冷镦模材料的选取
2003-02-14 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
摘要：介绍了冷镦生产中常用的模具材料、失效形式和选取原则。
关键词：冷镦模 材料 失效形式
1、引言
在紧固件行业，冷镦模用量很大。冷镦模在冷镦变形中要承受很大的单位压力，在变形程度很大和材料强度较高时，单位压力可达2000MPa以上，有时达到3000MPa，同时金属的流动又很剧烈。因此要满足紧固件行业高生产率、自动化、大批量的生产，发挥冷镦工艺的最高效能，冷镦模必须有相应的使用寿命。
模具寿命的高低很大程度上取决于模具材料的性能、模具设计制造水平、热处理工艺技术水平以及使用维护方法等。尽管影响模具寿命的因素很多，但合理的选材是保证模具寿命的基础。
选择模具材料首先要了解模具钢的材质、性能、模具设计制造水平、热处理工艺技术水平以及使用维护方法等。尽管影响模具寿命的因素很多，但合理的选材是保证模具寿命的基础。
选择模具材料首先要了解模具钢的材质、性能、模具的使用条件以及模具失效形式，有针对性地选材。
2、常用的冷镦模材料
2.1 碳素工具钢
主要有T8、T10、T10A几种。其中以T10A钢应用得最为普遍。
T10A钢在加热时能获得较小的晶粒，淬火时过热敏感性小，经过适当热处理可得到较高的强度和一定的韧性，以及一定的耐磨性，而且其价格便宜、来源广、易于冷热加工。尽管其淬透性较差、热处理时变形大、模具寿命短，对于形状简单、尺寸小、受轻载荷的模具，仍较多地采用碳素工具钢制造，如初镦凸模、送料滚轮、垫板等。
2.2 合金工具钢
主要有9SiCr、CrWMn、Cr12MoV、W18Cr4V、60Si2MnA、GCr15等。
9SiCr钢具有高的含碳量，并含有能提高淬透性、淬硬性并细化晶粒的合金元素，适于制造形状复杂、要求热变形小、硬度高的中小型冷镦模，如一字槽螺钉凸模、顶针等，以及滚丝轮、搓丝板和切断刀等。
CrWMn钢具有高的淬透性，适用于制造淬火时要求变形很小、形状复杂的中小型模具，如制造中型螺母的六角上、下凸模等，以及制造量规等精密量具。
Cr12MoV钢是一种高碳高铬钢，其淬透性、淬火回火后的硬度、强度、韧性都比较好。对截面较大、形状复杂，工作时经受较大负荷的各种模具，如螺母成型六方凹模、螺栓切边模等，选用此钢制造比较合理。
W18Cr4V钢是一种应用广泛的钨系列高速钢，其特点是通用性强，热硬性（610-620℃）和耐磨性良好，淬透性高，而且有良好的韧性，磨削加工性能也较好。用其制造的模具，加工某些变形程度大、变形力大或有偏心载荷带冲击性的工件时，优点更为明显。常用来制造受力较大的凸模，如内六角螺钉、凹穴六角头螺栓的成形凸模和螺母冲孔凸模等。
60Si2MnA钢是应用广泛的硅锰弹簧钢，有很好的韧性和抗弯强度，能经受较高的冲击疲劳而不破坏，但其耐磨性不高。常用于制造中小型规格的冷镦模，如六角上下凸模及顶料销、垫块、芯轴等。
2.3 新型基体钢
主要有O12Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、LD(75Cr7Mo3V2Si)、65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)、GD(6CrNiNmSiMoV)等4种。
与传统模具钢相比，新型基体钢的最大特点是延缓了裂纹的萌发和具有较小的裂纹扩展速率，具有良好的强韧性，因此可大大延长模具的使用寿命。O12Al和LD钢甚至还可进行冷挤压成形。采用新型基体钢制造的大部分模具，其主要失效形式是模具工作表面拉毛和型腔变形，因而造成工件尺寸超差。其耐磨性尽管稍差，但可通过气体碳氮共渗等表面处理来提高其耐磨性。缺点是这些材料需要在某些钢厂定制，用量小时采购较困难。多用于制造承受很大载荷的各种成形凸模和凹模，能基本避免成形凸模的折断。
2.4 硬质合金
主要分为两类：钨钴合金和钨钴钛合金。由于钨钴钛合金的抗弯强度、韧性和热导性比钨钴合金低，冷镦工艺中使用的硬质合金大多采用钨钴合金。
硬质合金硬度高，大大提高了模具寿命，但其机械加工性能不好，只能采用电加工，因而制造成本高，再加上材料本身价格也较高，多用于各种拉丝模、缩径模、镦锻凹模、切边模等的模芯制造。
