第 3 章冷作模具材料

第3章冷作模具材料 冷作模具是指在冷态下完成对金属或非金属材进行塑性变形加工的工具。包括：冷冲裁模具、冷挤压模具、冷镦模具、冷拉深模具、拉丝模具、弯曲模具等。完成的工序有冲孔、落料、挤压、冷镦、拉深、滚丝、拉丝、弯曲、成型等。 3.1冷作模具材料的性能要求使用性能要求 1.良好的耐磨性2.高的强度3.足够的韧性4.良好的抗疲劳性5.良好的抗咬合能力工艺性能要求 1.可锻性 2.可切削性 3.可磨削性 4.热处理工艺性

3.2 冷作模具材料 3.2.1低淬透性冷作模具钢一、碳素工具钢 1.碳素工具钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.1低淬透性冷作模具钢 一、碳素工具钢 1.碳素工具钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.1低淬透性冷作模具钢 一、碳素工具钢 2.碳素工具钢的工艺性能：（1）锻造性能 T7A、T8A：1130～ 1160，≥800，空冷； T10A、T12A：1100～ 1140，800～850，空冷至 650～700℃再缓冷。（2）预备热处理为了消除锻坯的锻造应力，细化组织，降低硬度, 便于切削加工，为淬火作好组织准备。

3.2.1低淬透性冷作模具钢 一、碳素工具钢（3）淬火工艺

3.2.1低淬透性冷作模具钢 一、碳素工具钢碳素工具钢的淬透性较低，油淬临界直径为4～5mm，水淬临界直径为5～15mm。碳素工具钢的淬火变形大，淬火开裂倾向大。 T10A钢淬火硬度沿截面分布如图所示。（4）回火工艺

3.2.1低淬透性冷作模具钢 一、碳素工具钢 3.碳素工具钢的应用范围碳素工具钢价格便宜，在退火状态下具有较好的切削加工性能，通过热处理能获得较高的硬度和一定的耐磨性。但其淬透性低、淬火变形大、淬火开裂倾向大、耐磨性较差。因此，碳素工具钢适宜于制造尺寸较小、形状简单、载荷较轻、生产批量不大的冷作模具，如小型的切边模、落料模、拉深模等。二、GCr15钢（轴承钢） G表示轴承专用钢，Cr15是用千分数表示铬的含量为1.5﹪。 Cr15是在T10A钢（该类钢中综合性能为最好的）中加入了少量的铬而形成的（与Cr2钢相近）。少量的铬加入，提高了钢的淬透性，增加了回火稳定性，减少了淬火变形和淬火开裂倾向。

3.2.1低淬透性冷作模具钢 二、GCr15钢（轴承钢） 1.GCr15钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.1低淬透性冷作模具钢 二、GCr15钢（轴承钢） 1.GCr15钢的力学性能——与回火温度的关系可以看出：GCr15钢的各项力学性能指标均稍高于碳素工具钢。

3.2.1低淬透性冷作模具钢 二、GCr15钢（轴承钢） 2.GCr15钢的工艺性能（1）锻造工艺：加热温度1050～1100℃，始锻温度 1020～1080℃，终锻温度800～850℃，锻后空冷。（2）预备热处理

3.2.1低淬透性冷作模具钢 二、GCr15钢（轴承钢） 2.GCr15钢的工艺性能（3）淬火工艺 GCr15钢的常规淬火温度为830～860℃，常用冷却介质为油，油淬临界直径为25mm，过热倾向小、残余奥氏体量少、淬火变形和淬火开裂倾较小。（4）回火工艺 GCr15钢经淬火后，必须进行低温回火。GCr15钢制冷作模具时，一般采用160～180℃的回火。 3.GCr15钢的应用范围 GCr15钢的淬透性、淬硬性和耐磨性都较碳工具钢高，在淬火、回火时的尺寸变化也不大。因此，GCr15可用于小型的冷冲模、切边模、低压力下的冷镦模、冷挤压凹模、拉丝模等。

3.2.2低变形性冷作模具钢 一、CrWMn钢 CrWMn钢的合金含量较GCr15钢有所增加，合金总量达3.4﹪。钨形成碳化物（WC）使钢在淬火和低温回火后具有比GCr15钢和9CrSi钢更多的过剩碳化物和更高的硬度及耐磨性（但钢的锻造性、加工工艺性有所下降）；此外，钨还有助于保存细小晶粒，从而使钢获得较好的韧性。

