冷沖壓模具常用金屬材料及其熱處理工藝研究

王婷

摘 要：工業生產的很多領域都離不開模具，而模具材料是制造模具的基礎。廣泛使用的模具材料其種類是非常多的，我們所謂的模具材料，其內涵至少包括兩個方面：一是材料的組成，也就是材料是由什么金屬或其它某些物質制作而成的；二是材料獲取的工藝流程，也就是制造這種材料所需采用的各種流程處理方式。只有完全地解決了這兩個問題，才能得到想要的模具制造材料，做出滿足實際生產需要的模具。

關鍵詞：冷沖壓模具；金屬材料；熱處理工藝

中圖分類號：TG385 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0069-02

Abstract： Many fields of industrial production can not be separated from molds， and mould materials are the basis of mold manufacturing. There are many kinds of mould materials which are widely used. The connotation of the so-called mould materials includes at least two aspects： one is the composition of materials. That is， the material is made from some metal or some other substance； The second is the process of material acquisition， that is， the process of manufacturing this material to adopt a variety of processing methods. Only by solving these two problems completely can we get the desired mould manufacturing material and make the mould meet the actual needs of production.

Keywords： cold stamping die； metal material； heat treatment process

通常情況下，在選用冷沖壓模具材料時要首先考慮該批工件的數量，如果數量不多就沒必要去選擇那種具有更長使用壽命的材料，這樣可以大幅降低生產的成本。其次，還需要考慮到被冷沖壓工件加工材料的材質，不同的材質具有反差極大的沖壓性能，適用的模具材料也會明顯不同。對于沖壓模具來說，金屬材料的耐磨性能基本決定了模具的使用壽命。我們知道，鋼材的耐磨性完全取決于鋼材內部碳化物等物質構成硬質點的實際狀況及鋼材基體本身的硬度，當這兩者均能保持較高的硬度時，材料內含有越多的碳化物，其表現出的耐磨性就會越好。具體來說，工業生產經常用到的沖壓模具其鋼材的耐磨性從好到差的排列依次為：硬質合金-鋼結硬質合金-高速鋼-高碳高鉻鋼-基體鋼-合金工具鋼-碳素工具鋼。此外，還要考慮到工件及模具的形狀、厚度、精度、尺寸等要求對選擇模具材料的具體影響。

1 冷沖壓模具常用金屬材料

根據模具使用的條件對模具所用的材料進行分類，基本可以分三種：塑料模具鋼、熱作模具鋼、冷作模具鋼。本文重點討論冷作模具鋼，冷作模具鋼又主要包括冷擠壓模、冷沖裁模、冷沖壓模、冷鐓模等幾種。模具制作過程中，要對加工設備和模具進行分離，分離時模具的切削刃因摩擦等原因導致發熱其溫度高達200攝氏度以上，在模具加工的過程中模具材料會因機械力而受沖擊、拉伸、壓縮、摩擦以及彎曲等外部作用，常發生磨損、變形、斷裂等問題。因此，對冷模具材料的要求通常需要具有優異的抗咬和、抗變形、抗弱化、抗斷裂、耐疲勞等性能。這也是對模具材料提出了更高的要求，要解決這些問題必然要增加生產的成本。

1.1 碳素工具鋼材料

在我國碳素工具鋼的產量非常大，使用也非常廣泛。這主要是因為碳素工具鋼具備一些顯而易見的優點：第一，可鍛性好，方便鍛造成所需的形狀；第二、退火易軟化，退火之后迅速軟化，便于下一步的加工流程；第三、切削加工性好，因為碳素工具鋼硬度小，非常容易進行切削處理；第四、價格便宜，這是決定碳素工具鋼得以廣泛使用的根本原因。但同時，碳素工具鋼也還存在許多不足之處，比如淬透性低，就得額外通過水作為加工過程中的冷卻劑，如此就會造成碳素工具鋼會發生更多的變形及斷裂等問題。就是因為碳素工具鋼具備的這些優缺點，它只適合被用來制作模具一般都具有這樣的特點：尺寸較小，受力不大，形狀較為簡單，且對形狀的變行要求不是很高，用碳素工具鋼制作這樣的模具，可以節省大量資源，但對于那些大型、大受力、形狀復雜、對形狀變形要求高的模具用碳素工具鋼就非常不適合了。

1.2 高碳高鉻模具鋼材料

與碳素工具鋼相比，高碳高鉻模具鋼表現出了更好的淬硬性、淬透性、耐磨性，高碳高鉻模具鋼因為本身的特性而不容易發生變形等情況，被看作是高耐磨及微變形模具鋼，但高碳高鉻模具鋼要比高速鋼在承載能力方面稍低。高碳高鉻模具鋼的缺點是碳化物有比較嚴重的偏析問題，在實際沖壓過程中必須對其反復進行改鍛、鐓拔，以逐步改善材料內碳化物的均勻水平，如此才會提升高碳高鉻模具鋼的使用性能。

1.3 高速鋼材料

目前使用的高速鋼，多是采用通過添加鉬系元素等方式鍛造出來的，高速鋼因而具有了非常優秀的使用性能，優勢最明顯的地方就是熱塑性及強韌性都非常高，也因此獲得非常大的發展空間，在冷作模具高精度及大批量工業化生產中，占有非常重要的地位。

