如何选择和加工热摆辗和冷摆辗模具材料？

与锤锻模具和压力机锻造模具相比，摆辗成形模具工作的一个显著特点是始终承受交变的偏心载荷。以下针对热摆辗和冷摆辗工艺特点，介绍热摆辗模具材料和冷摆辗模具材料选用和加工处理方法。

（一）热摆辗模具材料

热摆辗时，摆辗模具材料应有较好的耐热性、良好的回火稳定性和耐热疲劳性能，使模具不因受热而产生硬度下降和发生塑性变形。同时，还应具有良好的导热性能、淬透性能、冷热加工工艺性能和经济性等。目前，用于热摆辗工艺的模具材料有5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiV1（H13）、3Cr2W8V、MA金属陶瓷材料及GH135高温合金等。

1.5CrNiMo和5CrMnMo

5CrNiMo和5CrMnMo是低合金耐热和高韧性钢，其碳含量（质量分数）在0.50%～0.60%之间，具有较高的冲击韧度，属典型的锤锻模用钢。5CrMnMo和5CrNiMo钢是我国较早开发的高韧性钢，5CrMnMo是以Mn代替Ni而开发的一种替代5CrNiMo的钢。5CrMnMo与5CrNiMo相比，强度相近，但塑性、韧性、淬透性和过热敏感性稍差。表6-5-4和表6-5-5是这两种钢的化学成分和力学性能。

5CrMnMo和5CrNiMo钢的锻造工艺性能、热处理工艺性能和机械加工性能都很好。但强度偏低，适合作形状简单的热摆辗模。

2.4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiVI（H13）

4Cr5MoSiV（H11）、4Cr5MoSiVI（H13），属于中耐热性钢，是我国20世纪70年代中期引进的钢种，其化学成分和力学性能见表6-5-6和表6-5-7。

表6-5-4 5CrMnMo和5CrNiMo

表6-5-5 5CrMnMo和5CrNiMo钢的室温力学性能

表6-5-6 H11、H13钢的化学成分 （%）

表6-5-7 H11、H13钢的室温力学性能

H13钢和H11钢都是中碳中铬型热作模具钢，因为它的含铬量在5%（质量分数）左右，也称5%Cr型热作模具钢。H13钢的含钒量比H11要略高一些，因而在中温下其耐磨性及硬度也要高些。H11和H13都属于空冷硬化型热作模具钢，不仅淬透性好，而且回火稳定性也高，同时具有较高的中温强度、耐热疲劳性及抗氧化性，也有一定的冲击韧度，因此，很适宜用于制作热摆辗模具。如果H13钢和H11钢热摆辗模具在淬火后再进行型面氮化处理，则模具寿命还会有较大幅度提高。

3.3Cr2W8V钢

3Cr2W8V是一种广泛使用的热作模具钢，属高合金耐热性钢。成分上碳含量并不高，但含有较多的合金元素，由于其碳和合金元素的含量是W18Cr4V的一半，也称其为半高速钢，其化学成分和力学性能分别如表6-5-8和表6-5-9所示。

表6-5-8 3Cr2W8V钢的化学成分 （质量分数，%）

表6-5-9 3Cr2W8V钢的力学性能

3Cr2W8V由于含有较多的易形成碳化物的元素Cr、W，因此，有较高的高温强度和硬度，具有高的耐磨性，可在600～700℃高温下工作。但它的塑性、韧性和抗冷热疲劳性能都低于5%Cr的热模具钢。

4.高温陶瓷MA

MA材料是金属相钨（或者添加钼）和陶瓷氧化铝（Al₂O₃）等经烧结压制而成的复合材料，其生产的工艺流程为：粉末配制——混合——成形——烧结——切削加工，再经过一定的工艺处理，将金属相和陶瓷二者的良好性能结合在一起，所以叫高温陶瓷。MA材料在相当高的温度下仍有合适的硬度，如图6-5-30所示。在900～1100℃时能承受大的压应力和交变剪切载荷，并有自润滑性能，在工作时不发生模具与工件的粘连。

