冷作模具钢GCr15的化学成分及特性解析

冷作模具品种多、应用范围广，其产值占模具总产值的30%～40%，采用的钢材品种繁多，按工艺性能和承载能力可将冷作模具钢按表1-2-1分类。

1.低淬透性冷作模具钢

（1）碳素工具钢 常用碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能见表1-2-2，锻造工艺规范见表1-2-3。锻造后的模具毛坯需进行球化退火处理，若退火前钢中存在较严重的网状渗碳体，则应先正火，通常是经高温加热后鼓风冷却，使二次渗碳体来不及呈网状析出。若渗碳体网状不太严重，则不一定先正火，只需在球化退火时增加保温时间即可。碳素工具钢球化退火及正火工艺规范见表1-2-4和表1-2-5。碳素工具钢的淬火、回火工艺规范见表1-2-6。

表1-2-1 冷作模具钢的分类

表1-2-2 冷作模具用碳素工具钢的牌号、化学成分和力学性能

表1-2-3 碳素工具钢的锻造工艺规范

表1-2-4 碳素工具钢球化退火工艺规范

表1-2-5 消除碳素工具钢缺陷的正火工艺规范

表1-2-6 碳素工具钢的淬火、回火工艺规范

碳素工具钢的硬度和耐磨性主要由碳含量决定，碳含量越高硬度越高、耐磨性越好，如T12钢比T10钢耐磨性稍高。钢的韧性随碳含量的增加而逐渐下降。提高淬火温度可使碳素工具钢的强韧性下降。研究表明，适当提高淬火温度，可增加硬化层厚度，从而提高模具的承载能力。因此，对于直径小于15mm、容易完全淬透的小型模具，可采用较低的淬火温度（760～780℃）；对于大、中型模具，应适当提高淬火温度（800～850℃）或采用高温装炉快速加热工艺（炉温可高于上述温度）。碳素工具钢的硬度随回火温度的提高而下降。在低温回火阶段（150～300℃），弯曲强度及韧性随回火温度的升高而明显增高。但是碳素工具钢的扭转试验结果表明，在200～280℃回火温度范围内出现一个脆性区。由于实际模具绝大多数承受弯曲及拉、压载荷，故目前在生产中仍采用220～280℃回火。

用作冷冲裁模的碳素工具钢主要有：T7A、T8A、T10A和T12A。其中，T7A为高韧性碳素工具钢，其强度及韧性都较高，适合制作易脆断的小型模具或承受冲击载荷较大的模具；T10A是最常用的钢材，是性能较好的代表性碳素工具钢，耐磨性也较高，经适当热处理可得到较高的强度和一定的韧性，适合制作耐磨性要求较高而承受冲击载荷较小的模具；T8A钢的淬透性、韧性等均优于T10A钢，耐磨性也较高，适于制作小型拉拔、拉深、挤压模具；T12A钢适用于要求高硬度和高耐磨性而对韧性要求不高的切边模等。

（2）GCr15钢GCr15钢也常用来制造冷作模具，其化学成分见表1-2-7。通过适当的热处理，GCr15钢可以获得高硬度、高强度和良好的耐磨性，并且淬火变形小。GCr15钢的热加工工艺见表1-2-8。

2.低变形冷作模具钢

低变形冷作模具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的铬、钼、钨、钒、硅、锰等合金元素，可以降低淬火冷却速度，减少热应力、组织应力和淬火变形及开裂倾向，钢的淬透性也明显提高。因此，碳素工具钢不能胜任的模具，可以考虑用高碳低合金钢来制作。

