高强韧性冷作模具钢的特点与应用

随着低合金钢、不锈钢和轴承钢冷挤压技术的发展，冷作模具钢不但要有高硬度、高耐磨性，而且还要具有高韧性。而上述各类模具钢难以满足这些要求。铬钨硅系钢的耐磨性不够，而高铬、中铬钢、高速钢中碳化物数量较多，韧性不足。为了满足冷挤压工艺发展的需求，目前已研制出多种高强韧性模具钢，如降碳型高速钢、基体钢、低合金高强度钢、马氏体时效钢等，表2-23所示为该类典型钢种的成分。

1.6W6钢

6W6钢是一种降碳型高速钢，相对于传统的W6Mo5Cr4V2钢，碳的质量分数降低了0.21%左右，钒的质量分数降低了1.05%～1.11%。由于碳、钒含量的降低，碳化物总量减少，碳化物不均匀性得到改善，不均匀度为1～2级。淬火硬化状态的抗弯强度和塑性提高了30%～50%。冲击韧度提高了50%～100%，但淬火硬度减少了2～3HRC。

表2-23 高强韧性冷作模具钢的成分

图2-25所示为淬、回火温度对6W6钢力学性能的影响情况。由图可见，该钢仍保持较强的二次硬化能力和良好的热稳定性。二次硬化状态下的冲击韧度随淬火温度降低而明显上升，但硬度下降。回火时的强度峰值出现在560～580℃之间，硬度峰值和冲击韧度谷值位于540～560℃之间。因此，为了获得良好的韧性和较高的耐磨性，通常采用较低温度淬火，较高温度回火，淬回火工艺为：1180～1200℃淬火，560～580℃回火三次，每次1.5h。经此工艺处理后硬度为60～63HRC，冲击韧度α_K为50～60J/cm²。

6W6钢因含钼量较高，锻造温度范围稍窄，锻造工艺为：加热温度1100～1140℃，始锻温度1050～1100℃，终锻温度800～900℃。锻造变形抗力也较大，需进行深透锻造，并要控制流线方向。该钢退火易软化，退火硬度小于229HBW，可加工性较好。

6W6钢的缺陷主要是含碳量低、耐磨性稍差，易产生脱碳现象。

6W6钢可取代高速钢或高碳高铬钢，制作黑色金属冷挤压冲头或冷镦冲头，寿命可提高2～10倍。用于大规格的圆钢下料剪刃，可提高寿命数十倍。

图2-25 淬、回火温度对6W6钢力学性能的影响

a）淬火温度对冲击韧度的影响 b）淬火温度对硬度的影响 c）回火温度对硬度、抗弯强度及韧性的影响

2.基体钢

基体钢就是具有高速钢正常淬火后基体成分的钢，碳的质量分数一般在0.5%左右，合金元素的质量分数在10%～12%。这类钢过剩碳化物少，细小均匀，工艺性好，强韧性明显改善，可广泛用于高负荷、高速、耐冲击状况下的冷、热作模具。

（1）65Nb钢 相对于W6Mo5Cr4V2钢淬火基体成分，65Nb钢的碳、钨含量稍低，并加入少量的铌。这种合金化特点既保证了该钢具有高速钢的强度、硬度和耐磨性，又具有较高强韧性和抗疲劳强度，钢的工艺性能也得到了极大地改善。

1）力学性能。淬、回火温度对65Nb钢力学性能的影响及65Nb钢的室温性能见图2-26、表2-24和表2-25。对图表综合分析可知：①随着淬火温度的升高，由于碳化物不断溶解，残留奥氏体随之增加，奥氏体晶粒缓慢长大，但淬火加热温度高于1160℃时，才开始明显长大；②65Nb钢经不同温度淬火，在回火过程中均有二次硬化现象，其硬度峰值、抗弯强度峰值均出现在520～540℃处；③65Nb钢淬火温度为1080～1180℃，回火温度为520～600℃，一般采用两次回火。由于淬火温度范围宽，选择不同的淬火温度可满足不同模具的强度和韧性要求；④65Nb钢室温力学性能表明，抗压屈服强度稍低于高速钢，但抗弯强度、韧性比高速钢高得多。

图2-26 65Nb钢淬火加热温度对晶粒度、硬度与残留奥氏体量的影响

表2-24 65Nb钢回火后的力学性能

（续）

表2-25 65Nb钢的室温性能比较

2）工艺性能。65Nb钢的变形抗力比高铬钢、高速钢低，碳化物均匀性好，因而具有良好的可锻性。但是该钢的导热性较差，锻造时必须缓慢加热，锻造温度为1120～850℃，锻后缓冷。