MA材料已用于热摆辗碟形弹簧、不锈钢铣刀片、汽车离合器盘毂等零件，显示了使用寿命高、模具性能稳定、经济效益显著等优点。用它制作的模具，每修磨一次可辗压1500～2500件。每副模具可修模5～6次，寿命达10000件以上。MA材料加工性能较好，是一种值得推广的高温热摆辗模具材料，但成本较高。MA材料较脆，在使用中应防止模具表面受冲击；同时，在使用预应力圈时，还要注意选择合理的过盈量，否则容易导致模具开裂。

5.GH135高温合金

GH135高温合金是一种铁基高温合金，它属于奥氏体时效硬化合金，它依靠合金中析出γ′相[Ni（Al、Ti）]使合金得到最大程度的强化。GH135合金的化学成分见表6-5-10。图6-5-39给出了GH135合金等几种材料的高温硬度。从图6-5-31可以看出，在850℃时，GH135的硬度仍然很高，达到320HBW；在1080℃时，布氏硬度仍大于250HBW。

图6-5-30 MA高温陶瓷的硬度与温度的关系曲线

1—MA材料 2—W9Mo3Cr4V

表6-5-10 GH135合金的化学成分 （质量分数，%）

图6-5-31 几种材料的高温硬度

●—GH135高温合金 ▲—3Cr2W8V ×—5CrNiMo

GH135高温合金中含15%（质量分数）左右的铬，它的氧化膜主要由以Cr₂O₃为主的复合氧化物构成，与基体结合牢固、致密，具有良好的抗氧化性能，这样有利于冷热冲击疲劳性能的提高。表6-5-11和表6-5-12为GH135合金冷热疲劳性能及冷热循环对合金性能的影响。

表6-5-11 GH135高温合金的冷热疲劳性能 （750℃→20℃吹风冷却）

表6-5-12 冷热循环对GH135高温合金性能的影响(www.xing528.com)

从表6-5-11和表6-5-12可以看出，GH135合金具有良好的冷热疲劳性能，而且经冷热疲劳试验以后，合金的高温强度不但不降低，而且有所提高。这种性能对于在冷热循环下工作的热摆辗模具是非常合适的。但GH135高温合金价格较贵，一般只用它做模具镶块。

（二）冷摆辗模具材料

钢在冷摆辗成形时的变形抗力较大，模具工作部分将产生很大的应力并受到剧烈的摩擦，所以模具应具有高的强度、硬度和耐磨性。同时，摆辗工艺的不均匀受力以及应力的频繁循环作用，模具应具有高的冲击韧度和疲劳强度。为了保持模具工作部分的尺寸精度和不发生塑性变形，摆辗模具应具有足够高的屈服强度。冷摆辗模具寿命一般比热摆辗模具寿命长，摆辗各种齿轮和非回转体法兰零件时，模具寿命为1000～5000件，有的可达10000件以上。目前，冷摆辗模具材料主要采用下列几种：GCr15轴承钢、Cr12型钢、高速钢（钨钼系）、高合金改型基体钢和高强韧低合金冷作模具钢等。

1.GCr15

GCr15属冷作模具钢的高碳低合金钢，化学成分如表6-5-13所示。GCr15由于其合金元素含量少，强度及耐磨性稍差。

表6-5-13 GCr15的化学成分 （质量分数，%）

用GCr15钢做端面齿轮摆辗成形模，寿命为1000～1500件。因此，对形状不复杂、批量小的工件，其冷摆辗成形模可采用GCr15。

2.Cr12型钢

Cr12是高耐磨的冷作模具钢，我国用其做摆辗模具的时间较长。该材料合金含量高，易形成网状碳化物，脆性较大，但它有热处理变形小、耐磨性好的特点，在冷摆辗模具中有较多应用。我国应用的Cr12型模具钢主要有三种，见表6-5-14。

