冷作模具鋼及其熱處理方法

張東偉

（江蘇聯合職業技術學院 徐州機電工程分院，江蘇 徐州221011）

1 冷作模具鋼的性能、化學成分及其種類

1.1 冷作模具鋼需滿足以下性能要求。

（1）高的硬度和耐磨性，工作時保持鋒利的刃口；

（2）較高的強度和韌性，工作時刃部不易崩裂或塌陷；

（3）較好的淬透性，保證淬火態有較高的硬度和一定的淬透深度；

（4）較好的加工工藝性能，熱處理變形小，在復雜斷面上不易淬裂。

1.2 冷作模具鋼的化學成分特點

（1）高碳：碳的質量分數一般在1%左右，個別達2.0%，以保證高硬度和高耐磨性。

（2）高合金：常用的合金元素有Cr、Mn、Mo、W、V 等。Mn、Cr 等能提高淬透性，碳化物形成元素能形成難溶碳化物，細化晶粒、提高耐磨性。

1.3 常用冷作模具鋼的種類

冷作模具鋼使用的鋼材分為：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高鉻及中鉻模具鋼、基體鋼、高速鋼等。

（1）碳素工具鋼和低合金工具鋼：碳素鋼一般選用高級優質碳素工具鋼，以改善模具的韌性。對耐磨性要求較高、不受或受沖擊較小的可選用T13A、T12A；對受較大沖擊的模具則應選擇T7A、T8A；而對耐磨性和韌性均有一定要求的模具(如冷鐓模)可選擇T10A。優點是加工性能好、成本低；缺點是淬透性低、耐磨性欠佳、淬火變形大、使用壽命低。故一般只適合制造尺寸小、形狀簡單、精度低的輕負荷模具。

表1 冷作模具鋼的選用舉例

（3） 低合金工具鋼常用的鋼號有9Mn2V、9SiCr、CrWMn和滾動軸承鋼GCrl5。優點是低合金工具鋼具有較高的淬透性、較好的回火穩定性、較好的耐磨性和較小的淬火變形，綜合力學性能較好。缺點是網狀碳化物傾向較大，因韌性不足而可能導致模具的崩刃或折斷等早期失效。常用于制造尺寸較大、形狀較復雜、精度較高的低中負荷模具。

（4）高鉻和中鉻冷作模具鋼：是一種專用的冷作模具鋼，具有更高的淬透性、耐磨性和承載強度，且淬火變形小，廣泛用于尺寸大、形狀復雜、精度高的重載冷作模具。高鉻模具鋼Crl2 型常用的有三個牌號：Crl2 和Crl2MoV、Crl2Mo1V1。Crl2鋼的ωC 高達2.0%～2.3%，屬萊氏體鋼。它具有優良的淬透性和耐磨性，但韌性較差，多用于小動載條件又要求高耐磨或形狀簡單的拉伸模和沖裁模，在正確設計的情況下可以沖壓厚度小于6mm 的鋼板。Crl2MoV 和Crl2Mo1V1 的ωC 降至1.45%～1.70%和1.40%～1.60%。它們有相似的性能和較好的淬透性，在保持Crl2 鋼優點的基礎上，其韌性得以改善，具有一定的熱硬性，在用于對韌性不足而易于開裂、崩刃的模具上，已取代Crl2 鋼；若要求具有好的抗回火穩定性時，則宜選擇鉬和釩質量分數較高的Crl2Mo1V1 鋼。

高碳高鉻型鋼是一種萊氏體鋼，鍛造與預備熱處理方式與高速鋼相似，退火后的硬度低于255HBW（見表1）。

2 常用冷作模具鋼的熱處理方法

2.1 碳素工具鋼和低合金工具鋼的熱處理方法

熱處理工藝包括球化退火、淬火與低溫回火。由于模具尺寸大、精度要求高，為增加淬透層深度，適當提高淬火溫度，延長保溫時間。加熱溫度一般提高10～30℃。采用緩慢升溫或分級預熱，以防變形。變形要求嚴格，厚度＜35mm 碳素鋼模具和厚度＞35mm 的低合金模具鋼，可采用堿液分級淬火。

