次,硬度为60~62HRC。

  热锻模具:100-1120℃加热,油冷淬火或分级冷却,580~600C回火2h,回火二次,硬度为52~54HRC。

  压形模、压铸模:1120~1140℃加热,油冷淬火或分级冷却, 620~630℃回火2h,回火二次,硬度为42~44HRC。

08

CG-2钢 其钢号为6Cr4Mo3Ni2WV钢,是冷热兼用的基体钢。钢中的合金元素钼、钒能促进二次硬化效果,提高热硬性。但含钼量高会导致钢有脱碳倾向,过热敏感性也较大。镍元素能提高韧性和热疲劳性能。CG-2钢加热温度超过1120℃,晶粒会明显长大。淬火后回火温度在650℃时有二次硬化峰。CG-2钢的热处理工艺按不同模具而选择:

  热作模具:1120~1180℃加热后油冷淬火或分级,630℃回火二次,硬度为51~53HRC。

  冷作模具:1100~1140℃加热后油冷淬火或分级,560℃回火二次,硬度为60~61HRC。

09

GM钢 其钢号为9Cr6W3Mo2V2钢,它是制作精密耐磨、高寿命冷作模具的莱氏体钢,由于GM钢的碳、铬、钼含量相对比较低,因此其碳化物带状分布倾向较轻微。GM钢锻后要及时进行球化退火,以利于后面的机械加工。推荐采用的淬火工艺为:1100~1160℃加热油冷淬火或分级淬火,520~560℃回火三次,硬度为65HRC以上。GM钢在冷轧钢带冲模、多工位级进模、滚丝模、切边模等领域使用,寿命都有大幅提高。

10

CrWMn钢 CrWMn的淬透性极好,工件直径小于50mm时能在硝盐中淬透。淬火加热时晶粒长大倾向低,淬火后的残留奥氏体较多,淬火变形小。因钨和铬都是碳化物形成元素,碳化物的熔点高,因此淬火回火后的剩余碳化物较多,使硬度提高。但钢的碳化物不均匀性也比较严重,常常是造成模具失效的主要原因。

11

9SiCr钢 钢中增加含硅量后,强化了铁素体,明显提高了钢的硬度和强度,回火时又有阻止硬度降低的作用。9siCr钢是专用刀具钢,也可用于制作冷作模具,如滚齿模、冷冲模等。现又初步应用于较大载荷的模具。

  9SiCr钢的淬透性好,工件尺寸小于60mm时在硝盐中能淬硬,直径小于80mm时可在油中淬硬,而且其网状碳化物析出的敏感性低,带状碳化物偏析和液析倾向较轻,但因含硅量的增加,同时也增加了钢的脱碳倾向。




常用热作模具钢钢号及化学成分表

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钢号
(代号)
化学成分(质量分数,%)
C(碳)Si(硅)Mn(锰)Cr(铬)V(钒)Mo(钼)其他元素
CrWMn0.90~1.05-0.80~1.100.90~1.20--W(钨):
1.20~1.60
9SiCr0.85~0.951.20~1.600.20~0.600.95~1.25---
9Mn2V0.85~0.95≤0.351.70~2.00-0.10~0.25--
6CrW2Si0.55~0.650.50~0.800.20~0.401.00~1.30--W:2.20~2.70
Cr122.00~2.30≤0.35≤0.3511.5~13.0---
Cr12MoV1.45~1.70≤0.25≤0.3511.0~12.50.15~0.300.40~0.60-
6CrNiMnSiMoV
(GD)
0.64~0.740.50~0.900.70~1.001.00~1.20-0.30~0.60Ni(镍):
0.70~1.10
65Cr4W3Mo2VNb
(65Nb)
0.60~0.70≤0.35≤0.403.80~4.400.80~1.102.00~2.50W:2.50~3.00
5Cr4Mo3SiMnVA1
(012A1)
0.47~0.570.80~1.100.80~1.103.80~4.300.80~1.102.80~3.40A1(铝):
0.30~0.70
6Cr4Mo3Ni2WV
(CG-2)
0.55~0.65≤0.40≤0.403.80~4.200.90~1.302.80~3.30W:0.90~1.30
Ni:1.80~2.20
7Cr7Mo3V2Si
(LD1)
0.70~0.800.70~1.20≤0.506.50~7.001.70~2.202.00~2.50-
9Cr6W3Mo2v2
(GM)
0.86~0.94--5.00~6.401.70~2.202.00~2.50W:2.80~3.20
Cr12W2.00~3.00--11.0~12.8--W:0.60~0.90
Cr12Mo2.05~2.40--11.0~13.0-0.70~1.20-
Cr5MoV0.95~1.05-≤0.100.95~1.050.15~0.500.90~1.40-
Cr4W2MoV1.20 --0.331.00 ~1.00W:2.20
钢号
(代号)
C(碳)Si(硅)Mn(锰)Cr(铬)V(钒)Mo(钼)其他元素
化学成分(质量分数,%)


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