表6-5-14 Cr12型模具钢的化学成分 （质量分数，%）

Cr12型钢属于莱氏体钢，室温下其退火组织中，

除了 含 有 含 铬 的α-Fe外，还 有 合 金 碳 化 物

（CrFe）7 C₃。而 对 于Cr12钢 来 说，则 还 存 在

（FeC₃）3 C、（CrFe）7 C₃型铬碳化合物，并且具有极

高的硬度，可达1820HV。因此，Cr12钢的耐磨性稍优于Cr12Mo及Cr12MoV钢。但Cr12钢的碳化物分布不均匀性要比后面两种钢严重，因而韧性、强度性能有所降低。而Cr12MoV钢的综合性能优于Cr12。冷摆辗模具用Cr12MoV较多，用于冷摆辗齿轮其寿命可达到约2000～5000件。

3.高速钢

用作模具的高速钢有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和6W6Mo5Cr4V，其成分见表6-5-15。

表6-5-15 几种高速钢的化学成分 （质量分数，%）

W18Cr4V钢是钨系高速钢的典型钢种，在冷摆辗模中主要是应用它强度高、热硬性好和耐磨性高的性能特点，但其韧性较低，易发生断裂。因此，多用其做镶块。

W6Mo5Cr4V2（代号M2钢）钢是在钨系高速钢的基础上，以钼代替部分钨而发展起来的钨钼系高速钢，与W18Cr4V相比，同规格的W6Mo5Cr4V2钢的碳化物不均匀性要低1～2级，其淬火、回火后钢的强度和韧性比W18Cr4V高，但热硬性稍低。W6Mo5Cr4V2的价格便宜，机械加工容易，在冷摆辗模具中应用较多。

6W6Mo5Cr4V（代号为H42）属低碳高速钢，与W6Mo5Cr4V2钢相比，含碳和含钒量都要低些。6W6Mo5Cr4V钢经淬火回火后，可以得到比W18Cr4V钢和W6Mo5Cr4V2钢都要高的强度和韧性。其抗弯强度可达4700MPa，无缺口冲击韧度达50～60J/cm²，硬度在40～43HRC，适合制造冷摆辗模具。

4.高合金改型基体钢LD

LD钢是7Cr7Mo3V2Si钢的代号，它是一种高碳高铬不含钨的高合金钢，其化学成分见表6-5-16。

表6-5-16 LD钢（7Cr7Mo3V2Si）的化学成分 （质量分数，%）

表6-5-17 LD钢不同状态下的力学性能

LD钢的强度、硬度及淬透性都很好，因其含有高的钼、钒成分，提高了二次硬化能力，进一步改善了强韧性与淬透性。钢中含有一定的硅能提高变形抗力、冲击韧性、抗疲劳性，具有良好的综合性能。LD钢的力学性能见表6-5-17。

由表6-5-17可以看出，LD钢的抗弯强度大约为Cr12MoV钢的2倍多，冲击韧度为Cr12MoV的3～4倍。另外，LD钢的碳化物呈细小点状分布，且碳化物的不均匀度小，因此，其具有高的强韧性，非常适合冷摆辗模具。

5.高强韧低合金模具钢GD钢

GD钢是6CrNiMnSiMoV钢的简称，该钢种合金元素很低，仅为4%（质量分数），具体成分见表6-5-18。GD钢的碳化物细小均匀，强度和韧性高，明显优于Cr12型钢，具体性能参见表6-5-19。GD钢的工艺性能好，淬火温度低，变形小，即使出现裂纹，扩展也很慢。因此，GD钢特别适合于以崩刃和碎裂失效为主要失效形式的冷摆辗成形模具。

表6-5-18 6CrNiMnSiMoV（GD）钢的化学成分 （质量分数，%）

表6-5-19 GD钢与Cr12MoV钢