锻坯要及时退火，退火工艺为：加热温度860℃，等温温度730～740℃，退火硬度为183～207HBW。由于该钢退火易软化，延长等温时间，硬度可降低至180HBW左右，这就为模具本身的冷挤压成形提供了条件。

3）应用范围。65Nb钢适用于制作形状复杂的有色金属的冷挤压模、冷冲模、冷剪模及单位挤压力为2450MPa左右的黑色金属冷挤压模具。也可用于轴承、汽车、标准件行业的冷镦模，可获得较高的使用寿命。

（2）LD钢LD钢是一种不含钨的基体钢。碳、铬、钼、钒元素的含量都高于高速钢基体，所以，钢的淬透性和二次硬化能力有了提高。钒的二次硬化效应尤其强烈，未溶的VC还显著细化奥氏体晶粒，增加钢的韧性和耐磨性。

LD钢不同淬火温度、回火温度下热处理所得到的硬度见表2-26；淬火温度与硬度、晶粒度、残留奥氏体量的关系见表2-27；LD钢在一定条件下的力学性能见表2-28。

表2-26 LD钢不同淬火温度、回火温度时的硬度HRC

表2-27 LD钢淬火温度与硬度、晶粒度、残留奥氏体量的关系

表2-28 在一定条件下LD钢的力学性能

由表可知，LD钢在保持较高强韧性的情况下，它的抗压强度及耐磨性均比65Nb钢高。

LD钢的淬火温度范围较宽，为1100～1150℃。淬火后约有34%的残留奥氏体，所以淬火变形小。为使残留奥氏体充分转变为马氏体，必须进行高温回火，回火温度为540～570℃，回火次数2～3次，每次以1～2h为宜。回火后的硬度为57～63HRC。有时为了提高模具的韧性，也可采取“低淬低回”工艺，淬火温度为1050～1080℃，回火温度为180～220℃，回火后硬度为58～60HRC。

LD钢可锻性能良好，宜采用缓慢加热，保证热透。锻造加热温度应严格控制，一般为1130～1150℃，终锻温度≥850℃，锻后砂冷。由于LD钢碳化物偏析小，ϕ50mm以下的原材料不经改锻可以直接使用。但大规格的原材料必须经过锻造，锻后退火温度为860℃，退火后硬度为170～240HBW，可加工性与Cr12MoV钢相当。简单的LD钢型腔模可以采用冷挤压成形。综上所示，和其他模具钢相比，LD钢具有更好的综合性能。因此，广泛用于制造冷挤、冷镦、冲压和弯曲等冷作模具，其寿命比高铬钢、高速钢提高几倍到几十倍。

（3）GD钢 由于基体钢虽然具有高强韧性和较好的耐磨性，但其合金度大于10%，成本较高；其次，淬火温度区间较窄，一般不能用箱式电阻炉加热淬火，从而限制了该类钢在中小企业的推广应用。GD钢是高强韧性低合金冷作模具钢，淬火加热温度低，区间宽，可采用油淬、风冷及火焰加热淬火。可用它代替CrWMn、Cr12型、GCr15、9SiCr、9Mn2V、6CrW2Si等材料制作各类易崩刃、易断裂模具，以提高模具使用寿命。

从合金化和性能特点看，GD钢属于高强韧性冷作模具钢。其成分与CrWMn钢相比，减低了含碳量，新增镍、硅，合计元素总质量分数为4%。GD钢主要性能特点如下：

1）钢的冲击韧度、小能量多冲寿命、断裂韧度和抗压屈服点显著优于CrWMn钢和Cr12MoV钢，而磨损性能略低于Cr12MoV钢，但优于CrWMn钢，见表2-29。

表2-29 GD钢的强韧性

2）碳化物偏析小，可锻性良好，可以不改锻，下料后直接使用。如需改锻，锻造温度为850～1120℃，锻后需缓冷。(www.xing528.com)

3）淬透性良好，空冷可以淬硬，淬火变形缩小。而退火却不易软化，最佳的退火工艺为：加热760～780℃×2h，随炉缓冷至680℃等温6h，再炉冷至550℃出炉空冷，硬度为230～240HBW。

4）淬火加热温度低，区间宽，可采用油淬、风冷及火焰加热淬火，回火温度也低，有利于节能。最佳热处理工艺为：淬火加热870～930℃，回火175～230℃，回火一次2h。

5）淬硬性良好，900℃加热油冷淬火，淬火硬度为64～65HRC，空淬硬度61HRC。

6）该钢是适用于火焰表面加热淬火的专用钢，表面加热后空冷淬火可获得58HRC以上的硬度和一定的淬透深度。但在满足火焰淬火的同时，该钢的韧性和脱碳敏感性尚不够理想。

