國內外冷作模具鋼的發(fā)展概況
鋼的冷作模具材料是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的。最早用中碳合金鋼(如0.5%C、1.2%Cr、3.2%Ni鋼等)制造沖頭及凹模，允許的擠壓應力為2000~2500MPa。
后來，一些工業(yè)較發(fā)達的國家為突破冷作模具技術應用上的局限性，使用高碳高鉻鋼和鎢系高速鋼來制造冷作模具，允許的擠壓應力可達2500~3000MPa。從而使變形抗力較大的低合金鋼、中碳調質鋼等的冷擠壓成形成為可能性，壽命也有了大幅度的提高，可達萬件以上。到了20世紀60年代，美國、日本等國家研究用高強韌、高耐磨的鉬系高速鋼制造冷作模具，允許的擠壓應力超過3200MPa，使鋼質模具壽命有了更進一步的提高。現在，添加有鎢、釩、鈦、鈮、鈷等元素的高碳高鉻鋼和鎢系高速鋼已成為各國常用的鋼種；鉬系高速鋼和硬質合金及鋼結硬質合金的應用也很普遍。因此，高速鋼及不銹鋼等有極高變形抗力的高合金鋼的冷擠壓都已成為可能。
近些年業(yè)，國內外都在研究更高強韌性和耐磨性的新材料，并采用電渣重熔、粉末冶金、表面強化處理等新工藝，旨在從根本上改質材料和提高模具壽命。
國外通用型冷作模具鋼的代表性鋼種有低合金油淬模具鋼O1(9CrWMnV)、中合金空淬模具鋼A2(Cr5Mo1V)、高鉻高碳模具鋼D3(Cr12)和D2(Cr12Mo1V1)。
我國通用型冷作模具鋼是20世紀50年代從蘇聯引進的CrWMn、Cr12、Cr12MoV，與國外的通用型冷作模具鋼比較存在一定的差距。Cr12MoV與D2(Cr12Mo1V1)比較，合金含量偏低，耐磨性和使用性能不如D2鋼；CrWMn與O1(9CrWMnV)比較，碳含量偏高，不含釩，特別是大截面鋼材中容易產生比較嚴重的網狀或鏈狀碳化物，影響其使用壽命；中合金空淬模具鋼A2(Cr5Mo1V)是國際通用的鋼號，其耐磨性優(yōu)于低合金模具鋼CrWMn、9CrWMn，而韌性則高于高合金模具鋼Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1，既具有較好的耐磨性，又具有一定的韌度和紅硬性。我國雖然在1985年國家標準中引進了這一鋼號，但到目前用量仍不大，應該加強推廣應用。
為了滿足冷作模具的特殊要求，各國有針對性地發(fā)菜了一些新型的冷作模具鋼。
⒈高韌度高耐磨模具鋼。Cr12型鋼，耐磨性好，但韌度差，抗回火軟化能力也嫌不足。近30年來，國內外相繼發(fā)展了一些高韌度、高耐磨性新型模具鋼，其碳、鉻含量低于Cr12型鋼，增加了鉬、釩合金的數量，鋼中形成了大量的MC型高硬度高彌散度碳化物，其耐磨性不低于或優(yōu)于Cr12Mo1V1鋼，韌度和抗回火軟化能力則高于Cr12型鋼。比較有代表性有鋼號有美國釩合金鋼公司早期開發(fā)的VascoDie(8Cr8Mo2V2Si)、日本山陽特殊鋼公司的QCM8(8Cr8Mo2VSi)、日本大同特殊鋼公司的DC53(Cr8Mo2VSi)等。我國自行開發(fā)的有7Cr7Mo2V2Si(LD鋼)及9Cr6W3Mo2V2(GM鋼)等。這些鋼種分別用于冷擠壓模、冷沖模及高強度螺栓的滾絲模具，都取得了良好的使用效果。
⒉低合金空淬微變形鋼。這類鋼的特點是合金含量低(≤5%)，淬透性、淬硬性好，￠100mm的模具可以空冷淬透，且淬火畸變小，工藝性好，價格低，主要用于制造精密復雜模具。代表性的鋼號有美國ASTM標準鋼號A4(Mn2CrMo)、A6(7Mn2CrMo)，日本大同特殊鋼公司的C04和日本日立金屬公司的ACD37等。我國自行研發(fā)的Cr2Mn2SiWMoV和8Cr2MnMoWVS等鋼種也屬低合金空淬微畸變鋼，后一種鋼號還兼?zhèn)鋬?yōu)良的切削性。
