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冷作模具鋼材質性能分析
冷作模具鋼材質性能分析
在冷作模具鋼中，所發展的材料有：
高韌性、高耐磨性模具鋼 這些鋼C、Cr含量低于傳統的Cr12型模具鋼，增加了Mo、V合金數量、其耐磨性優于Cr12Mo1V1鋼，韌性和抗回火軟化能力則高于Cr12，如美國釩合金鋼公司早期發表的Vasco Die(8Cr8Mo2V2Si)、日本大同特殊鋼公司的DC53（Cr8Mo2VSi），我國自行開發的則有7Cr7Mo2V2Si(LD鋼)、9CrW3Mo2V2(GM鋼)等，分別用于冷擠壓模具，冷沖模具及高強度螺栓的滾絲模具。
國內冷作模情況:
1． 冷作模具鋼的開發情況
對冷作模具材料的主要性能要**：良好的耐磨性，足夠的強度和韌性，高的疲勞壽命，良好的抗擦傷和咬合性能以及良好的工藝性能。九十年代以前，國內常用的冷作模具鋼有：碳素工具鋼T1OA，合金工具鋼9SiCr、9Mn2V、CrWMn、Cr6WV、Cr12、Cr12MoV、5CrW2Si；高速工具鋼 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2；軸承鋼GCr15；彈簧鋼60Si2Mn，滲碳鋼20Cr、12CrNi3A；不銹鋼3Crl3等。其中用量*大的是 C r12、Cr12MoV、T10A、CrWMn、9SiCr、9Mn2V、GCr15、60Si2Mn和 W18Cr4V。為滿足生產要求，國內先后研究開發了一系列新型冷作模具鋼。
1、高強韌耐磨鋼
Cr12系列冷作模具鋼是較廣泛采用的鋼種系列，具有良好的淬透性和耐磨性，但共晶碳化物偏析較嚴重，韌性較差，淬火后異常變形較大。為彌補此類鋼的性能缺陷，國內先后開發了一些高強韌耐磨鋼，如7 Cr7Mo2V2Si(代號 L D)、Cr8WmoV3Si(代號 ER5)、9 Cr6W3Mo2V2 (代號 GM)、Cr8MoV2Ti、80Cr7Mo3W2V等。與 Cr12、Cr12MoV相比，此類鋼的碳和鉻的含量較低，改善了碳化物不均性，提高了韌性；適當增加了 W、Mo、V等合金元素的含量，從而增強了二次硬化能力，提高了耐磨性。所以，此類鋼在具有良好的強韌性的同時，還有優良的耐磨性和較好的綜合性能，主要用于制造承受應力較大、要求高強韌性和耐磨損的各類冷作模具。
7Cr7Mo2V2Si，代號LD，*初是針對冷鐓模具而研制的。其碳含量低于 G．Steven推薦的'平衡碳'規律，使鋼在具有高硬度的同時，又具有較好的韌性；加入Cr、Mo、V元素，有利于二次硬化，保證鋼具有較高的硬度、強度和良好的耐磨性；加入一定量的 Si，以強化基體，提高回火穩定性。LD鋼常用的熱處理工藝是1100～1150℃ 淬火，530～570℃ 回火，回火后硬度 HRC57～63。1100℃淬火后的組織為細針馬氏體十殘留奧氏體十剩余碳化物，晶粒度10.5級。 l100℃ 淬火、570℃回火后的組織為回火馬氏體十殘余碳化物。 LD鋼已被廣泛應用于制造冷鍛、冷沖、冷壓、冷彎等承受沖擊、彎曲應力較大，又要求耐磨損的各類冷作模具。
Cr8MoWV3Si，代號 ER5，在具有較高強韌性的同時，又具有突出好的耐磨性。該鋼在回火過程中彌散析出的特殊碳化物，是 ER5比 Crl2系鋼具有更高強韌性和耐磨性的重要原因。ER5鋼適用于制造承受沖擊力較大，沖擊速度較高的精密冷沖，重載冷沖以及要求高耐磨的其他冷作模具。
9Cr6W3Mo2V2，代號GM，也是以提高耐磨性為主要目的而研制的高耐磨冷作模具鋼。該鋼通過 Cr、 W、Mo、V等碳化物形成元素的合理配比，并根據'平衡碳'規律配碳，使鋼具有*佳的二次硬化能力及抗磨損能力，同時又保持了較高的強韌性和良好的冷熱加工性能，適用于制造沖裁、冷擠、冷鍛、冷剪、高強度螺栓滾絲輪等精密、高耐磨。
2、在熱作模具鋼中新發展的材料有：      (冷作模具鋼材質性能分析)
1） 通用型熱作模具鋼 以55NiCrMoV6為代表的低合金熱作模具鋼，以H13（4Cr5MoSiV1）為代表的中合金熱作模具鋼；以H10（3Cr3Mo3VSi）鎢系鉬系熱作模具鋼。目前在我國4Cr5MoSiV1是產量*高的熱作模具鋼。
2） 高淬透性特大型鍛壓模塊用鋼 淬透性好，尺寸較大的模具心部可以獲得均勻的性能。如ISO4957標準中的40NiCrMoV；法國NF35590標準中的40NCD16；我國的4Cr2MovNi、3Cr2MoWVNi等。
3） 高熱強性模具鋼 又可分為以下四類。
A 中合金高熱強性模具鋼，一般是在3Cr3Mo3SiV（H10）和4CR5MoSiV1(HB)鋼的基礎上增加W、Mo、Co、Nb等元素，提高其高溫性能。如美國ASTM標準鋼號H10A、我國開發的3Cr3Mo3W2V等。