低变形冷作模具钢的化学成分及相变点见表1-2-9和表1-2-10。钢的锻造工艺和热处理工艺见表1-2-11～表1-2-13。

表1-2-7 GCr15钢的化学成分（质量分数） （%）

表1-2-8 GCr15钢的热加工工艺

表1-2-9 低变形冷作模具钢的化学成分

表1-2-10 低变形冷作模具钢的相变点

表1-2-11 低变形冷作模具钢的锻造工艺

表1-2-12 低变形冷作模具钢的退火工艺

① 如果CrWMn锻后已有较严重的网状碳化物析出或晶粒粗大，球化退火之前应进行一次正火处理，正火加热温度为930～950℃，然后空冷。

表1-2-13 低变形冷作模具钢的淬火、回火工艺

低变形冷作模具钢中CrWMn、9Mn2V、9SiCr使用较多。CrWMn的硬度、强度、韧性、淬透性及热处理变形倾向均优于碳素工具钢，主要用做轻载冷冲裁模（料厚小于2mm）、轻载拉深模及弯曲翻边模等；9Mn2V的冷加工性能好，热处理变形及淬裂倾向小，但该钢的淬透性、淬硬性、回火抗力、强度等方面不如CrWMn钢。9Mn2V钢适于制造一般要求的尺寸较小的冷冲压模和雕刻模等，用9Mn2V制作冲件厚度小于4mm的冷冲裁模，其刃磨寿命稳定在2～3.5万次的水平；9SiCr因钢中含有硅和铬，所以淬透性好，适宜进行分级或等温淬火，这对于防止模具发生淬火变形极为有利，故适于制作冷冲裁模及打印模等。

3.高耐磨微变形冷作模具钢

高耐磨微变形冷作模具钢的化学成分见表1-2-14，相变点见表1-2-15，锻造工艺见表1-2-16，热处理工艺见表1-2-17和表1-2-18。

表1-2-14 高耐磨微变形冷作模具钢的化学成分

表1-2-15 高耐磨微变形冷作模具钢的相变点

表1-2-16 高耐磨微变形冷作模具钢的锻造工艺

表1-2-17 高耐磨微变形冷作模具钢的退火工艺

表1-2-18 高耐磨微变形冷作模具钢的淬火、回火工艺

（续）

高耐磨微变形冷作模具钢中，Cr12型钢是应用范围最广、数量最大的冷作模具钢，几乎在所有冷作模具中均有应用。

Cr12Mo1V1钢的强韧性（抗弯强度、挠度、冲击韧度等）较Cr12MoV钢高，耐磨性也有所增加。实践表明，用Cr12Mo1V1钢制作的模具，寿命较Cr12MoV钢有所延长，如用Cr12Mo1V1钢制作的冷冲裁模、滚丝模等模具的寿命均比用Cr12MoV钢制作的模具寿命长5～6倍。Cr12Mo1V1钢的锻造性能比Cr12MoV钢略差。

4.高强度高耐磨冷作模具钢

高速钢具有很高的硬度、抗压强度和耐磨性，采用低温淬火、快速加热淬火等工艺措施可以有效地改善其韧性。因此，高速钢越来越多地应用于要求重载荷、长寿命的冷作模具。常用高速钢的钢号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。高速钢的抗压强度、耐磨性及承载能力居各冷作模具钢之首，主要用于重载荷凸模，如冷挤压凸模、重载冷镦凸模、中厚钢板冲孔凸模（厚度为10～25mm）、直径小于5～6mm的小凸模，以及各种用于冲裁的奥氏体钢、弹簧钢、高强度钢板的中小型凸模和粉末冶金压模等。

几种用于制作冷作模具的高速钢的化学成分见表1-2-19，锻造工艺见表1-2-20，热处理工艺见表1-2-21和表1-2-22。

表1-2-19 几种用于制作冷作模具的高速钢的化学成分（GB/T 9943—2008）

表1-2-20 几种典型高速钢的锻造工艺

表1-2-21 高速钢的普通球化退火和等温退火工艺

表1-2-22 高速钢的淬火、回火工艺

注：淬、回火注意事项：

①为减少淬火变形及开裂，淬火时必须进行预热，预热温度为800～850℃，预热时，装炉量的大小与模具形状也是考虑的因素，时间取淬火保温时间的2～3倍。

②如需二次淬火时，必须预先再次进行退火。

③回火必须三次以上，对于大尺寸或以等温淬火的模具，甚至需要进行4次回火处理。

5.高强韧性冷作模具钢

高强韧性冷作模具钢具有最佳的强韧性配合，此类钢包括基体钢、低合金高强度钢、降碳减钒的低碳M2钢、马氏体时效钢等。基体钢是指具有高速钢正常淬火后基体成分的钢，这类钢的碳质量分数一般为0.5%左右，合金元素的质量分数在10%～20%的范围内，在具有一定耐磨性和硬度的前提下，抗弯强度和韧性得到显著改善。

