模具设计培训，冲压模
模具设计培训，冲压模具工作零件材料的要求
冲压模具工作时要承受冲击、振动、摩擦、高压和拉伸、弯扭等负荷，甚至在较高的温度下工作(如冷挤压)，工作条件复杂，易发生磨损、疲劳、断裂、变形等现象。因此，对模具工作零件材料的要求比普通零件高。
由于各类冲压模具的工作条件不同，所以对模具工作零件材料的要求也有所差异。
1.冲裁模材料的要求
对于薄板冲裁模具的工作零件用材要求具有高的耐磨性和硬度，而对厚板冲裁模除了 要求具有高的耐磨性、抗压屈服点外，为防止模具断裂或崩刃 ，还应具有高的断裂抗力、较高的抗弯强度和韧性。
2. 拉深模材料的要求
要求模具工作零件材料具有良好的抗粘附性(抗咬合性)、高的耐磨性和硬度、一定的强韧性以及较好的切削加工性能，而且热处理时变形要小。
3. 冷挤压模材料 的要求
要求模具工作零件有高的强度和硬度、高耐磨性，为避免冲击折断，还要求有一定的韧性。由于挤压时会产生较大的升温，所以还应具有一定的耐热疲劳性和热硬性
11.2.2 冲压模具材料的种类及特性
制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、子材料等等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中 铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、 钢结硬质合金 等等。
1. 碳素工具钢
在模具中应用较多的碳素工具钢为t8a、t10a等，优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。
2. 低合金工具钢
低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有crwmn、9mn2v、7crsimnmov(代号ch-1)、6crnisimnmov(代号gd)等。
3. 高碳高铬工具钢
常用的高碳高铬工具钢有cr12和cr12mov、cr12mo1v1(代号d2)，它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔(轴向镦、径向拔)改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。
4. 高碳中铬工具钢
用于模具的高碳中铬工具钢有cr4w2mov、cr6wv 、cr5mov等，它们的含铬量较低，共晶碳化物 少，碳化物分布均匀，热处理变形小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有
所改善。
5. 高速钢
高速钢
具有模具钢中高的的 硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有w18cr4v(代号8-4-1)和含钨量较少的w6mo5 cr4v2(代号6-5-4-2，美国牌号为m2)以及为提高韧性开发的降碳降钒 高速钢 6w6mo5cr4v(代号6w6或称低碳m2)。高速钢也需要改锻，以改善其碳化物分布 。
6. 基体钢
在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢 ，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有6cr4w3mo2vnb(代号65nb)、7cr7mo2v2si(代号ld)、5cr4mo3simnval(代号012al)等。
7. 硬质合金和钢结硬质合金
硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类 ，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用 含钴量较低 的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用 含钴量较高 的硬质合金。
钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末(如铬、钼 、钨、钒等)做粘合剂，以碳化 钛或碳化钨为硬质相 ，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金 的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达 68 ~ 73hrc。
11.2.3 冲压模具材料的选用及热处理要求
一. 冲裁模具材料的选用及热处理要求
选用冲裁模具材料应考虑工件生产的批量，若批量不大就没有必要选择高寿命的模具材料;还应考虑被冲工件的材质，不同材质适用的模具材料亦有所不同。对于冲裁模具，耐磨性是决定模具寿命的重要因素，钢材的耐磨性取决于碳化物等硬质点相的状况和基体的硬度，两者的硬度越高，碳化物的数量越多，则耐磨性越好。常用冲压模具钢材耐磨性的劣优依次 为碳素工具钢 — 合金工具钢 — 基体钢 — 高碳高铬钢 — 高速钢 — 钢结 硬质合金 — 硬质合金。
此外还必须考虑工件的厚度、形状、尺寸大小、精度要求等因素对模具材料选择的影响。
1.传统模具用钢
长期以来，国内薄板冲裁模用钢为 t10a 、 crwmn 、9mn2v、cr12 和 cr12mov 等。
其中 t10a 为碳素工具钢，有一定强度和韧性。但耐磨性不高，淬火容易变形及开裂，淬透性差，只适用于工件形状简单、尺寸小、数量少的冲裁模具。
t10a 碳素工具钢的热处
理工艺为： 760~810 ℃水或油淬， 160~180 ℃回火，硬度 59~62hrc 。
c
rwmn 、 9mn2v 是高碳低合金钢种，淬火操作简便，淬透性优于碳素工具钢，变形易控制。但耐磨性和韧性仍较低，应用于中等批量、工件形状较复杂的冲裁模具。 crwmn 钢的热处理工艺为：淬火温度 820~840 ℃油冷 ，回火温度 200 ℃，硬度 60~62hrc。 9mn2v 钢的热处理工艺为：淬火温度 780~820 ℃油冷 ，回火温度 150~200℃，空冷，硬度 60~62hrc 。注意回火温度在 200~300 ℃范围有回火脆性和显著体积膨胀，应予避开。
cr12 和 cr12mov 为高碳高铬钢，耐磨性较高，淬火时变形很小，淬透性好，可用于大批量生产的模具，如硅钢片冲裁模。但该类钢种存在碳化物不均匀性，易产生碳化物偏析，冲裁时容易出现崩刃 或断裂。其中， cr12 含碳量较高，碳化物分布不均比 cr12mov 严重，脆性更大一些。
cr12 型钢的热处理工艺选择取决于模具的使用要求，当模具要求比较小的变形和一定韧性时，可采用低温淬火、回火( cr12 为 950~980 ℃淬火， 150~200 ℃回火; cr12mov 为1020~1050 ℃淬火， 180~200 ℃回火)。若要提高模具的使用温度，改善其淬透性和红硬性，可采用高温淬火、回火( cr12 为 1000~1100 ℃淬火， 480~500 ℃回火; cr12mov 为1110~1140 ℃淬火， 500~520 ℃回火)。
高铬钢在 275~375 ℃区域有回火脆性，应予避免。
2.常用模具新钢种
为了弥补传统模具钢种性能的不足，国内开发或引进了以下性能较好的冲压模具用钢：
( 1 ) cr12mo1v1 (代号 d2 )钢为仿美国 astm 标准中的 d2 钢引进的钢种，属 cr12 型钢。由于 d2 钢中 mo 、 v 含量增加，细化了晶粒，改善了碳化物的分布状况，因此 d2 钢的强韧性(冲击韧度、抗弯强度、挠度)比 cr12mov 钢有所提高，耐磨性和抗回火稳定性也比cr12mov 更高。可用深冷处理，提高硬度并改善尺寸稳定性。用 d2 钢制作的冲裁模具寿命要高于 cr12mov 钢模具。