3、生产中常见的模具失效形式
冷镦模主要完成金属材料的切断、镦锻、挤压、切边等工序，由于被加工材料力学性能不同，各种模具的工作条件差别较大，故失效形式也不相同。因此要求模具材料具有很高的硬度、强度，一定的韧性，良好的耐磨性、热硬性、热稳定性和耐疲劳性，以及较好的机械加工性能和热处理性能。
断裂失效：即模具在使用中突然出现大裂纹或发生破损，如凸模（冲头）折断、凹模皮裂等。在冷镦模工作时，由于成形力大，在金属变形过程中模具表面的瞬间温度很高，造成温度循环，也加速疲劳裂纹的产生。它是模具的首要失效形式。
变形失效：如凸模镦粗、弯曲、凹模型腔塌陷、棱角塌陷、模孔涨大等。
磨损失效：即模具随着磨损而超过允许公差，如切断模的刃口、镦锻凹模的型腔等。
焊合失效：即镦锻过程中，模具与工件的接触面产生金属堆积，造成金属粘结在模具工作表面而失效。
啃伤失效：当凸模与凹模直接碰撞时出现的崩裂。
4、冷镦模材料的选择
冷镦模材料的选择，必须根据被加工材料的材质、冷变形方式、模具形状的复杂程度、模具的承载特点等，从满足模具的主要性能来综合确定。
（1）当作用在模具上的冲击载荷很大时，主要考虑钢材的韧性应满足使用要求。
（2）当沿着模具表面的金属流动变形很大时，主要考虑钢材的耐磨性应满足使用要求。
（3）当工件的加工变形抗力很大时，钢材的韧性和耐磨性都应考虑满足使用要求。
（4）当模具尺寸很大时，应考虑选择价格低、便于加工的钢材，或考虑使用组合模。
（5）当模具形状很复杂时，应考虑钢材的韧性和热处理变形大小能否满足使用要求。
（6）对于生产批量很大的零件，主要考虑模具的使用寿命，应选择耐磨性和韧性好的钢材。
5、结束语
模具材料的选用，对生产过程能否收到好的经济效益是很关键的。新型模具钢较传统材料明显提高了模具寿命。随着紧固件行业向高强度、高精度方向发展，选用新型材料制造模具成为发展趋势。特别是在采用ML15MnB、ML35CrMoA等难变形材料进行冷镦加工时，选用基体钢等新型模具材料，几乎成了唯一的选择。
参考文献：
1、机械电子工业部技工培训教材编审组.冷镦工工艺学.北京：机械工业出版社，1993.
(作者：第一拖拉机股份有限公司（河南洛阳 471004） 赵宏敏 洛阳市医疗器械管理修配所 解延丽）
关键词：冷镦模 材料 失效形式
1、引言
在紧固件行业，冷镦模用量很大。冷镦模在冷镦变形中要承受很大的单位压力，在变形程度很大和材料强度较高时，单位压力可达2000MPa以上，有时达到3000MPa，同时金属的流动又很剧烈。因此要满足紧固件行业高生产率、自动化、大批量的生产，发挥冷镦工艺的最高效能，冷镦模必须有相应的使用寿命。
模具寿命的高低很大程度上取决于模具材料的性能、模具设计制造水平、热处理工艺技术水平以及使用维护方法等。尽管影响模具寿命的因素很多，但合理的选材是保证模具寿命的基础。
选择模具材料首先要了解模具钢的材质、性能、模具设计制造水平、热处理工艺技术水平以及使用维护方法等。尽管影响模具寿命的因素很多，但合理的选材是保证模具寿命的基础。
选择模具材料首先要了解模具钢的材质、性能、模具的使用条件以及模具失效形式，有针对性地选材。
2、常用的冷镦模材料
2.1 碳素工具钢
主要有T8、T10、T10A几种。其中以T10A钢应用得最为普遍。
T10A钢在加热时能获得较小的晶粒，淬火时过热敏感性小，经过适当热处理可得到较高的强度和一定的韧性，以及一定的耐磨性，而且其价格便宜、来源广、易于冷热加工。尽管其淬透性较差、热处理时变形大、模具寿命短，对于形状简单、尺寸小、受轻载荷的模具，仍较多地采用碳素工具钢制造，如初镦凸模、送料滚轮、垫板等。
2.2 合金工具钢
主要有9SiCr、CrWMn、Cr12MoV、W18Cr4V、60Si2MnA、GCr15等。
9SiCr钢具有高的含碳量，并含有能提高淬透性、淬硬性并细化晶粒的合金元素，适于制造形状复杂、要求热变形小、硬度高的中小型冷镦模，如一字槽螺钉凸模、顶针等，以及滚丝轮、搓丝板和切断刀等。
CrWMn钢具有高的淬透性，适用于制造淬火时要求变形很小、形状复杂的中小型模具，如制造中型螺母的六角上、下凸模等，以及制造量规等精密量具。