低合金高强韧冷作模具钢不仅强韧性高，而且碳化物偏析小，可不经改锻下料直接使用。淬、回火后硬度可保证在58～62HRC。该类钢的工艺性能好，淬火温度低，范围宽，变形小，且有较好的淬透性和耐磨性。

（1）基体钢

1）6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）钢。6Cr4W3-Mo2VNb钢因碳的平均质量分数为0.65%，故又名65Nb。该钢中合金元素Cr、W、Mo、V的含量设计取自淬火态的W6Mo5Cr4V2高速钢的基体成分，合金元素在模具钢中的作用与高速钢中相似。加入的合金元素Nb与钢中的碳生成高稳定性的NbC，使淬火后基体的碳含量降低，显著提高钢的韧性，Nb还改善了钢的工艺性能。65Nb钢的锻造及退火工艺性能良好，热处理温度范围大，淬火加热可在1080～1180℃，回火温度可在520～600℃之间选择，通过调整热处理参数，可以得到强度、韧性和耐磨性的不同配合，适应多种模具的性能要求。65Nb钢制作冷挤压模、冷镦模不易开裂，制作形状复杂的非铁金属冷挤压模、单位挤压力为2.5GN左右的钢铁材料冷挤压模以及轴承、标准件行业的冷镦模，使用寿命较现用的Cr12MoV等模具钢及高速钢模具成倍延长。65Nb对于单位挤压力超过2.5GN的钢铁材料冷挤压模具及要求高耐磨的模具，其抗压屈服强度和耐磨性则均显不足。65Nb钢的化学成分见表1-2-23。65Nb钢的相变点为：Ac₁为810～830℃，Ar₁为720～740℃，Ms为220℃。65Nb钢的锻造工艺规范见表1-2-24。65Nb钢的退火工艺曲线如图1-2-1所示，退火后硬度为217HBW，如将等温时间由6h延长到9h，则硬度可以进一步降低到187HBW。这就为模具自身冷挤压成形提供了有利条件，因此65Nb材质的模具可以采用冷挤压成形，这也是65Nb钢的最大优点。65Nb钢推荐的淬火、回火工艺规范见表1-2-25。65Nb钢的热处理工艺与力学性能的关系见表1-2-26。

表1-2-23 65Nb钢的化学成分（质量分数） （%）

表1-2-24 65Nb钢的锻造工艺规范

图1-2-1 65Nb钢的退火工艺曲线

2）7Cr7Mo2V2Si（LD）钢。LD钢的碳含量比65Nb钢高，合金元素钒的含量也较高，因此在保持高韧性的情况下，其抗压、抗弯强度及耐磨性均比65Nb钢高。由于LD钢具有良好的强韧性和耐磨性，因而适用于制造冷挤压模、冷镦模，如轴承滚子冷镦模、标准件冷镦凸模等。

LD钢的化学成分见表1-2-27。为获得较好的韧性，碳的质量分数取0.7%～0.8%。为保持较高的硬度及耐磨性，可加入一定量的Cr、Mo、V碳化物形成元素，加入Si是为了强化铁素体基体。LD钢的相变点为：Ac₁为876℃，Ar₁为725℃，Ac₃为925℃，Ar₃为816℃，Ms为105℃。LD钢的锻造工艺规范见表1-2-28，LD钢的热处理工艺规范见表1_-2_-29和表1-2-30，LD钢经不同温度淬火、回火后的力学性能见表1-2-31和表1-2-32。

