[科普中国]-冷作模具钢

简述

由于冷作模具多为常温下工作，材料的塑性变形抗力大，模具的工作应力大，工作条件苛刻，综合起来这类模具性能上一般要求高的硬度和耐磨性、足够的强度、适当的韧性。

因此，冷作模具钢通常在成分上以高碳为主，以满足高硬度和高耐磨性的需要。如果为了提高模具抗冲击能力，需增加韧性时，可选用中碳钢，这时可借用热作模具钢来代替。在冷作模具钢中加入合金元素时，主要是为了提高淬透性和耐磨性，对于耐磨性要求高的模具，多采用加入碳化物形成元素，例如Cr、Mo、W、V等元素的多元合金钢。

从钢材类别考虑，冷作模具钢多为过共析钢和莱氏体钢，一般属于工具钢范畴。1

性能要求1．冷作模具钢的使用性能

1)较高的耐磨性

冷作模具在工作时，表面与坯料之间产生许多次摩擦，模具在这种情况下必须仍能保持较低的表面粗糙度值和较高的尺寸精度，以防止早期失效。

由于模具材料的硬度和组织是影响模具耐磨性能的重要因素，因此为了提高冷作模具的抗磨性能，通常要求模具硬度高于加工件硬度30%～50%，材料的组织为回火马氏体或下贝氏体，其上分布均匀、细小的颗粒状碳化物。要达到此目的，钢中的碳的质量分数一般都在0.60%以上。

2)较高的强度和韧性

模具的强度是指模具零件在工作过程中抵抗变形和断裂的能力。强度指标是冷作模具设计和材料选择的重要依据，主要包括拉伸屈服点、压缩屈服点等。屈服点是衡量模具零件塑性变形抗力的指标，也是最常用的强度指标。为了获得高的强度，在模具制造过程中，要模具材料的韧性，要根据模具工作条件来决定，对于强烈冲击载荷的模具，如冷作模具的凸模、冷镦模具等，因受冲击载荷较大，需要高的韧性。对于一般工作条件下的冷作模具，通常受到的是小能量多次冲击载荷的作用，模具的失效形式是疲劳断裂，因此模具不必具有过高的冲击韧度值。

3)较强的抗咬合性

咬合抗力实际就是对发生“冷焊”的抵抗能力。通常在干摩擦条件下，把被试验模具钢试样，与具有咬合倾向的材料（如奥氏体钢），进行恒速对偶摩擦运动，以一定速度逐渐增大载荷，此时转矩也相应增大。当载荷加大到某一临界值时，转矩突然急剧增大，这意味着发生咬合，这一载荷称为“咬合临界载荷”。临界载荷越高，标志着咬合抗力越强。

4)受热软化能力

受热软化能力反映了冷作模具钢在承载时温升对硬度、变形抗力及耐磨性的影响。表征冷作模具钢受热软化抗力的指标主要有软化温度（℃）和二次硬化硬度（HRC）。

2．冷作模具钢的工艺性能要求

冷作模具钢的工艺性能，直接关系到模具的制造周期及制造成本。对冷作模具钢的工艺性能要求，主要有锻造工艺性、切削工艺性、热处理工艺性等。

1)锻造工艺性

锻造不仅减少了模具材料的机械加工余量，节约钢材，而且改善模具材料的内部缺陷，如碳化物偏析、减少有害杂质、改善钢的组织状态等。

为了获得良好的锻造质量，对可锻性的要求是热锻变形抗力低、塑性好、锻造温度范围宽，锻裂、冷裂及析出网状碳化物倾向小。

2)切削工艺性

磨损小以及加工后模具表面光洁。冷作模具钢主要属于过共析钢和莱氏体钢，大多数切削加工都较困难，为了获得良好的切削加工性，需要正确进行热处理，对于表面质量要求较高的模具可选用含S、Ca等元素的易切削模具钢。

3)热处理工艺性

热处理工艺性主要包括：淬透性、淬硬性、耐回火性、过热敏感性、氧化脱碳倾向、淬火变形和开裂倾向等。2

选材根据冷作模具钢的性能要求及形状尺寸，材料的选用有以下几种情况。

(1)工作时受力不大、形状简单、尺寸较小的模具，可用碳素工具钢制造。

(2)工作时受力一般、形状复杂或尺寸较大的模具，可用低合金工具钢（如9Mn2V、9SiCr、9CrWMl3、CrWMn、Cr2等）制造。

(3)工作时受力大，要求高耐磨性、高淬透性、变形量小、形状复杂的模具，多用高碳高铬钢（Crl2、Crl 2MoV等）制造。又发展了几种Crl2型钢的代用钢（如Cr6WV、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV等），另外，也可选用高速钢、低碳高速钢（6W6M05Cr4V等）和基体钢（化学成分相当于高速钢正常淬火后的基体成分的钢）来制造这类模具。

(4)在冲击条件工作，刃口单薄的模具，采用韧性较好的中碳合金工具钢（如4CrW2Si、6CrW2Si等）制造。

选用方法冷作模具钢选用时需考虑加工方法、应力状态、成形加工对象的材料性质、生产数量、板材厚度等，此外模具的大小及尺寸精度也是不可忽略的因素。

负荷较小或小批量生产时使用低合金工具钢（SKS），负荷较大或大批量生产时使用冷作模具钢（SKD），负荷更大时选用高速工具钢及粉末高速工具钢。

适用于耐磨场合的有冷作模具钢、高速工具钢及高合金高速工具钢，适用于耐冲击场合的有8Cr-2Mo系模具钢和基体型高速工具钢。3