高淬透性低合金冷作模具钢热处理

    冷作模具钢在淬透性、耐磨性与韧性等方面的要求要较刃具钢高一些，而在红硬性方面却要求较低或基本上没有要求，所以也相应研制了一些适于制造冷作模具的专用钢种。下面重点介绍高铬和中铬模具钢及基体钢的设计思路及热处理。模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要取决于模具材料的性能。因此只有合理地设计模具材料的化学成分、组织结构，才能获得所需的力学性能。为此首先要对模具的工作条件、失效形式及其对钢材的性能要求进行综合分析，寻找失效的主要因素，确定合适的材料种类和热处理工艺，以提高模具的使用寿命。
    模具用钢是用来制造冷冲模、热锻模、压铸模等模具的钢种，目前已发展了几十种钢种。但是，根据模具的使用性质通常分为两大类：冷作模具钢和热作模具钢。
    冷作模具钢包括拉延、拉丝和压弯模、冲裁模（落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等）、冷镦模具和冷挤压模具等，工作温度一般不超过300℃。冷作模具钢根据模具的用途可分为：冷挤压模具钢、冷镦模具钢、冷冲压模具钢、冷冲裁模具钢、冷拉深模具钢等。
    冷作模具钢在服役时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分承受很大的压应力、弯曲力、冲击力及摩擦力。因此冷作模具钢的主要失效形式是磨损，有时也囚断裂、崩刃和变形超差而提前欠效。由此可见，冷作模具钢对性能的要求与刃具钢具有一定的相似性：即要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗弯强度和足够的韧性，以保证冲压过程的顺利进行。当然也存在明显的差别：模具形状及加工工艺比较复杂，而且摩擦面积大，磨损可能性大，所以修磨困难，因此要求模具钢具有更高的耐磨性：模具服役时承受冲击力大，又由于形状复杂易于产生应力集中，所以要求具有较高的韧性；此外，模具尺寸大、形状复杂，所以要求较高的淬透性、较小的变形及较小的开裂倾向性。
    前面已经提到冷作模具钢在服役条件和性能要求等方面和量具刃具用钢有相似之处，冈此量具刃具用钢也可用于制造部分冷作模具。对于尺寸小、形状简单、轻负荷的冷作模具，例如小冲头、剪落钢板的剪刀等，可选用T7A、T8A、TI0A、T12A等碳素工具钢制造。用这类钢制造的优点是可加工性好、价格便宜、来源容易；但又有明显的缺点，如淬透性低、耐磨性差、淬火变形人。因此这类钢只适于制造一些尺寸小、形状简单、轻负荷的工具以及要求硬化层不深并保持高韧性的冷镦模具等。
    对于尺寸稍大、形状复杂、轻负荷的冷作模具，常用9Mn2V、CrWMn低合金模具钢及9SiCr、GCr15等制造。这些钢在油中淬火的淬透直径大体上可达中40mm以上。其中9Mn2V钢是我国发展的一种不含Cr的冷作模具钢，可代替或部分代替含Cr的钢。9Mn2V钢的碳化物不均匀性和淬火开裂倾向性比CrWMn钢小，脱碳倾向性比9SiCr钢小，而淬透性比碳素工具钢大，其价格只比后者高约30%，因此是一个值得推广使用的钢种。但9Mn2V钢也存在一些缺点，如冲击韧性不高，在实际使用中发现有碎裂现象；另外，其回火稳定性较差，回火温度一般不超过180℃，在200℃回火时抗弯强度及韧性开始出现低值。9Mn2V钢可在硝盐、热油等冷却能力较为缓和的淬火介质中淬火，对于一些变形要求严格而硬度要求又不很高的模具，可采用奥氏体等温淬火。火焰淬火钢CH-1(7CrSiMnMoV)是一种低合金冷作模具钢，具有高强韧性，适合用于制造汽车覆盖件、家用电器等大型模具。
    CrWMn钢具有较高的碳含量，一方面满足了碳化物形成元素形成一定量的过剩碳化物的需要；另一方面在淬火加热时又有足够的C溶入奥氏体，从而保证钢有高的硬度和耐磨性。Cr的加入主要是增加钢的淬透性，尤其与W-起加入时作用更大；W还可以形成一些不易溶解的碳化物，阻止奥氏体晶粒长大；Mn除增加淬透性外，还可使Ms点大大降低，增多残余奥氏体的数量。CrWMn钢经热处理后硬度可达64～66HRC。淬火后有较多的残余奥氏体，故淬火变形小，有低变形钢之称。生产中常采用调整淬火温度和冷却介质的不同配合，使形状复杂的薄壁工具达到微变形或不变形。这种钢适于制造截面尺寸不大、要求淬火时变形小、形状复杂的高精度冷冲模具和高压油泵的精密偶件（柱塞）等。也可用于工作温度不高、制造要求变形小的细而长的形状复杂的切削工具。如板牙、拉刀、长丝锥、长绞刀等，也可作量具。
    低合金冷作模具钢的热处理和前面讲述的量具刃具用钢类似，这里不再赘述。但是对于含W的钢种，如CrWMn钢等，其预先热处理有时不采用球化退火，而采用高温回火（CrWMn钢的正火温度为970℃～990℃），这是由于退火温度过高或时间过长时会使钨转变成难熔的WC，从而使淬火效果降低。GD钢是一种新型冷作模具钢，属低合金冷作模具钢，具有高强韧性高耐磨性，适合应用于冷冲压、冷冲裁模具。Cr5Mo1V钢是一种高强韧性中合金冷作模具钢，比较适合应用于冷拉深模具。
    模具是机械制造、汽车制造、航空航天、无线电仪表、电机电器等工业部门中制造零件的主要加工工具。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度和生产成本。

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资料来源：无锡市瀚超特殊钢有限公司合金模具钢营业部
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