表1-2-25 65Nb钢推荐的淬火、回火工艺规范

表1-2-26 65Nb钢的热处理工艺与力学性能的关系

表1-2-27 LD钢的化学成分（质量分数） （%）

表1-2-28 LD钢的锻造工艺规范

表1-2-29 LD钢的退火工艺规范(www.xing528.com)

表1-2-30 LD钢的淬火、回火工艺规范

表1-2-31 LD钢经不同温度淬火、回火后的力学性能

表1-2-32 LD钢经不同温度淬火、回火后的硬度

3）5Cr4Mo3SiMnVAl（012Al）钢。012Al钢综合性能好、强韧性高、通用性强，是冷、热兼用型模具钢，在替代Cr12MoV及3Cr2W8V钢制作冷、热作模具方面均取得较好效果。制作冷作模具主要用于冷镦模、中厚钢板凸模、搓丝板模、内六角凸模、切边模等，使用寿命比Cr12MoV钢制作的冷作模具大幅度延长。

012Al钢的化学成分见表1-2-33。012Al钢的相变点为：Ac₁为837℃，Ac₃为902℃，Ms为277℃。012Al钢的改锻工艺见表1-2-34，改锻后的钢坯按图1-2-2所示工艺曲线进行等温球化退火。012Al钢的热处理工艺见表1-2-35，热处理后的力学性能见表1-2-36和表1-2-37。

图1-2-2 012Al钢的退火工艺曲线

表1-2-33 012Al钢的化学成分（质量分数） （%）

表1-2-34 钢锭及钢坯改锻工艺

表1-2-35 012Al钢的淬火、回火工艺规范

表1-2-36 012Al钢不同温度淬火、回火后的硬度（HRC）

表1-2-37 012Al钢的性能对比

①ϕ10mm×100mm，跨距80mm。

（2）低合金高强韧性冷作模具钢6CrNiSiMnMoV（GD）GD钢已在机械、电子、轻工、航天、邮电等部门成功应用，代替CrWMn、Cr12、GCr15、6CrW2Si、9SiCr、9Mn2V等钢制作各种类型的易崩刃、易断裂的冷作模具，如冷挤压模、冷弯曲模、冷镦模、精密塑料模、温热挤压模等，且均获得满意的成效，模具寿命能延长几倍、十几倍、几十倍甚至数百倍。该钢尤其适用于细长、薄片凸模，形状复杂、大型、薄壁凸凹模和中厚板冷冲裁模及剪刀等。GD钢属于低合金高强韧性冷作模具钢，其合金化特点是适当降碳，同时加入Cr、Ni、Si、Mn、Mo、V等多元少量合金，合金元素总质量分数在4%左右。GD钢的化学成分见表1-2-38。GD钢的相变点为：Ac₁为705℃，Ac₃为740℃，Ar₃为605℃，Ar₁为580℃，Ms为172℃。GD钢的锻造工艺规范见表1-2-39，锻后按图1-2-3所示规范退火，退火硬度为230～240HBW。推荐的热处理工艺规范见表1-2-40，热处理后的力学性能见表1-2-41。

图1-2-3 GD钢的球化退火工艺曲线

表1-2-38 GD钢的化学成分（质量分数） （%）

表1-2-39 GD钢的锻造工艺规范

表1-2-40 GD钢的淬火、回火工艺规范

表1-2-41 回火温度对GD钢硬度的影响

（3）火焰淬火冷作模具钢7CrSiMnMoV（CH-1）7CrSiMnMoV钢具有高于T10A、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV钢的强韧性，可用于强韧性要求较高的落料模、冲孔模、切边模、弯曲模、压形模、拉深模、冷镦模等冷作模具的刃口部位，经氧乙炔火焰加热到淬火温度，然后空冷即达到淬硬的目的，变形小，勿需再经其他处理。经火焰淬火处理的模具与碳素工具钢、低合金钢模具相比，具有较长的使用寿命，可使模具寿命延长1～3倍，并可使模具的生产周期缩短近10%，价格降低10%～20%，热处理节省能源80%左右，为冷冲裁模制造工艺实现高效、低成本、节能开辟了新的途径。7CrSiMnMoV钢的热处理变形小，提高了模具制造精度，已广泛应用在标准件、轴承、电子电器及汽车等行业。