B 沉淀硬化型熱作模具鋼，這類鋼的含碳量較低，一般在2%左右。含有一些沉淀硬化的合金元素如V、Nb、Ni、Al、Mo等，模具淬火后，采用較低溫度回火（≈400oC），硬度為40HRC左右，由于含碳量低，中溫回火后的組織為板條狀低碳馬氏體，具有良好的韌性，而且具有良好的切削性，可以進行型腔加工。模具在使用過程中，與高溫工件接觸的工作表面被工件加熱到鋼的沉淀硬化度（500~600 oC），模具的工作表面由于合金碳化物和金屬間化合物的析出，工作表面的硬度可上升到45~48HRC，提高了型腔表面的耐磨性模具心部仍保留原有的組織和高韌性，從而提高了模具的使用壽命。如日本日立金屬公司的YHD3、大同特殊鋼公司的DH76等。
C 紙碳高速鋼和基體鋼 高速工具鋼具有良好的抗回火軟化性能和高溫硬度，但是其韌性和抗冷熱疲勞性能較差。低碳高速鋼是將高速鋼的碳含量由1%左右降至0.3%~0.6%，在犧牲部分紅硬性和耐磨性的情況下，提高韌性和抗冷熱疲勞性能，如美國ASTM標準鋼號H42，我國標準鋼號6W6Mo5Cr4V。
基體鋼的化學成分相當于淬火后的高速鋼基體組成部分，所以淬火后過剩碳化物的數量少，細小均勻，使鋼的韌性和抗冷熱疲勞性能進一步得到改善。如美國釩合金鐵公司的VascoMA(5Cr4W3Mo2V)，我國的6Cr4Mo3W2VNb。這種鋼由于綜合性能較好，即可以用于熱作模具鋼，也可以用于制造高性能的冷作模具。
D 奧氏體型熱作模具鋼，這類鋼經固熔時效處理后，在700~800 oC仍保持較好的強度，如日本日立金屬公司的5Mn18Cr10V2，我國的7Mn10Cr8Ni10Mo3V2等。
3、塑料模具鋼由原國際中的3Cr12Mo（P20）一個鋼號發展成由以下七大類構成的塑料模具用鋼系列：
                      (冷作模具鋼材質性能分析)
1） 非合金塑料模具鋼 主要用于制造生產通用型熱塑性塑料生產工作批量不大，技術要求不太嚴格制品模具。如20、45等碳結構鋼和T8、T10等碳素工具鋼。
2） 預硬型塑料模具鋼 采用中碳合金鋼預先經過淬火和高溫回火狀態下（硬度為30~40HRC）交貨：代表性的鋼號如美國的P20、瑞典ASSAB公司的718（3CR2MnNiMo），日本大同特殊鋼公司的PDS5，我國的3Cr2Mo等。
3） 時效硬化型塑料模具鋼 由于時效溫度低，變形小，而且有規律，適用于制造形狀復雜，尺寸精度要求高的模具，如美國ASTM標準鋼號P21，日本大同特殊鋼公司的NAK55（2Ni2AlCuMoS），NAK80，我國的25CrNi3MoAl等。
4） 滲碳型塑料模具鋼 一般為C、Si含量很低的低碳鋼或低碳合金鋼，以保證鋼在常溫下具有高塑性和很低的變形抗力，以便進行型腔的冷擠壓，擠壓成型腔后進行滲碳淬火、回火，使模具表面具有高硬度和抗磨損性能，一般用于制造要求耐磨性較高的熱固性塑料模具和增強塑料模具。如美國ASTM標準鋼號P2（10CrMo），P3（10CrNi）；我國的20Cr、12CrNi2等。
5） 整體淬硬型模具鋼 一般都是借用高耐磨性冷作模具鋼及熱作模具鋼。如Cr5Mo1V(A2)和Cr12Mo1V1(D2)等冷作模具鋼和4Cr5MoSiV1等熱作模具鋼。
6） 耐蝕塑料模具鋼 有些塑料制品如聚氯乙烯、氟化塑料、陰燃料等在壓制過程中對模具有腐蝕作用，因此，對此類塑料模具一般采用馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼，如瑞典ASSAB公司的STVAX（4Cr13），我國研制的PCR（0Cr16Ni4Cu3Nb）等。
7） 無磁塑料模具鋼 為了適應磁性塑料制品的生產，國內外發展了一些無磁塑料模具鋼，將奧氏體型模具鋼通過時效硬化處理得到要求的硬度強度和低的導磁率，如日本日立金屬公司的HPM7，我國的7Mn15Cr2A13V2Wmo等。
此外，為了適應塑料模具制造過程中的一些對鋼的工藝性能的特殊要求，發展了以下四類專用的特種塑料模具鋼種。
1） 鏡面磨削用塑料模具鋼 純凈度、致密度極高，材質均勻性好，且淬回火硬度較高。適用于制作光學儀器、電子設備的透明制品。如瑞典材料S136，日本大同特殊鋼公司的SSTAR等。
2） 非調質型預硬塑料模具鋼鍛（軋）后直接得到要求的硬度，一般為30~40HRC。如我國的3Cr2MnMoVS鋼等。
3） 高焊接性塑料模具鋼 此類鋼焊接性能很好，可以避免或簡化焊前預熱或焊后處理工藝，以便模具的堆焊修復工作。如日本大同特殊鋼公司開發的PXZ、PX5及NAK55等。
4） 易切削塑料模具鋼 此類鋼由于既加入了S等易切元素，又同時加入了Ca等變性劑，所以既改善了鋼的切削性能，又抑制了硫對鋼的力學性能和熱加工性能的不利影響。如日本大同特殊鋼公司的NAK55、DHA2F，我國的5NiCaS等。



編     輯：日加金屬制品（上海）有限公司技術部
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