2.2 高鉻和中鉻冷作模具鋼的熱處理方法

（1）一次硬化法：采用較低的溫度淬火，再低溫回火。Crl2MoV鋼導熱性差，淬火前通常進行兩次預熱。溫度分別為：400～500℃和800～850℃，淬火溫度為：1030～1050℃。Crl2 鋼只采用一次硬化法，淬火溫度為950～980℃，回火溫度為180～200℃，保溫時間為2～3h。一次硬化處理使鋼具有高的硬度和耐磨性，較小的熱處理變形。大多數Crl2 鋼制冷作模具均使用此工藝。

（2）二次硬化法：高溫下淬火，再多次高溫回火，使殘余奧氏體轉變為馬氏體，達到二次硬化。Crl2MoV 鋼的淬火溫度為1080～1120℃，回火溫度為500～520℃，每次1h，回火次數為3～4 次。這樣能獲得高硬度和高熱硬性，但韌性降低，尺寸會漲大。

（3）中鉻模具鋼是針對Crl2 型高鉻模具鋼中碳化物多而粗大，且分布不均勻的缺點發展起來的鋼種。典型的牌號有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MolV，其中Cr4W2MoV 使用較多。此類鋼的ωC 進一步降至1.0%～1.25%，突出的優點是形成的碳化物細小且呈均勻分布狀態，韌性明顯改善，熱處理變形小，綜合力學性能較佳。可用于代替Crl2 型鋼制造易崩刃、開裂與折斷的冷作模具，其壽命大幅度提高。

（4）Cr6WV 鋼的淬火溫度為960～980℃，熱油淬火。由于這種鋼的淬火開裂傾向比高碳高鉻鋼大，所以在熱處理時應注意預熱和熱介質淬火，并及時回火。回火溫度在160～200℃，保溫時間為1.5～3h。

2.3 基體鋼和低碳高速鋼類冷作模具鋼熱處理方法

對要求高耐磨性的模具(如某些冷擠壓的沖頭)也有采用高速鋼來制造的，為提高它的韌性而研究發展了基體鋼，基體鋼中共晶碳化物數量少且細小均勻，韌性也相對提高了。近年來研制的基體鋼是以W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2 鋼的基體成分為基礎發展改性的。其中含鎳基體鋼6Cr4Mo3Ni2WV的強度和斷裂韌度都較高，但其熱加工時易產生內裂而報廢，生產成本高。含鈦基體鋼中6W8Cr4VTi 有較高的硬度、強度和高溫性能以及回火穩定性，多用于冷沖切邊模具等。而6Cr5Mo3W2VSiTi 則相對有較好的強韌性，多用于承受沖擊載荷較大的冷擠壓冷沖壓模具。6Cr4W3Mo2VNb 和6W6Mo5Cr4V鋼有較好的加工工藝性、高強度及較好的韌性，且耐磨性也好，一般多用于要求高強韌性的冷擠壓模和冷沖模。基體鋼具有更加優良的強韌性，不僅可用做冷作模具鋼，也可用做熱作模具鋼。由于低碳高速鋼(如6W6Mo5Cr4V 等)碳質量分數或合金元素質量分數下降，碳化物數量減少且均勻性提高，使鋼的強韌性明顯改善，常用于高沖擊載荷下要求耐磨損的模具（見表2）。

表2 常用冷作模具鋼的熱處理規范

［1］鄧明.實用模具設計簡明手冊[M].北京：機械工業出版社,2006,3.

［2］王鵬駒.模具技術手冊（輕工模具手冊之一）[M].北京：機械工業出版社,1997.

［3］廖念釗，古瑩庵，李碩根.互換性與技術測量[M].北京：中國計量出版社,2000.

［4］我國塑料模具近幾年的發展概況[OL].http： www.zaome.eom/read/6039.

［5］歐美模具企業考察報告[OL].中國模具在線，http：//www.mouldnet.com.

［6］楊宗毅.使用軋鋼技術手冊[S].1995.

［7］崔崑.國內外模具用鋼發展概況[J].金屬熱處理,2007(01).