7CrSiMnMoV钢的化学成分见表1-2-42。7CrSiMnMoV钢的相变点为：Ac₁为776℃，Ac₃为834℃，Ar₁为694℃，Ar₃为732℃，Ms为211℃。7CrSiMnMoV钢的锻造工艺规范见表1-2-43，锻后按图1-2-4所示工艺退火。推荐的整体淬火、回火工艺曲线如图1-2-5所示，处理后的硬度为58～62HRC。

7CrSiMnMoV钢是适于火焰表面加热淬火的模具钢，火焰加热淬火可用单头或双头喷嘴加热空冷淬火，获得的硬度为58HRC，有一定的淬透层深度。一般模具刃口经200℃预热单件加热淬火，变形率在0.02%～0.05%之内。300mm以内的镶块火焰淬火后，接合缝变形大多在0.1mm左右，可满足大型冷冲裁模制造技术的要求，火焰表面淬火的7CrSiMnMoV钢的各种性能指标比整体加热淬火低5%～15%。

表1-2-42 7CrSiMnMoV钢化学成分

表1-2-43 7CrSiMnMoV钢的锻造工艺规范

图1-2-47 CrSiMnMoV钢的退火工艺曲线

6.易切削精密冷作模具钢

8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）钢是我国研制的易切削精密冷作模具钢，在较高强度和硬度的调质态，仍具有较好的切削加工性能，使模具在加工后可以直接使用，这对于形状复杂或要求尺寸配合特别高的模具非常适用。

图1-2-57 CrSiMnMoV钢整体淬火、回火工艺曲线

8Cr2MnWMoVS钢热处理工艺简单，淬透性好，如空冷淬透直径可达100mm；淬火硬度高，如860～920℃空淬、油淬或硝盐分级淬火，硬度均可达到61.5～64HRC；具有良好的强韧性；切削加工性能及抛光研磨性能良好。

8Cr2MnWMoVS钢可作为预先淬硬钢，适宜制作各类塑料、胶木、橡胶、陶土瓷料等制品的精密模具及印制板冲孔模。用该钢制作的模具配合精度较其他合金工具钢高1～2个数量级，表面粗糙度值低1～2级，使用寿命长2～10倍。

8Cr2MnWMoVS钢作为易切削精密冷作模具钢，适于制作冲裁模，因其淬火、回火硬度高，强韧性好，热处理变形小，因而制模精度高，使用寿命长。

8Cr2MnWMoVS钢采用高碳多元少量合金，以硫作为易切削元素，其化学成分见表1-2-44。8Cr2MnWMoVS钢的相变点为：Ac₁为770℃，Ac_cm为820℃，Ar₁为660℃，Ar_cm为710℃，Ms为165℃。8Cr2MnWMoVS钢的锻造工艺规范见表1-2-45，锻后球化退火工艺曲线如图1-2-6所示，退火硬度为220～240HBW。锻后一般退火工艺曲线如图1-2-7所示，退火硬度为240HBW左右。作为预先淬硬钢时，推荐热处理工艺为860～880℃淬火，淬火硬度为62～64HRC，550～620℃回火2h，回火硬度为40～48HRC，可进行各种常规加工。

表1-2-44 8Cr2MnWMoVS钢的化学成分 （质量分数） （%）

表1-2-45 8Cr2MnWMoVS钢的锻造工艺规范

图1-2-68 Cr2MnWMoVS钢锻后球化退火工艺曲线

图1-2-78 Cr2MnWMoVS钢锻后一般退火工艺曲线

7.高耐磨、高强韧性冷作模具钢

高强韧性钢虽然克服了高铬钢、高速钢的脆断倾向，但由于钢中碳含量减少，其耐磨性不如高铬钢和高速钢。对一些以磨损为主要失效形式的模具，上述钢种仍满足不了要求。为此，研制了高耐磨、高强韧性的冷作模具钢，其典型钢种主要有9Cr6W3Mo2V2（GM）和Cr8MoWV3Si（ER5）。