d2 钢的锻造性能和热塑成形性比 cr12mov钢略差，机械加工性能和热处理工艺与 cr12 型钢相似。
( 2 ) cr6wv 钢为高 耐磨微 变形高碳中铬钢，碳、铬含量均低于 cr12型钢，碳化物的分布状态较 cr12mov 均匀，具有良好的淬透性。热处理变形小，机械加工性能较好。抗弯强度、冲击韧度优于 cr12mov ，只是耐磨性略低于 cr12 型钢。用于承受较大冲击力的高硬度、高耐磨板料冲裁模，其效果好于 cr12 型钢。
钢的常用热处理工艺为：淬火温度9701 ~ 000℃，一般可热油或硝盐分级淬火冷却，尺寸不大的部件可采取空冷。淬火后应立即回火，回火温度160210 ~ ℃，硬度 58 ~ 62hrc。
( 3 ) cr4w2mov 钢也是高 耐磨微 变形高碳中铬钢， cr12 型钢而研制的钢种，碳化物均匀性好，耐磨
性高于 cr12mov ，适于制作形状复杂、尺寸精度要求高的冲压模具，可用于硅钢片冲裁模。
cr4w2mov 钢的热处理工艺：要求强度、韧性较高时，采用低温淬火、低温回火工艺：淬火温度 960~980 ℃，回火温度 280~320 ℃，硬度 60~62hrc 。要求热硬性和耐磨性较高时，采用高温淬火、高温回火工艺：淬火温度 1020~1040 ℃，回火温度 50 0~540 ℃，硬度 60~62hrc。
( 4 ) 7crsimnmov( 代号 ch-1) 钢为 空淬微变形低合金钢、火焰淬火钢，可以利用火焰进行局部淬火，淬硬模具刃口部分。淬火温度( 800~1000 ℃)，具有良好的淬透性和淬硬性 (可达 60 hrc 以上)，强度和韧性较高，崩 刃 后能补焊。可代替 crwmn 、 cr12mov 钢，制作形状复杂的冲裁模。ch-1 钢的热处理工艺：淬火温度 900~920 ℃，油冷 ， 190~200 ℃回火 1~3 小时，硬度 58~62hrc 。
( 5 ) 6crnisimnmov( 代号 gd) 钢为高韧性低合金钢，淬透性好，空淬变形小，耐磨性较高。其强韧性显著高于crwmn 和 cr12mov 钢，不易崩刃或断裂。尤其适用于细长、薄片状凸模及 大型、形状复杂、薄壁凸凹模。
gd 钢的热处理工艺：淬火温度870~930 ℃( 900 ℃佳 )，盐浴炉加热(45s/mm )，油冷或 空冷、风冷 ， 175~230 ℃ 回火 2 小时，硬度 58~62hrc 。由于空冷即可淬硬，也可采用火焰加热淬火。
( 6 ) 9cr6w3mo2v2( 代号 gm) 钢为高耐磨高强韧 合金钢，各项工艺性能良好，其耐磨性、强韧性、加工性能均优于 cr12 型钢，能够用于高速压力机冲压下的多工位级进模等 精密模具，是较理想的耐磨、精密冲压模具用钢。
gm 钢的热处理工艺：淬火温度1080~1120 ℃，硬度 64~66hrc 。回火温度 540~560 ℃，回火二次。
( 7 ) cr8mowv3si ( 代号 er5) 钢属高耐磨高强韧合金钢，具有较好的电火花加工性能，强度、韧性、耐磨性都优于 cr12 型钢，适用于大型精密冲压模具。用于硅钢片冲裁模，一次刃磨寿命为 21 万次，总寿命高达 360 万次，是目前合金钢冲模冲裁硅钢片的较高寿命水平。
er5 钢的热处理工艺：对高耐磨性、高强韧性的模具，采用 1150 ℃淬火， 520~530 ℃回火 3 次;对重载服役条件下的模具，采用 1120~1130 ℃淬火， 550 ℃回火 3 次。
3 .硬质合金及钢结硬质合金
当工件的批量极大时，可以考虑选用硬度和耐磨性比各类模具钢种更高的硬质合金或钢结硬质合金 。用作模具材料的硬质合金为 钨钴类 ，随着 含钴量的增加，韧性及抗弯强度提高而硬度降低。