1.4 超硬高速鋼材料

基于超硬高速鋼是對高速鋼的一種變體，生產超硬高速鋼的目的就是為了滿足難切削材料的需要，通過一些特殊工藝的處理，進一步強化了沖壓材料的硬度。但問題是，增加了硬度的同時，也造成了一些問題。比如抗彎曲能力差、韌性差、加工困難。導致這些問題主要原因是超硬高速鋼為了提高自身的硬度，就不得不提高其碳含量。而當碳含量超過一定程度時，就難免會出現過燒等現象，導致材料的柔韌性降低等材料缺陷。endprint

1.5 基體鋼材料

因為高速鋼和超硬高速鋼本身存在的一些問題，實際工業上的解決辦法就是通過添加少量的其它成分，在高速鋼的基本成分中適當增減碳的含量，用來改善高速鋼的沖壓性能，我們把通過這種工藝生產的鋼統一定義為基體鋼。基體鋼屬于冷作模具鋼中偏強韌性的一種，這種鋼材料具備了高速鋼和超硬高速鋼的幾乎所有優點，并且對基體鋼的生產其成本也遠低于高速鋼。基體鋼的發明，對于模具材料的發展有著非常重大的意義。

1.6 硬質合金及鋼結硬質合金材料

如果只從硬度和耐磨性兩個方面考慮，硬質合金要比前述幾種模具鋼都高出很多，但如果只從抗彎強度和韌性兩個方面考慮，硬質合金的性能就要差很多。對硬質合金進行改良的辦法就是采用鐵粉和少量合金粉末來做粘合劑，并且用碳化鎢和碳化鈦做硬質相，然后通過粉末冶金的加工方法來燒結而成，成品即鋼結硬質合金。由于鋼結硬質合金的基體材料仍然還是鋼材料，所以可對其進行焊接、切削、熱處理和鍛造等加工措施。

2 熱處理工藝

在工業生產中，模具制造其成本一直居高不下，尤其精密復雜程度要求更高的壓鑄模、塑料模、冷沖模等，更是如此。對模具材料進行深度加工，最為普遍采用的就是熱處理工藝。采用熱處理技術可以大幅改善模具本身的使用性能，并能夠大幅提升模具的使用壽命，所以具有比較可觀的經濟利益，也得到了極大范圍內的推廣和使用。

2.1 真空熱處理工藝

真空熱處理工藝可以令模具鋼材料保持非常好的表面性能狀態，整體變形較小。之所以會發生這樣的情況，主要是因為進行真空加熱時，模具鋼材料的表面仍然保持活性狀態，因而不會發生明顯的脫碳現象，也不會產生氧化膜阻礙材料冷卻。真空加熱可以使模具鋼的表面產生脫氣的效果，所以材料本身就擁有了比較好的力學性能，增高加工爐內的真空程度，則材料的抗彎強度也會逐步提升。經過真空淬火處理后，模具鋼的斷裂韌性能也會有進一步改善，經實際測算，真空熱處理工藝處理過的模具其壽命要比常規工藝處理過的模具壽命提升40%。冷沖壓模具真空熱處理技術目前已比較成熟，在實際生產中得到廣泛使用。

2.2 深冷處理工藝

與真空熱處理工藝相類似，對模具鋼進行深冷處理也能夠優化材料的力學性能，并延長模具的使用壽命。具體就工藝的流程來說，對模具鋼進行深冷處理可設置在淬火及回火工序中間，也可在淬火和回火后再進行。通過深冷處理后，模具鋼耐磨性和抗回火穩定性都有明顯改善。深冷處理工藝不僅在冷作模具的加工過程中得到廣泛使用，還可用于對硬質合金和熱作模具進行深加工處理。

2.3 模具的高、降溫淬火工藝

實際生產中，還可以采用高于常規淬火溫度的方式對一些模具鋼進行處理，而對另一些模具鋼進行降溫淬火，經過這些處理能夠有效減少模具鋼材料內部碳化物的含量，改善了材料的形態和性能。淬火處理后，能夠有效延長模具的實際使用壽命。

2.4 化學熱處理工藝

一般情況下，化學熱處理工藝大多都能用于對模具鋼進行表面處理，經過化學熱處理工藝后，可有效改善模具鋼表面耐蝕、耐磨、抗氧化等性能。對合金鋼模具進行高溫回火處理，都可以同時實施氮碳共滲以及表面滲氮。目前工廠里比較廣泛地被采用的化學熱處理工藝主要有高頻滲氮、滲氮工藝離子滲氮工藝。這其中，采用離子滲氮工藝的優點是可有效縮短滲氮的時間，同時還能夠獲得更高質量的表面滲層，進而提升沖壓模具的抗蝕、耐磨、抗熱疲勞等性能。

3 結束語

當今的信息社會，工業化生產極大繁榮，一方面，大批量生產極大降低了生產成本，另一方面，個性化訂制也滿足了人們更多獨特需求。無論是大批量生產，還是個性化訂制，模具都起到了至關重要的作用。隨著經濟的飛速發展，各種用途的模具越來越多出現在人們的視野里，也越來越多地被人們所關注。模具制造，以及對模具的改良，這是目前工業生產所面臨的一個重要問題，也是許多技術發展的關鍵所在。冷沖壓模具常用金屬材料及其熱處理工藝的研究，對于我國在該領域的發展與實踐，有著非常重要的價值和意義。

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