Cr12MoV钢是一种高碳高铬钢，其淬透性、淬火回火后的硬度、强度、韧性都比较好。对截面较大、形状复杂，工作时经受较大负荷的各种模具，如螺母成型六方凹模、螺栓切边模等，选用此钢制造比较合理。
W18Cr4V钢是一种应用广泛的钨系列高速钢，其特点是通用性强，热硬性（610-620℃）和耐磨性良好，淬透性高，而且有良好的韧性，磨削加工性能也较好。用其制造的模具，加工某些变形程度大、变形力大或有偏心载荷带冲击性的工件时，优点更为明显。常用来制造受力较大的凸模，如内六角螺钉、凹穴六角头螺栓的成形凸模和螺母冲孔凸模等。
60Si2MnA钢是应用广泛的硅锰弹簧钢，有很好的韧性和抗弯强度，能经受较高的冲击疲劳而不破坏，但其耐磨性不高。常用于制造中小型规格的冷镦模，如六角上下凸模及顶料销、垫块、芯轴等。
2.3 新型基体钢
主要有O12Al(5Cr4Mo3SiMnVAl)、LD(75Cr7Mo3V2Si)、65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)、GD(6CrNiNmSiMoV)等4种。
与传统模具钢相比，新型基体钢的最大特点是延缓了裂纹的萌发和具有较小的裂纹扩展速率，具有良好的强韧性，因此可大大延长模具的使用寿命。O12Al和LD钢甚至还可进行冷挤压成形。采用新型基体钢制造的大部分模具，其主要失效形式是模具工作表面拉毛和型腔变形，因而造成工件尺寸超差。其耐磨性尽管稍差，但可通过气体碳氮共渗等表面处理来提高其耐磨性。缺点是这些材料需要在某些钢厂定制，用量小时采购较困难。多用于制造承受很大载荷的各种成形凸模和凹模，能基本避免成形凸模的折断。
2.4 硬质合金
主要分为两类：钨钴合金和钨钴钛合金。由于钨钴钛合金的抗弯强度、韧性和热导性比钨钴合金低，冷镦工艺中使用的硬质合金大多采用钨钴合金。
硬质合金硬度高，大大提高了模具寿命，但其机械加工性能不好，只能采用电加工，因而制造成本高，再加上材料本身价格也较高，多用于各种拉丝模、缩径模、镦锻凹模、切边模等的模芯制造。
3、生产中常见的模具失效形式
冷镦模主要完成金属材料的切断、镦锻、挤压、切边等工序，由于被加工材料力学性能不同，各种模具的工作条件差别较大，故失效形式也不相同。因此要求模具材料具有很高的硬度、强度，一定的韧性，良好的耐磨性、热硬性、热稳定性和耐疲劳性，以及较好的机械加工性能和热处理性能。
断裂失效：即模具在使用中突然出现大裂纹或发生破损，如凸模（冲头）折断、凹模皮裂等。在冷镦模工作时，由于成形力大，在金属变形过程中模具表面的瞬间温度很高，造成温度循环，也加速疲劳裂纹的产生。它是模具的首要失效形式。
变形失效：如凸模镦粗、弯曲、凹模型腔塌陷、棱角塌陷、模孔涨大等。
磨损失效：即模具随着磨损而超过允许公差，如切断模的刃口、镦锻凹模的型腔等。
焊合失效：即镦锻过程中，模具与工件的接触面产生金属堆积，造成金属粘结在模具工作表面而失效。
啃伤失效：当凸模与凹模直接碰撞时出现的崩裂。
4、冷镦模材料的选择
冷镦模材料的选择，必须根据被加工材料的材质、冷变形方式、模具形状的复杂程度、模具的承载特点等，从满足模具的主要性能来综合确定。
（1）当作用在模具上的冲击载荷很大时，主要考虑钢材的韧性应满足使用要求。
（2）当沿着模具表面的金属流动变形很大时，主要考虑钢材的耐磨性应满足使用要求。
（3）当工件的加工变形抗力很大时，钢材的韧性和耐磨性都应考虑满足使用要求。
（4）当模具尺寸很大时，应考虑选择价格低、便于加工的钢材，或考虑使用组合模。
（5）当模具形状很复杂时，应考虑钢材的韧性和热处理变形大小能否满足使用要求。
（6）对于生产批量很大的零件，主要考虑模具的使用寿命，应选择耐磨性和韧性好的钢材。
5、结束语
模具材料的选用，对生产过程能否收到好的经济效益是很关键的。新型模具钢较传统材料明显提高了模具寿命。随着紧固件行业向高强度、高精度方向发展，选用新型材料制造模具成为发展趋势。特别是在采用ML15MnB、ML35CrMoA等难变形材料进行冷镦加工时，选用基体钢等新型模具材料，几乎成了唯一的选择。
参考文献：
1、机械电子工业部技工培训教材编审组.冷镦工工艺学.北京：机械工业出版社，1993.
(作者：第一拖拉机股份有限公司（河南洛阳 471004） 赵宏敏 洛阳市医疗器械管理修配所 解延丽）
