冷作模具材料的基本性能：特点及应用

1.基本性能要求

（1）强度及塑性 一些细长形状模具零件的破坏形式常常不是由于磨损而是由于断裂。

对于含碳量高的模具钢的强度试验，一般不采用拉伸试验，而是在弯曲试验时，测定其强度极限S_bb和挠度f；在扭转试验时，测定破断时的扭转强度t_b和扭转角ψ，并以f和ψ表示塑性。这些试验可以较明显地反映出热处理、化学成分及组织变化的影响。

（2）韧性 韧性是承受冲击负荷模具材料的一个较重要的性能指标。当工作硬度低于50～55HRC时，韧性较高，适合于结构钢的缺口冲击试样的韧性试验。当硬度较高时，钢的脆性比较大，一般采用无缺口冲击试验。

（3）硬度和耐磨性 磨损会造成模具接触表面在高负荷应力下发生变形而失去尺寸精度。在一定程度上硬度可以反映出对塑性变形的抗力。高的硬度是保持高耐磨性的必要条件。但是，过高的硬度会带来脆性和增加缺口敏感性。

增加钢中碳化物量可以提高耐磨性，但与碳化物在钢中的分布有关，也和碳化物本身的硬度有关。大量细小均匀的坚硬碳化物可以提高钢的耐磨性，增加钢的强度与塑性可使碳化物不易剥落，对耐磨性有利。

（4）热稳定性 模具材料的热稳定性常用加热时能保持硬度值的最高温度来表示。在切削速度比较高或重负荷条件下，模具有时受到比较高的温度冲击，此时决定其耐磨性的主要是其热稳定性。对于高速钢常使用“热硬性”来表示其热稳定性。

（5）淬透性 在选择和使用模具钢时，淬透性是一个重要因素，有些模具要求有较低的淬透性，这种模具如果整个截面淬透或者淬硬层太深，就容易产生脆性破坏。另外一些模具，特别是大尺寸零件却要求有高的淬透性，否则如果淬透层太薄，在高的应力下，表面容易磨掉，甚至压陷下去。影响高碳工具钢淬透性的因素有钢的化学成分、原始组织、奥氏体化的晶粒尺寸和未溶质点的作用等，但起主要作用的是钢的化学成分。

（6）变形与开裂倾向 对于一些精度要求较高的模具，特别需要注意变形问题。影响淬火时模具形状改变的主要因素是热应力和组织应力，这些应力引起了塑性变形，将使零件不能恢复到原来的形状。

为减小应力，可以采取以下措施：

1）采用分级加热、分级或等温淬火、淬火前预冷以及使用冷却速度缓慢的介质，都有可能减少变形。

2）减少钢中碳化物组织的偏析。

3）淬火及在精加工之前预先进行一次（600～700）℃×（1～3）h的高温回火，以消除加工应力，亦可减少淬火后的变形。

4）淬火加热时，防止零件过热，过热会引起晶粒粗大和强度降低，淬火时模具容易开裂。

5）淬火冷却时，防止淬火时引起的应力超过断裂抗力时将导致开裂。采用急剧的冷却介质时，会在较薄的淬透层下存在很高的拉应力，容易引起开裂。

（7）脱碳敏感性 模具材料表面稍有脱碳就会对其性能产生不良影响，会降低表面硬度，减少耐磨性。模具材料的脱碳敏感性和钢的化学成分、加热温度和加热介质有关。在合金元素中硅和钼的质量分数超过1%时会加重脱碳敏感性。

2.使用性能要求

冷作模具使用性能繁多，结构复杂，在工作中受到拉伸力、弯曲力、压缩力等作用，其正常的失效形式主要是磨损、脆断等。因此，对冷作模具材料使用性能的基本要求是：(www.xing528.com)

（1）良好的耐磨性 在冷作模具工作时，模具与坯料之间产生很大的摩擦，模具表面会出现凹凸不平和咬合现象，使模具表面逐渐产生切应力，造成机械磨损。

由于材料硬度、组织是影响模具耐磨性的重要因素，所以，提高冷作模具的抗磨损能力，通常硬度要求应比工件硬度高30%～50%，材料组织要求为回火马氏体或下贝氏体，并且其上分布着细小、均匀的颗粒状碳化物。