⒊火焰淬火模具鋼。20世紀70年代，國外開始發(fā)展了一些適應火焰淬火工藝需要的冷作模具鋼。由于采用氧-乙炔噴嘴進行局部加熱空泠淬火，難以嚴格地控制和測定加熱溫度，要求這類鋼具有淬火溫度范圍寬、淬透性好等特點。由于火焰局部淬火的工藝簡單，又可以縮短模具制造周期、節(jié)約能源、降低制造費用等特點，已經廣泛地用于制造剪切、下料、沖壓、冷鐓等冷作模具，特別是大型鑲塊模具。這類冷作模具鋼發(fā)展很快，代表性的鋼號有日本愛知制鋼公司的SX5(Cr8MoV)、SX105V(7CrSiMnMoV)，日本山陽特殊鋼公司的QF3，日本大同特殊鋼公司的G05，日立金屬公司的HMD1、HMD5。我國研制的7CrSiMnMoV鋼就屬于這 類鋼，用于制造汽車大覆蓋件鑲塊沖模刃口材料，取得了良好的使用效果。
⒋基體鋼。高速鋼雖有高的強度，但因有過量的碳化物存在，導致了脆性。因此，對冷作模具材料來說，必須減少成為應力集中破斷起源的碳化物的數量，以提高其韌度。較理想的鋼是既有高速鋼的強度，又有超高強度鋼的韌度。
美國在研究模具鋼的本質和高速鋼淬火基體成分的基礎上，發(fā)展一種成分接近于高速鋼正常加熱淬火溶入基體的成分，殘余碳化物＜5%的基體鋼。可以通過熱處理獲得與超高強度鋼相似的韌度和與高速鋼相近的強度。這種鋼含碳量降至0.55%左右，合金元素總量為12%~22%，在真空爐中冶煉。熱處理狀態(tài)的過剩碳化物顆粒細小，且分布均勻。當硬度為HRC62~64時，疲勞強度是普通高速鋼M2的5~10倍。用于制造復雜形狀的擠壓模具和沖頭，壽命可提高4~10倍。
國外基體鋼的主要牌號有EXT161、TXT158、MACVM、Matrix Ⅱ CVM等。國內生產的基體鋼牌號有65Nb等。
⒌冷熱兼用模具鋼。Versatoo Ⅰ鋼和M178鋼屬于冷熱兼用的模具鋼，可二次硬化，有良好的熱硬性和高的韌度、耐磨性和抗壓強度(3000MPa)。在HRC58~65.5范圍內用作冷擠壓模具材料時，使用效果在某些條件下和M2高速鋼不相上下。國內試驗用的9Cr4Mo3Si2WV鋼制造活塞銷冷擠壓模具時，有較好的使用效果。
⒍粉末冶金冷作模具材料。采用粉末冶金工藝生產的高碳高合金鋼模具材料，由于鋼液霧化形成的微細鋼粉凝固很快，可以完全避免一般工藝生產的高碳高合金冷作模具鋼在澆鑄后緩慢凝固產生粗大碳化物和偏析等缺陷。如高碳高鉻冷作模具鋼和高速鋼采用粉末冶金工藝生產后，碳化物粒度減小到1μm左右，可以完全消除一般工藝生產的萊氏體型工模具鋼中的達幾十微米的大顆粒碳化物和網狀、帶狀碳化物。
由于粉末冶金模具鋼的以上特點，粉末冶金模具鋼具有磨削性好、韌度好、等向性好、熱處理工藝性好等特點。
由于粉末冶金模具鋼具有優(yōu)秀的特性，近20年來發(fā)展很快，形成一系列的粉末冶金工具鋼鋼號，如美國坩堝公司的CPM9V、CPM10V、CPM440V等，其中應用較多的為CPM10V(2.45%C、5.25%Cr、1.30%Mo、9.75%V、0.07%S)。又如德國的粉末冶金模具鋼320CrVMo13(3.2%C、13%Cr、5%V)等。由于這些鋼含有大量彌散度高的高硬度MC型碳化物，其耐磨性可以介于硬質合金和高合金冷作模具鋼之間；由于韌性好，制成的模具壽命可以與硬質合金模具相似；由于工藝性能好，宜于制造形狀比較復雜、工作條件苛刻的長壽命模具。國內近年來針對CPM10V和粉末高速鋼已經開展了較多的試驗研究工作，但因起步較晚，尚需要一段時間才能推廣應用。
⒎鋼結硬質合金及硬質合金模具材料。鋼結硬質合金具有優(yōu)良的耐磨性，已經在較大范圍內用于高耐磨的冷作模具，在20世紀60年代，我國已經正式投入工業(yè)生產并取得比較迅速的進展。鋼結硬質合金代表性的牌號有以TiC為硬質相的GT35、GR5、D1、T1等；以WC為硬質相的GW50、GJW50、TLMW50等。
鋼結硬質合金與硬質合金比較，具有可以切削加工、可以鍛造焊接、韌度和綜合力學性能較好、成本較低等特點。用于制造冷沖壓、冷鐓、冷擠壓、冷拉伸及壓印模具時，使用壽命可比模具鋼模具提高幾倍至幾十倍，有時可接近硬質合金模具。
硬質合金作為模具材料已經廣泛用于制造高耐磨性的長壽命冷作模具和模具鑲塊。由于很多冷作模具都承受一定的沖擊載荷，一般都選用含鈷較高的硬質合金，如YG8C、YG11C、YG15、YG20、YG25等。由于硬質合金的韌度較低，工藝性不好，磨削性差，價格貴，一般只用于制造小型形狀簡單的冷作模具。采用鑲套結構，以彌補其韌度的不足。
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