3.2.2低变形性冷作模具钢 1.CrWMn 钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.2低变形性冷作模具钢 1.CrWMn 钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.2低变形性冷作模具钢 2.CrWMn钢的工艺性能（1）锻造工艺加热温度1100～1150℃，始锻温度1050～1100℃，终锻温度800～850℃，锻后空冷至650～700℃后再缓冷。该钢碳化物偏析比较严重（含W的原因），锻后缓冷易形成网状碳化物。对于大规格的钢材，为了避免碳化物不均，有时需要反复镦粗拔长，以便提高最终热处理后的力学性能。

3.2.2低变形性冷作模具钢 2.CrWMn钢的工艺性能（2）预备热处理正火工艺曲线等温球化退火工艺曲线

3.2.2低变形性冷作模具钢 2.CrWMn钢的工艺性能（3）淬火工艺 CrWMn钢的常规淬火温度为820～ 850℃，淬火介质有油、硝盐、碱等，油淬临界直径为30～ 50mm。该钢淬透性较好，淬火变形较小。对于形状较复杂、要求变形小的模具常采用等温淬火（等温温度在90～160℃之间），等温淬火后其强度、硬度、韧性等各项力学性能指标均好普通淬火（即单液淬火）。（4）回火工艺 CrWMn钢制冷作模具时，一般采用200～220℃的回火。 3. CrWMn 钢的应用范围 CrWMn钢的淬透性较好，淬硬性好、淬火变形较小，但耐磨性不够高。因此，用于形状较复杂、精度较高、载荷较轻的冷冲模、切边模、冷镦模、冷挤压模的凹模、拉丝模、拉伸模等。

3.2.2低变形性冷作模具钢 二、9Mn2V钢 9Mn2V钢的合金含量较CrWMn钢低，合金总量达2﹪。没有了W，碳化物不均匀性和淬火开裂倾向较CrWMn钢小，又加入了少量V（WV≈0.2﹪）来细化奥氏体的晶粒，降低锰钢的过热敏感性。与CrWMn钢相比，该钢的冷热加工性要好，但强度、硬度、淬透性、淬透硬性、回火稳定性稍低。

3.2.2低变形性冷作模具钢 1.9Mn2V 钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.2低变形性冷作模具钢 1.9Mn2V 钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.2低变形性冷作模具钢 2.9Mn2V钢的工艺性能（1）锻造工艺：加热温度1080～1120℃，始锻温度 1050～1100℃，终锻温度800～850℃，锻后空冷至650～ 700℃后再缓冷。（2）预备热处理：采用等温球化退火，其工艺为：加热温度750～770℃，保温3h，等温温度680～700℃，保温3～ 5h，炉冷至500℃再空冷。退火后的硬度≤229HBS，切削加工性较好。（3）淬火工艺：9Mn2V钢的常规淬火温度为780～ 840 ℃（Ms=125℃），淬火温度范围宽，淬火冷却介质为油，油淬临界直径为30mm，淬火变形较小。（4）回火工艺：9Mn2V钢制冷作模具时，一般采用160～ 180℃的回火，回火硬度值≥60HRC。 3.9Mn2V钢的应用范围：该钢适于制造一般要求的、尺寸较小的冲模及冷压模、雕刻模、落料模等。

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 低变形性冷作模具钢的性能虽然优于碳素工具钢，但其耐磨性、强韧性、淬火硬性、变形要求等仍不能满足形状复杂的重载冷作模具的需要，在使用中易发生折断、弯曲和磨损。一、Cr12MoV钢 Cr12MoV钢与Cr12钢相比，含C量降低，增加了少量的 Mo、V，其碳化物的不均匀性得以改善。

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 一、Cr12MoV钢 1.Cr12MoV钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 一、Cr12MoV钢 1.Cr12MoV钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 一、Cr12MoV钢 2.Cr12MoV钢的工艺性能（1）锻造性能：Cr12MoV钢的变形抗力较大，锻造性较差。锻造工艺一般为：加热温度1020～1120℃，始锻温度 1000～1060℃，终锻温度850℃，锻后缓冷。冷至400～ 500℃可进行退火处理。常规锻造后使钢中的碳化物不均匀性得以改善，利用锻造后余热进行淬火可使碳化物粒度变细，棱角变圆，奥氏体晶粒度达到超细化水平。（2）预备热处理：采用等温球化退火，其工艺为：加热温度850～870℃，保温2～3h，等温温度720～740℃，保温 3～4h，炉冷（≤30℃/ h）至550℃再空冷。退火后的硬度 207～255HBS，切削加工性较差。