（2）高强度 强度指标对于冷作模具的设计和材料选择是个极其重要的依据，主要包括：拉伸屈服强度、压缩屈服强度。其中压缩屈服强度对冷作模具冲头材料的变形抗力影响最大。为了获得高的硬度，在已选定材料的情况下，主要通过合理的热处理工艺进行强化。

（3）足够的韧性 应根据冷作模具的工作条件，对受冲击载荷较大，易受偏心弯曲载荷或有应力集中的模具等，都要求其具有高的韧性。对一般工作条件下的冷作模具，通常受到的小能量多次冲击载荷的作用，在这种载荷作用下，模具的失效形式是疲劳断裂，所以不必追求过高的冲击韧度，而要提高多冲疲劳抗力，并在制定冷作模具热处理工艺时，必须给予充分的重视。

（4）良好的抗疲劳性能 很多情况下，冷作模具是在交变载荷下发生疲劳失效的，所以需要较高的疲劳抗力。影响疲劳抗力的因素很多，如钢中带状和网状的碳化物、粗大晶粒，模具表面的微小刀痕、凹槽以及截面突然变化和表面脱碳等，都会导致疲劳抗力降低。

（5）良好的抗咬合性能 当冲压材料与模具表面接触时，在高压摩擦下的润滑状态被破坏，此时，被冲压金属“冷焊”在模具型腔表面形成金属瘤，从而在成形工件表面划出痕迹。咬合抗力就是对发生冷焊的抵抗力。影响咬合抗力的主要原因是成形材料的性质，如镍基合金、奥氏体不锈钢、精密合金等有较强的咬合倾向。模具材料及其润滑条件对咬合抗力也有较大的影响。

3.工艺性能要求

冷作模具材料还必须具备适宜的工艺性能，主要包括可锻性、可加工性、可磨削性、热处理工艺等。

（1）可锻性 锻造过程不仅可减少模具的机械加工余量，改变原材料的形状，更重要的是改善坯件的内部组织缺陷，所以锻造工序对模具质量的影响很大。对可锻性的要求是：热锻变形抗力低，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂、冷裂及其析出网状碳化物的可能性较小。

（2）可加工性 大多数模具材料的切削加工比较困难。过共析钢及莱氏体钢由于剩余碳化物的存在，其可加工性比亚共析钢差。为了获得良好的可加工性，一般均需经过球化退火，以得到硬度较低的粒状珠光体组织。对于表面质量要求极高的模具，往往选用含S、Ca等元素的易切削模具钢。对可加工性的要求是：切削力小，切削用量大，刀具用量大，刀具磨损小，加工表面光洁。

（3）可磨削性 为了达到模具的尺寸精度和表面粗糙度要求，许多模具零件必须进行磨削加工。对于磨削性能的要求是：对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤或磨裂。

（4）热处理工艺性 主要包括淬透性、耐回火性、脱碳和过热倾向、淬火变形、开裂倾向等。

1）淬透性。对于大型模具除了要求表面有足够的硬度外，还要求有良好的强韧性配合，这就需要模具用钢具有高的淬透性，淬火时采用较缓慢的冷却介质，就可获得较深硬化层，对于形状复杂的小型模具，也常采用高淬透性的模具钢制造，这是为了使其淬火后能获得较均匀的应力状态，以避免开裂和较大的变形。

2）耐回火性。耐回火性反映了冷作模具受热软化的抗力。可以用软化温度和二次硬化温度来评定。耐回火性越高，钢的热硬性越好，在相同的硬度情况下，其韧性也较好。所以对于受到强烈挤压和摩擦的冷作模具，要求模具具有较高的耐回火性。一般情况下，对于高韧性模具钢，二次硬化硬度应不低于60HRC；对于高承载模具钢应不低于62HRC。

3）脱碳、过热倾向。表面脱碳后会严重降低模具的耐磨性和疲劳寿命；过热会得到粗大的马氏体组织，降低模具的韧性，增加模具早期断裂的危险性。所以要求冷作模具钢的脱碳、过热倾向要小。

4）淬火变形、开裂倾向。模具钢淬火变形、开裂倾向受所用材料的成分、原始组织状态、工件几何尺寸、形状、热处理工艺方法和参数影响很大，在模具选材时必须加以考虑。

通常，由热处理工艺引起的模具变形、开裂问题，可以通过加热方法、加热速度、冷却方法等热处理工艺措施来解决；而由材料特性引起的工件变形、开裂现象，主要是通过正确选材、控制原始组织状态和最终组织来解决。