知识 | 金属材料热成形模具材料及其性能要求

俊儿1966 2019-08-20

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来源：特钢在线

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热成形模具主要包括凸、凹模、上下模板、导柱导套、紧固连接螺钉、销钉和卸料零件等，其中以凸模和凹模作为主要工作部分，频繁地与热变形材料接触、直接承受来自热成形件的高温变形抗力、摩擦阻力和由于剧烈摩擦而产生的热量，因此是容易磨损和损坏的零件，也是需要重点研究和提高使用寿命的关键零件。

一般情况下，凸模的损坏形式主要有以下几种：

(1)因结构设计不合理引起的损坏，如长径比过大导致凸模折断。

(2)因磨损引起的破坏，如凸模工作带柱面产生平行于挤压方向的条索状皱皮现象（将导致成形件的内孔粗糙度不合格）；或者凸模工作柱状部分和工作带下面的锥角产生严重的变形（将导致成形件的尺寸精度不合格）。

凹模的损坏形式主要有以下几种：

(1)凹模设计不合理引起的损坏，如凹模结构设计不合理时有可能沿轴线方向产生裂纹，或因变形抗力太大而沿直径方向开裂，即在凹模内孔底部或壁部产生裂纹，并使裂纹很快扩展。

(2)因磨损引起的破坏，模具磨损会使成形件的尺寸精度超差和表面质量达不到要求。

因此在高温成形条件下，模具材料应具有以下特性：

①很高的强度和韧性，以承受高静水压力、变形抗力和冲击载荷。

②一定的红硬性、耐热疲劳性和耐磨性，以承受交变应力和预热后的温升。

③良好的热处理性能和切削加工性能。

模具材料按照化学成分可分为碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢、高速钢和钢结硬质合金等。

碳素工具钢的生产成本较低，加工性良好，热处理后可得到较高的硬度和一定的耐磨性，用于制作尺寸不大、形状简单、受轻负荷的模具零件。但这类钢的淬透性差，淬火温度范围窄，淬火变形大，模具零件使用寿命相对低，不适于制作大中型和复杂的模具零件。

低合金工具钢因含有一定量的合金元素，所以比碳素工具钢有更高的淬透性与淬硬性，并有良好的耐磨性，一般情况下淬火变形较小，因此被广泛用来制作形状复杂、变形要求高的各种中小型模具。常用的低合金工具钢有9Mn2V、MnCrWV、CrWMn、9CrWMn、MnSi.9SiCr、GCr15等。买优质锻材到齐鲁特钢。18321606177

高合金工具钢中常用的高铬工具钢有Cr12、Cr12MoV，中铬工具钢有Cr6WV。高铬工具钢具有高淬透性、高耐磨性和热处理变形小等优点，被广泛用于制造承载大、生产批量大、形状复杂的模具零件。但该材料的碳化物分布不均匀，使强度大为降低，模具在工作时边缘崩落；此外，淬火加热温度的波动会引起组织和性能的很大变化。Cr12MoV由于含碳量较低，碳化物分布不均匀的情况有所改善，强度与韧性都较好。中铬工具钢Cr6WV可以部分代替Cr12钢。由于钢中含碳量显著减少，其碳化物分布不均匀性有很大改善，其冲击韧性和其他力学性能也较Cr12钢好。但Cr6WV钢的淬透性和淬硬性较Cr12型钢差，这种钢的淬火开裂倾向也较大，一般采用分级淬火或空冷，而不宜直接冷油淬火。

含铬低的空冷微变形工具钢有Cr4W2MoV、Cr2Mn2S1WMoV等。Cr4W2MoV钢的淬透性很高，回火稳定性较高，力学性能也较好，可以用来替代Cr12型钢。这种钢淬火后的硬度比Cr12型钢稍低。Cr2Mn2SiWMoV钢属过共析钢，与Cr12型钢相比，其碳化物分布均匀，淬火温度低(820～840℃)、过热敏感性小，而且可锻性优于Cr12钢。这种钢的淬透性较高，空冷淬火的变形量很小，Cr2Mn2SiWMoV钢的回火稳定性和力学性能均较好，耐磨性还稍高于Cr12钢。Cr2Mn2SiWMoV钢的最大缺点是软化退火困难，按一般退火工艺，硬度偏高。

常用于模具的高速钢有W18Cr4V、W6M05Cr4V2和6W6M05Cr4V。W18Cr4V钢和W6M05Cr4V2钢含合金元素很高，热处理后有高硬度、高红硬性和高抗压强度，但其碳化物不均匀性级别高低以及热处理工艺是否合理对模具寿命影响很大。W18Cr4V钢和W6M05Cr4V2钢都具有优良的淬透性，尺寸不大的模具零件，一般空冷即可淬硬。由于钢中含有大量的合金碳化物，故在很高温度下淬火仍能保持细晶粒，具有较高的力学性能。但当奥氏体化温度过高时，由于晶粒尺寸较大等原因，导致其强度和韧性变差。

钢结硬质合金以碳化物为硬质相，因此与一般硬质合金一样，具有比工具钢更高的硬度、耐磨性和较好的刚性，同时又由于存在钢基体，比一般硬质合金有更高的强度和韧性。材料经退火软化后，可承受各种切削加工，以制作形状较复杂的模具零件。同时，钢结硬质合金可热处理，经一定工艺的淬火、回火处理后，材料可获得较好的力学性能，并且淬火变形极小。目前，常用于模具的钢结硬质合金有GT35（以碳化钛为硬质相、铬钼钢为黏结相）和TLMW50（以碳化钨为硬质相、铬钼钢为黏结相）等。

热挤压模具最初常用热模钢3Cr2W8V来制造。为适应热挤压的需要，除3Cr2W8V外，像4Cr5W2VSi、4Cr5MoVSi、4Cr5MoVISi和4Cr4Mo2WVSi等国外通用或综合性能较好的热模钢也引入我国并得到应用。中国还自行研制了5Cr4W5Mo2V基体型热模钢。此外，在国标中还保留了低合金钢4SiCrV和8Cr3，主要用于轻负荷的热挤压模具。

3Cr2W8V过去常用于热挤压模和热剪切刀，由于含钨量高，该钢种具有高的热稳定性和耐磨性，但继续提高含钨量将会降低钢的韧性和耐热疲劳性能。减少3Cr2W8V中的含碳量则增加了钢的韧性和塑性。钢中加入铬能获得足够的淬透性，并使模具有较好的抗氧化和抗蚀性能，加入少量钒还可进一步改善钢的耐磨性。3Cr2W8V具有一定的综合力学性能，过去应用较广，但其耐热疲劳性和导热性较差，在使用中，模具易变形，产生磨损以至因热疲劳而失效。

4Cr5W2VSi、4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si的含铬量均为5%，并加入了其他元素(W、Mo、V、Si)。由于含铬量高，因而有较高的淬透性，尺寸较大的模具淬火时也可以空冷，均属冷硬化热作模具钢。这类钢经淬火和高温回火后，既具有很高的强度，又具有高韧性。此外，铬和硅还可以提高钢的抗氧化性和耐热疲劳性，钨和钒可以提高钢的耐磨性和热稳定性，以钼代钨不但可以增加淬透性，而且还可以增加韧性，提高耐热疲劳强度。4Cr5MoVSi和4Cr5MoVISi类钢性能良好，在国外已广泛用于制造铜及钢的热挤压模、高速锤锻模及冲头，也用于热锻模。国内试用来制造高速锻造齿轮模具、叶片锻造模具和中小型热锻模，效果较好。