（1）9Cr6W3Mo2V2（GM）钢9Cr6W3Mo2V2钢在韧性和强度上均优于高碳高铬钢及高速钢；硬度指标高于基体钢及高碳高铬钢，在抗粘着磨损上也大大优于基体钢和高铬钢，并与高速钢相近；抗弯强度和压缩屈服点远高于高铬钢，其抗弯强度约高出70%。由于GM钢中Cr、W、Mo、V等合金元素配比合理，有较强的二次硬化效应，各项工艺性能好，易于加工制模，是较理想的精密、耐磨冷作模具钢。因而，在高速压力机多工位级进模、滚丝模、切边模、拉深模等方面已得到较好应用。与Cr12MoV及某些基体钢相比，延长寿命2～6倍。在标准件、电器仪表和电机行业都有广泛的应用前景。

GM钢的化学成分见表1-2-46。GM钢的相变点为：Ac₁为795℃，Ac_cm为820℃，Ms为220℃。GM钢的锻造工艺规范见表1-2-47，GM钢的退火工艺曲线如图1-2-8所示，GM钢的淬火、回火工艺曲线如图1-2-9所示。淬火、回火后的力学性能见图1-2-10～图1-2-12和表1-2-48。

表1-2-46 GM钢的化学成分 （质量分数） （%）

表1-2-47 GM钢的锻造工艺规范

图1-2-8 GM钢的两种退火工艺曲线

a）钢锭 b）模具毛坯

图1-2-9 GM钢的淬火、回火工艺曲线

图1-2-11 回火温度对GM钢及其他钢硬度的影响

图1-2-10 淬火温度对GM钢及其他钢硬度的影响

图1-2-12 不同温度淬火及回火后GM钢的硬度

表1-2-48 GM钢与Cr12MoV、D2钢的压缩及弯曲强度

（2）Cr8MoWV3Si（ER5）钢 新型高耐磨冷作模具钢ER5成分设计合理，钨、钼复合加入，增加了二次硬化效果。与基体钢比较，ER5钢提高了碳含量、钒含量以及Cr、Mo、W等碳化物形成元素的含量，因而使ER5钢具有高耐磨性及高强韧性。与Cr12MoV钢比较，ER5钢的碳化物数量少，颗粒细小，分布均匀，强度、韧性、耐磨性等力学性能均优于Cr12MoV钢。ER5钢应用于冷镦模和冷冲裁模，模具寿命显著延长。如果采用ER5钢制作电机硅钢片冷冲裁模，模具总寿命为360万次，一次刃磨寿命21万次，达到国内硅钢片冷冲裁模最高寿命水平。ER5钢的化学成分见表1-2-49。ER5钢的相变点为：Ac₁为858℃，Ac₃为907℃，Ms为215℃。ER5钢的锻造工艺规范见表1-2-50，ER5钢的退火工艺曲线如图1-2-13所示，退火后硬度为200～240HBW。推荐采用的热处理工艺：对耐磨性要求高又能保证高强韧性时，应采用1150℃淬火，520～530℃回火三次的工艺；对重载服役条件下的模具，采用1120～1130℃淬火，550℃回火三次的工艺。ER5钢经不同淬火温度及三次回火（每次1h）后的硬度见表1-2-51。此外，当1100℃淬火、550℃回火时，ER5钢具有最高抗拉强度（2480MPa）；当1180℃淬火、550℃回火时，ER5钢具有最高抗压屈服强度（3487MPa）；当1100℃淬火、550℃回火时，ER5钢获得最高抗弯强度（4965.7MPa）。

图1-2-13 ER5钢的退火工艺曲线

表1-2-49 ER5钢的化学成分

表1-2-50 ER5钢的锻造工艺规范

表1-2-51 不同淬火温度及三次回火 (每次1h）后的硬度