对于承受冲击力较小的模具，可以选用含钴量较低 的 yg10x ;承受冲击力中等或较大的模具，可以选用含钴量较高 的 yg15 或 yg20 。硬质合金的缺点
为韧性较差、难以加工，作为模具的工作部件可以设计为镶拼结构。钢结硬质合金的性能介于硬质合金和高速钢之间，能够机械加工和热处理，可以用于制作复杂的高寿命模具。用作冲裁模的钢结硬质合金 有 dt 、 gt35 、 tlmw50 、 gw50 等。
厚板冲裁模具
厚板冲裁模承受的冲压力高于薄板冲模，为重载冲裁模，易磨损、崩刃 和断裂，所以要求模具材料应具有高的耐磨性和强韧性。
传统模具用钢传统的重载冲裁模具钢种主要有 t8a 、 cr12mov 、 w18cr4v 、
w6mo5 cr4v2 等。
其中 t8a 为碳素工具钢，虽然淬透性、韧性比 t10a 钢有所改善，但易残存网状碳化物、热硬性差，只能用于工件批量较小的中厚冲裁模。 t8a 工具钢的热处理工艺为： 790~820 ℃水或油淬， 160~180 ℃回火，硬度 58~61hrc 。
w18cr4v、w6mo5cr4v2为高速工具钢，具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，但韧性较低，工作时有可能产生崩刃或断裂，而且价格较贵。建议采用低温淬火、加温淬火等工艺措施来改善其韧性。对于工件批量较大的厚板冲裁模，可以用w18cr4v、 w6mo5cr4v2钢做凸模，cr12mov 钢做凹模 。
w18cr4v 钢的热处理工艺： 1220~1250 ℃ 淬火; 550~570 ℃ 回火 3 次。
w6mo5cr4v2 钢的热处理工艺： 1160~1200 ℃ 淬火 ： 550~570 ℃ 回火 3 次。
3. 常用模具新钢种
为了克服高速工具钢的缺点，提高使用寿命，重载冲裁模具可选用降碳降钒 高速钢6 w6mo5cr4v(6w6)和以高速钢成分为基础，添加少量的其它元素构成的高强韧性模具钢—基体钢，如 65nb钢、ld钢、012al钢、cg-2 钢等等 。
( 1)6 w6mo5 cr4v (6w6)钢为高强韧性高速钢，由于降低了碳化物的含量和分布均匀性，使其在保持硬度和耐磨性的同时，抗弯强度、冲击韧性和塑性都有显著提高，虽然耐磨性略低，仍可用低温氮碳共渗提高 表面硬度和耐磨性。其热处理工艺和高速钢w6mo5cr4v2相似。
( 2 ) 6cr4w3mo2vnb (65nb) 钢 65nb 钢取自 w6mo5crv2 钢正常淬火后的基本成分，碳含量比高速钢低，碳质量分数 的中限为 0.65% ，故名 65nb 。各合金元素在钢中的作用和在高速钢中相似， 另加入 3% 的 nb 可形成高稳定性的碳化物nbc ，能有效阻止奥氏体晶粒长大，改善钢的力学性能和工艺性能。这种钢具有较好的耐磨性和较强的高温韧性，可以代替 cr12mov、 w18cr4v 钢，用于重载冲裁模和冷挤压模、冷镦模 。
65nb 钢锻造和退火工艺性能良好，热
处理温度范围宽，淬火温度可以在 1080~1180 ℃，回火温度在 520~600 ℃之间选择。当采用比 w6mo5crv2 钢正常淬火温度低的温度淬火后，其组织为在碳含量 较低的马氏体基体上均匀分布有细粒
状未溶碳化物。通过热处理参数的调整，可以得到不同的强度、韧性、耐磨性配合，以适合不同模具的性能要求。 65nb 钢的热处理工艺： 1080~1180 ℃盐浴炉加热( 15~20s/mm )油淬， 520~560 ℃回火 2 次，硬度 57~63 hrc 。
( 3 ) 7cr7mo2v2si (ld) 钢 ld 钢含碳、含钴量高于 65nb ，含钒量也较高。钒可细化 晶粒，提高耐磨性。因此其抗压、抗弯强度和耐磨性均高于 65nb 由于具有良好的强韧性和耐磨性，因而适于制造各种重载模具。