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 一、Cr12MoV钢 2.Cr12MoV钢的工艺性能（ 3）淬火工艺： Cr12MoV钢（Ms=180℃）淬火加热需经两次预热，第一次预热温度550～600℃，第二次预热温度840～860℃。因钢易脱碳，加热时注意采取保护措施。 Cr12MoV钢的淬火加热温度范围宽，常规淬火温度为 1020～1050℃，可采用950～1000℃的低温淬火（20～60℃ 的油冷）或采用1020～1040℃的中温淬火（油或硝盐冷），或采用1080～1100℃的高温淬火（油或硝盐冷却），淬透性高，截面为300～400mm以下者可以完全淬透，淬火变形微小。

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 一、Cr12MoV钢 2.Cr12MoV钢的工艺性能（4）回火工艺：Cr12MoV钢经淬火后，可进行180～ 200℃的低温回火（低淬时），此时钢制模具具有高的硬度及较高的韧性，但抗压强度低；也可进行400℃左右的中温回火（中淬时），此时钢制模具具有高的强韧性配合，即较高硬度和抗压强度，强韧性适中；也可进行三次500～520℃的高温回火（高淬时），此时钢制模具具有较高硬度及抗压强度，但韧性较差。应避开在275～375℃的脆性区内回火。 3.Cr12MoV钢的应用范围可用于制造断面较大、形状复杂、经受较大冲击负荷的各种模具和工具，如形状复杂的冲孔凹模、复杂模具上的镶块、钢板深拉伸模、拉丝模、螺纹搓丝板、冷挤压模、粉末冶金用冷压模、陶土模、冷切剪刀、圆锯、标准工具、量具等。

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 二、Cr4W2MoV钢 1.Cr4W2MoV钢的力学性能——与淬火温度的关系 Cr4W2MoV钢是一个新型中合金冷作模具钢，性能比较稳定，其模具的使用寿命较Cr12、Cr12MoV钢制模具有较大的提高。

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 二、Cr4W2MoV钢 1.Cr4W2MoV钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 二、Cr4W2MoV钢 2.Cr4W2MoV钢的工艺性能（1）锻造性能：Cr4W2MoV钢的热加工温度范围较窄，变形抗力较大，锻造性较差。锻造工艺一般为：加热温度 1130～1150℃，始锻温度1040～1060℃，终锻温度850℃，锻后缓冷。（2）预备热处理采用等温球化退火，软化困难，其工艺为：加热温度840～860℃，保温4～6h，等温温度750～ 770℃，保温3～6h，炉冷（≤30℃/ h）至550℃再空冷。退火后的硬度≤241HBS，切削加工性尚可，可进行微细化处理来细化晶粒。

3.2.3高耐磨微变形冷作模具钢 （3）淬火工艺：Cr4W2MoV钢（Ms=142℃）淬火加热需经两次预热，第一次预热温度300～400℃，第二次预热温度 800～850℃。常规淬火温度为980～1020℃，可采用960～ 980℃的低温淬火（20～60℃的油冷或空冷）或采用1020～ 1040℃的高温淬火，淬硬深度较大，淬火变形小。（4）回火工艺：可进行三次520℃的高温回火（高淬时），此时钢具有高的耐磨性和热硬性；也可进行200～290℃ 的低温回火（低淬时），此时钢具有良好的强韧性。回火后硬度值≥60HRC。 3.Cr4W2MoV钢的应用范围：该钢的主要特点是共晶碳化物颗粒细小，分布均匀，具有较高的淬透性和淬硬性，并且具有较好的耐磨性（比Cr12MoV钢好）和尺寸稳定性，是 Cr12型钢的替代钢种。可用于制造各种冲模、冷镦模、落料模、冷挤凹模及搓丝板等模具——重载、形状复杂的模具。

3.2.4高强度高耐磨冷作模具钢 高强度高耐磨冷作模具钢具有高的强度、高的抗压性、高的耐磨性和高的热稳定性。高速工具钢是它的典型代表，用于作冷作模具材料，如重载冲头。与 Cr12MoV相比，韧性、抗扭转性能和耐磨性稍差，其它性能都优于Cr12MoV钢。 W6Mo5Cr4V2 由于具有良好的热塑性和细小均匀的碳化物分布等优点，正在逐步取代W18Cr4V钢。