7）GD钢可代替CrWMn、Cr12型、GCr15、9SiCr、9Mn2V、6CrW2Si等钢制造各种异形、细长、薄片冷冲凸模，形状复杂的大型凸凹模，中厚钢板冲裁模及剪刀片，精密淬硬塑料模具等。模具的寿命大幅度提高，具有显著的经济效益。

（4）CH-1钢CH-1钢又称火焰淬火钢，具有良好的焊接性能，对在使用中崩刃的模具可进行焊补。可用于制造大型、复杂的薄板冲孔模、整形模、切边模、拉深模及冷挤压模的型腔面，可以简化制造工艺，保证精度、缩短加工周期，降低成本。

CH-1钢的化学成分见表2-30。

表2-30 CH-1钢的化学成分（质量分数，%）

CH-1钢的主要特性如下：

1）具有高的强韧性和良好的耐磨性，如表2-31和图2-27所示。能有效避免冷作模具钢崩刃现象的产生。

表2-31 CH-1钢与三种常用模具钢力学性能比较

2）该钢在860～960℃加热淬火时，可获得理想的淬火组织，所以，淬火温度范围宽，利于火焰加热淬火。

3）淬透性好，淬硬性高，热处理变形小。ϕ80mm截面零件油冷心部可淬透，ϕ40mm以下的截面可空冷硬化，硬度可达62～64HRC，硬度均匀，磨损倾向小。

4）碳化物偏析小，塑性变形抗力低，可锻性良好。锻造温度为800～1200℃，锻后采用空冷或灰冷。退火工艺为：加热温度820～840℃，等温温度600～700℃，退火硬度小于240HBW。

5）焊接工艺性好，能满足冲模的焊接要求。

综上所述，CH-1钢具有良好的综合力学性能，可用于制造各类冷作模具，如薄板冲孔模、整形模、切边模、冷挤压模等。由于该钢可以火焰淬火，对于多孔位的冲模或复杂型腔、刃口，采用火焰表面淬火，其型腔和孔距变形小，而且制造工艺简化，加工成本降低。对于强韧性要求较高的冷作模具，可用CH-1钢取代T10A、9Mn2V、Cr12MoV等钢来制造，模具寿命可提高3～4倍。

（5）8Cr2钢 对于形状非常复杂或配合尺寸精度特别高的模具，模具材料除了应具有一定的强韧性和耐磨性外，还必须具有良好的可加工性、组织稳定性和热处理变形小。8Cr2钢就是适应这种要求研制的一种易切削精密冷作模具钢。其主要成分是采用高碳多元少量合金化，见表2-32。

图2-27 耐磨性比较

1—T10A 2—CrWMn 3—9Mn2V 4—CH-1

表2-32 8Cr2钢的化学成分（质量分数，%）

8Cr2钢的主要性能特点：

1）淬硬性、淬透性好。ϕ100mm圆料在860～920℃空冷淬火或硝盐分级淬火后，硬度可达61～64HRC。

2）热处理工艺简单。作为预硬化钢的热处理工艺为：860～880℃×2min/mm空冷淬火，550～620℃×2h回火；用于高硬态模具的热处理工艺为：860～900℃空冷淬火，160～250℃回火。

3）其强韧性比Cr12MoV、CrWMn钢高。如经高硬态处理的硬度为58～62HRC，抗弯强度为3130～3170MPa，抗弯屈服强度为2380～2700MPa、冲击韧度（纵）为25～35J/cm²。经预硬化处理的力学性能见表2-33。

表2-33 8Cr2钢预硬化处理后的力学性能

4）可加工性能良好。退火态可比一般模具钢缩短加工工时30%以上，硬度为40～45HRC的调质状态仍可采用高速钢刀具顺利地进行车、铣、刨、钻、镗、攻丝等常规加工。

5）热处理变形小。860～900℃淬火，160～250℃回火，轴向总变形率小于0.09%，径向总变形率小于0.15%。

6）具有良好的表面处理性能。可进行渗氮、渗硼、镀铬、镀镍处理。

8Cr2钢的应用范围：

1）作为预硬化钢，适于制作精密的塑料模、胶木模和印制电路板冲孔模。与其他冷作模具钢相比，配合精度提高1～2数量级，表面粗糙度减低，使用寿命提高2～10倍以上。

2）作为高硬态钢，主要制作精密零件的冲裁模，如手表零件冲裁模，电器零件冲裁模，寿命较传统模具钢都大幅度提高。

3.高强韧性冷作模具钢的热处理工艺

高强韧性冷作模具钢热处理工艺方法很多，也比较复杂，生产中需根据具体情况加以选用。表2-34是高强韧性冷作模具钢的常用热处理工艺，以供制订具体模具的热处理工艺时参考。

表2-34 高强韧性冷作模具钢热处理工艺

（续）