ld 钢的热处理工艺： 850 ℃预热，1100~1150 ℃淬火; 油冷后 530~570 ℃ 回火 2~3次，每次 1~2 小时，硬度 57~63hrc 。
( 4 ) 5cr4mo3simnval (012al) 钢 012al 钢中加入质量分数为0.3~0.7% 的铝，目的是为了细化晶粒，提高钢的冲击韧性和热加工塑性，加 si 则为了强化基体。 012al 钢强韧性高，综合性能好，通用性强，是冷、热兼用型模具钢。其抗弯强度及挠度高于 w18cr4v 高速钢，代替高速钢作模具时很少发生折断现象。可以用作中厚板料冲裁模具和各类冷 、热作模具。
012al 钢的热处理工艺： 1090~1120 ℃盐浴炉加热(30s/mm )油淬， 510 ℃回火 2次，每次油冷 2 小时，硬度 60~62 hrc 。
( 5 ) 6cr4mo3ni2wv(cg-2) 钢cg-2 钢在成分中加 ni ，强化了基体，改善了韧性和高温性能。同时增加 mo 减少 w ，以降低碳化物的偏析。 cg-2 钢具有高的强度和强韧性，在热处理到高硬度时仍能维持良好的韧性，较好地解决了高硬度与韧性的合理配合。但锻造塑性较差，退火后硬度偏高。亦可用作中厚板料冲裁模具和各类冷 、热作模具。
cg-2 钢的热处理工艺：淬火温度1100~1140 ℃加热( 20s/mm )，油冷 ， 540 ℃ 回火 2次，每次 2 小时，空冷，硬度60~62 hrc 。
二. 拉深模具材料的选用及热处理要求
表 11.2.1 各种板料适用的拉深模材料
由于拉深模具的失效主要为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主。因此选用的模具材料必须具有较高的耐磨性和抗粘附性能，以及足够的强度。按被拉深材料考虑适用的拉 深模材料 可以参考表 11-1 。选用时还应考虑被拉深材料的板料厚度、 拉深件的 尺寸形状以及生产批量的大小等因素。
(一)轻载拉深(拉深薄钢板和铜、 铝合金)时的模具材料
生产批量较小时，对于形状简单的筒形浅拉深件 ，可选用 t8 、 t10 钢; 对于形状复杂的中小型件，选用 crwmn
、 9mn2v 。
中批量生产或生产批量较大时，选用 cr12mov 。
生产批量很大时，选用硬质合金或钢结硬质合金 。
(二)重载拉深(拉深厚钢板、反拉深、变薄拉深)时的模具材料
生产批量较小时，可选用 t10 、 crwmn 。
生产批量较大时，选用 cr12mov 以及 gm 钢。 gm 钢的强度和韧性高于高速钢、 cr12mov;抗粘附磨损和磨粒磨损能力明显优于基体钢和 cr12mov ，在拉深模方面 已得到较好应用。
生产批量很大时，考虑选用硬质合金或钢结硬质合金 。
(三)拉深不锈钢、高镍合金钢 、耐热钢板的模具材料
拉深这类材料时，容易发生粘附和拉毛，选模具材料为铝青铜。
生产批量较小时，可选用铝青铜、 t10a (镀硬铬，注意采用镀硬铬工艺时镀层不能太厚，以防拉深时剥落)。
生产批量较大时，选用铝青铜、 cr12mov 、 cr12mo1v1 (表面渗氮)。
生产批量很大时，选用硬质合金。
(四)大型拉深件 、汽车覆盖件的拉深模具材料
可以选用合金铸铁或高强度球墨铸铁。球墨铸铁能够浸入润滑油，组织中的石墨具有自润滑作用，能有效地减轻拉深中的摩擦，而且成本较低、容易加工。
高强度球墨铸铁可以采用双介质延迟冷却马氏体等温淬火，以获得较高的强度和韧性，硬度为55~58 hrc 。先将模具缓慢预热后再加热至 880~900 ℃，保温后先空气预冷，然后盐水淬冷至 550 ℃左右即转入油冷，当模温 降至 250 ℃左右，放入180~200 ℃的热油中等温保持 2~3小时，再将油温降至 170 ℃左右等温 5~7 小时，最后转入空冷。