3.2.4高强度高耐磨冷作模具钢 1.W6Mo5Cr4V2钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.4高强度高耐磨冷作模具钢 1.W6Mo5Cr4V2钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.4高强度高耐磨冷作模具钢 2.W6Mo5Cr4V2钢的工艺性能（1）锻造性能：W6Mo5Cr4V2钢的变形抗力较大，锻造性较差。锻造工艺一般为：加热温度1140～1150℃，始锻温度1040～1080℃，终锻温度900℃，锻后缓冷。高速钢的铸态组织中存在莱氏体，这种粗大的共晶碳化物不能用热处理方法来消除，只能用锻造方法将其击碎，并使其均匀分布。因此，高速钢的锻造具有成形和改善碳化物分布的双重作用，是非常重要的加工过程。为得到细小均匀的碳化物，通常采用反复锻打，且要求锻造比大，锻后必须缓慢冷却。（2）预备热处理采用等温球化退火，其工艺为：加热温度860～880℃，保温2～4h，等温温度740～760℃，保温2～ 4h，炉冷（≤30℃/ h）至550℃再空冷。退火后的组织为索氏体+粒状渗碳体，硬度≤255HBS，切削加工性较差。——只能做小型模具（或镶块）的原因之一，另一个原因则是价格。

3.2.4高强度高耐磨冷作模具钢 （3）淬火工艺：W6Mo5Cr4V2钢热导性差，为防止淬火变形和开裂，淬火加热时应分段预热，第一次预热温度约 400℃，第二次预热温度840～860℃。因易氧化脱碳，加热时注意采取保护措施。常规淬火温度为1150～1200℃（20～ 60℃的油冷）或采用等温淬火（等温温度230℃），钢的淬透性好，淬火变形小。钢的淬火加热温度高，溶入奥氏体中的合金元素多，淬火后马氏体中合金元素的含量越高，高速钢的热硬性就好。但淬火加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，会降低钢的韧性。该钢淬火后的组织为马氏体+未溶合金碳化物+残余奥氏体。（4）回火工艺 W6Mo5Cr4V2钢经淬火后，残余奥氏体量达20～30﹪（体积分数），需进行三次560℃左右的高温回火。回火后的硬度≥60HRC。W6Mo5Cr4V2钢制冷作模具时，为了防止折断和崩刃，可采用低温淬火+低温回火……

3.2.5抗冲击冷作模具钢 高速钢具有高的抗压强度、高的耐磨性，但其韧性低，易脆断，不能满足承受较大冲击载荷的模具，如冷镦模具、冷剪模具、中厚板冲裁模具等。材料的冲击韧性高可从以下几个方面来体现，首先是含碳量在0.5﹪左右，其次是材料中含一定量的有硅，再次是材料中含有一些组成高韧性的合金元素，如Cr、Ni、Mo、V等。铬钨硅系钢是在铬硅钢的基础上加入一定量的钨而形成的钢种，由于加入了钨而有助于在进行淬火时保存比较细的晶粒，这就有可能在回火状态下获得较高的韧性。铬钨硅系钢常见的钢有4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si，它们的合金组成及含量相近，只是含碳量不同。它们的共同特点是碳化物少，组织均匀，淬火组织以板条状马氏体为主，具有高的抗弯强度、高的冲击疲劳抗力、高的韧性和一定的耐磨性；但其抗压强度低，热稳定性差，淬火变形难以控制。

3.2.5抗冲击冷作模具钢 1.铬钨硅系钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.5抗冲击冷作模具钢 1.铬钨硅系钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.5抗冲击冷作模具钢 2.铬钨硅系钢的工艺性能（1）锻造性能：铬钨硅系钢的变形抗力小，锻造性良好。锻造工艺为：加热温度1150～1180℃，始锻温度1100～ 1080℃，终锻温度850℃，锻后缓冷。（2）预备热处理：采用高温软化处理（又称不完全退火），其工艺为：加热温度800～820℃，保温3～5h，炉冷（≤30℃/ h）至600～650℃再空冷。退火后的硬度≤179～ 255HBS，切削加工性良好。（3）淬火工艺：铬钨硅系钢（Ms分别为315℃、295℃、 280℃）有脱碳敏感性，加热时应采取保护措施，防止工件脱碳。铬钨硅系钢的常规淬火温度为860～900℃，淬火介质为油（20～40℃），油淬临界直径为30～50mm，钢的淬透性较好、淬火变形难以控制。

