[科普中国]-冷镦模具用钢

很多紧固件是采用冷镦模具成形的。冷镦模具承受剧烈的冲压载荷，其凹模表面承受很高的压应力。要求模具材料具有较高的强度、韧性和耐磨性。

冷镦模具在热处理后，表面必须具有高的硬度而心部必须具有良好的韧性，这样，表面有一定的压应力可以抵消在冷镦过程中承受的应力。很多紧固件是冷采用镦模具形成的。冷镦模具承受剧烈的冲压载荷，其凹模表面承受很高的压应力。要求模具材料具有较高的强度、韧性和耐磨性。

材料介绍冷镦模具在热处理后，表面必须具有高的硬度而心部必须具有良好的韧性，这样，表面有一定的压应力可以抵消在冷镦过程中承受的应力。

用于生产工件批量不大的冷镦模具，一般选择碳素工具钢或低合金冷作模具钢，对模具型腔表面进行局部淬火，使型腔表面硬度达到HRC60左右，而模具心5硬度为HRC35～45左右。应根据模具的截面尺寸，选择具有一定淬透性的模具钢，以得到比较理想的淬硬层深度。淬硬层过浅，可能造成使用中型腔塌陷；硬化层过深，可能使模具在使用过程中出现开裂现象。

对于要求使用寿命长的冷镦模具，则采用高合金模具钢（如Cr5Mo1V，Cr12，Cr12MoV，7CrMo2V2Si等）、高速钢（如W6Mo5Cr4V2，W18Cr4V，粉末高速钢等）、钢结硬质合金或钴含量较高韧性好的硬质合金制造。为了使模具能承受较高的冲击载荷，一般采用镶块式模具结构。模具外套采用高韧性的合金结构钢或4Cr5MoSiV1等热作模具钢制造，热处理后的硬度为HRC45左右。高硬度冷镦模具镶块采用高合金模具材料制造，用冷压或热压法镶入外套，使之紧密接触，外套对内套造成一定的压应力，以改善模具的服役条件，延长模具的使用寿命。1

材料选择

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注：镶块模具外套可采用中碳合金结构钢或4Cr4MoSiV，4Cr5MoSiV1钢制造。2

失效形式1.过载失效

过载失效指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷（包括约10%的随机波动载荷）作用引起的失效，包括韧度不足和强度不足两类失效。对韧度不足出现的脆断失效应予以重视。

（1）材料韧度不足失效。此类失效前无宏观征兆和断裂突发性，是冷作模具失效中最危险的事故，此类失效曾出现过人身事故，给生产安全和经济建设造成很大的损失。这种失稳态下的断裂失效在冷挤压和冷镦模具中容易出现，如冲头折断、开裂，甚至产生爆裂，其特征是失效产生前无明显塑性变形，宏观断口无剪切唇，且比较平坦，造成模具不可修复的永久失效。

这种失效与模具材料韧度不足、承受过高应力有关。对冷挤压模具实际承载能力分析计算可知，冲头失效前承受的工作应变能力是材料断裂消耗能的上千倍，说明了工作时冲头承受高潜在动能和低的断裂抗力。根据能量守恒原理，冲头断裂势能大部分转变为扩展动能，其扩展的极限速度可达103m/s。当模具结构存在应力集中，如六方冷镦冲头尾部过渡区r≤1mm时，应力集中系数K=2;冷挤压冲头台阶处r=3mm时，K=1.3；甚至机械加工刀痕、磨削粗痕迹等均可成为薄弱环节，产生失稳断裂。

高碳、高合金的冷作模具钢，使用状态为回火马氏体和二次量、松弛应力一应变的能力低，一次碳化物的不均匀性分布又严重降低了材料韧度。因此，这类失效断口看不到宏观变形，微观变形的尺寸大致与碳化物间距相当。

（2）强度不足失效。在冷镦、冷挤压冲头中，材料抗压、弯曲抗力不足，易出现镦头下凹、弯曲变形失效。在新产品开发中容易产生此类失效，这与工作载荷过大，模具硬度偏低有关。实际经验表明，黑色金属冷镦冲头硬度小于HRC56、冷挤压冲头硬度小于HRC62时易出现这类失效，同时说明材料强度不足，塑性有余，有韧度潜力可以发挥。

解决此类模具早期失效的经验方法是脆断失效减硬度，变形失效增硬度。

2.磨损失效

磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使工作部位（刃口、冲头）的形状和尺寸发生变化引起的失效。它又包括正常磨损失效和非正常磨损失效两类。

（1）正常磨损失效。对表面尺寸要求严格的冷冲压、冷挤压模具，在保证材料不断裂的前提下，模具寿命取决于表面抗磨损能力。通常模具使用寿命较长，表面质量要求高的冲裁模、挤压模易产生此类失效。

（2）非正常磨损失效。在局部高压力作用下，模具工作部位与被加工材料间发生咬合，被加工材料“冷焊”到模具表面（或模具材料“冷焊”到加工材料表面），引起被加工产品（或模具材料）表面形状和尺寸发生突变，或在被加工产品表面出现严重划痕等导致失效。在拉伸、弯曲模具及冷挤压模具中易发生此类失效。

3.疲劳失效（多冲疲劳失效）

冷作模具载荷都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施加的，这种状态与小能量多冲疲劳试验（以一定能量周期性加载和卸载）相似。由于模具材料多冲疲劳的断裂寿命多在1000～5000次，通常，裂纹疲劳源和裂纹扩散区无明显界限。

模具钢的疲劳性能和特征与结构钢有很大差异。因为脆性材料疲劳裂纹的萌生期占大部分寿命，多数情况下，裂纹萌生与扩展难于区分。仔细分析疲劳条纹微观形态可以看出，裂纹萌生多在材料表面的薄弱环节，如晶界、碳化物和应力集中部位。试验表明，冲击疲劳裂纹萌生约200μm微裂纹时，寿命占总寿命的90%以上，从断口上很难观察到结构钢稳态扩展区和疲劳条带。2

本词条内容贡献者为:

杨晓红 - 副教授 - 西南大学