3.2.5抗冲击冷作模具钢 2.铬钨硅系钢的工艺性能（ 4）回火工艺：铬钨硅系钢经淬火后，可采用低温回火（200～250℃），回火后的硬度≥53HRC。也可采用中温回火（430～470℃），回火后的硬度≥45HRC。 3.铬钨硅系钢的应用范围： 4CrW2Si钢：用于制造高冲击载荷作用下操作的工具，如风动工具、錾、冲裁切边复合模、冲模、冷切用的剪刀等冲剪工具，以及部分小型热作模具。 5CrW2Si钢：综合力学为最好。通常用于制造冷剪金属的刀片、铲搓丝板的铲刀、冷冲裁和切边的凹模等。 6CrW2Si钢：具较高的淬火硬度和一定的高温强度通常用于制造承受冲击载荷而又要求耐磨性高的工具，如风动工具，凿子和冲击模具，冷剪机刀片，冲裁切边用凹模，空气锤用工具等。

3.2.6高强韧性冷作模具钢 高强韧性冷作模具钢是指强度和韧性兼顾的模具钢。虽然中铬钢、高铬钢、高速钢具有高强度、硬度、红硬性和耐磨性，但因碳化物数量多而韧性不足。低合金钢虽有较高的韧性和塑性，但强度、红硬性和耐磨性都不及高速钢，故其制作的模具寿命不高。高强韧性冷作模具钢就兼顾了上述两类钢的优点。一、6W6Mo5Cr4V钢——简称6W6 属于降碳型高速钢，与高速钢W6Mo5Cr4V2相比，碳的质量分数降低了约0.21﹪，钒的质量分数降低了约1.05~1.11﹪。由于碳、钒含量的降低，碳化物总量减少，碳化物不均匀性得到改善。淬火硬化状态（未回火时）的抗弯强度和塑性提高了 30~50﹪，冲击韧度提高了50~100﹪，但淬火硬度减少了2~ 3 HRC。

3.2.6高强韧性冷作模具钢 1.6W6Mo5Cr4V钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.6高强韧性冷作模具钢 1.6W6Mo5Cr4V钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.6高强韧性冷作模具钢 2.6W6Mo5Cr4V钢的工艺性能（1）锻造性能：6W6钢的锻造性良好。锻造工艺一般为：加热温度1100～1140℃，始锻温度1050～1100℃，终锻温度 800℃，锻后缓冷。（2）预备热处理：采用等温球化退火，其工艺为加热温度840～860℃，保温2～4h，等温温度740～760℃，等温时间 4～6h，炉冷（≤30℃/ h）至500℃再空冷。退火后的硬度 ≤197～229HBS，切削加工性良好。（3）淬火工艺：6W6钢有脱碳敏感性，加热时应采取保护措施，防止工件脱碳。6W6钢的常规淬火温度为1180～ 1200℃，淬火介质为油、硝盐、碱，适合于采用分级淬火和等温淬火，钢的淬透性好，淬火变形小。（4）回火工艺：可采用三次560～580℃的高温回火，回火后的硬度≥60HRC。

3.2.6高强韧性冷作模具钢 3.6W6钢的应用范围：用来替代高速钢、高铬钢制作黑色金属冷挤压冲头或冷镦冲头（小型重载）；可通过氮碳共渗来提高其耐磨性。二、6Cr4W3Mo2VNb钢——简称65Nb 它是基体钢，所谓基体钢是指具有高速钢正常淬火后的基体成分的钢。65Nb钢与高速钢相比，碳、钨、钼的含量要低，加入了少量的铌，钢的过剩碳化物少且细小又均匀。这种合金化的特点，既保证了该钢的强度、硬度和耐磨性，又具有较高韧性和抗疲劳性，钢的加工工艺性能也得到了极大的改善。

3.2.6高强韧性冷作模具钢 1.6Cr4W3Mo2VNb钢的力学性能——与淬火温度的关系

3.2.6高强韧性冷作模具钢 1.6Cr4W3Mo2VNb钢的力学性能——与回火温度的关系

3.2.6高强韧性冷作模具钢 2.6Cr4W3Mo2VNb钢的工艺性能（1）锻造性能：65Nb钢的锻造性良好。锻造工艺为：加热温度1120～1150℃，始锻温度1080～1120℃，终锻温度 850℃，锻后缓冷。（2）预备热处理：采用等温球化退火，其工艺为：加热温度850～860℃，保温2～4h，等温温度740～750℃，等温时间4～6h，炉冷（≤30℃/ h）至500℃再空冷。退火后的硬度 ≤183～207HBS，切削加工性良好。若等温时间延长至9h，硬度降低到187HBS，则可以冷挤压成形，这是65Nb钢的最大优点。（3）淬火工艺：65Nb钢的常规淬火温度为1080～ 1160 ℃，淬火介质为油、硝盐、碱，适合于采用等温淬火，等温淬火工艺为270℃等温28min或180℃等温1h。钢的淬透性好，淬火变形小。

第 3 章 冷作模具材料