沖壓模具材料的分類及選用

張?zhí)飿s

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741001）

模具材料是模具制造業(yè)的基礎(chǔ)，它的研究開(kāi)發(fā)帶動(dòng)工業(yè)產(chǎn)品向高級(jí)化、個(gè)體化、高附加值化的方向發(fā)展。在沖壓模具失效的諸多因素中，材料已成為影響其壽命的最主要因素。因此，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，恰當(dāng)選擇模具材料，是保證模具生產(chǎn)既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠的關(guān)鍵因素。

1 沖壓模具材料的性能要求

1.1 對(duì)模具材料的使用性能要求

（1）強(qiáng)度和硬度。強(qiáng)度是指材料承受載荷后抵抗發(fā)生斷裂或超過(guò)容許限度的殘余變形的能力，是衡量材料本身承載能力、抵抗失效能力的重要指標(biāo)，可通過(guò)熱處理方法提高模具鋼的強(qiáng)度。材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度，主要包括劃痕硬度，壓入硬度和回跳硬度。通常，對(duì)于小型簡(jiǎn)單產(chǎn)品的模芯硬度控制在HRC50～52，對(duì)于大型模具或復(fù)雜模具，模芯的硬度控制在HRC46～48。

（2）耐磨性和抗粘咬性。模具的磨損主要有機(jī)械磨損、氧化磨損和熔融磨損。模具在工作時(shí)，承受大的壓應(yīng)力和強(qiáng)烈摩擦力，為減小機(jī)械磨損，就要保證材料中碳化物或其他硬度相的組成、形貌和分布比較合理。對(duì)于重載、高速磨損條件下服役的模具，為防止形成金屬瘤，要求模具鋼表面能形成薄而致密粘附性好的氧化膜，減少模具和制件產(chǎn)生粘咬、焊合等氧化磨損和熔融磨損。

（3）韌性。韌性是指當(dāng)模具鋼承受應(yīng)力時(shí)對(duì)折斷的抵抗，其定義為材料在破裂前所能吸收的能量與體積的比值。模具在工作時(shí)承受一定的沖擊載荷，可能會(huì)造成模具成形零件的斷裂、變形等破壞。鋼的韌性、強(qiáng)度和耐磨性是相互矛盾的，要合理地選擇鋼的化學(xué)成分并且采用合理的熱加工和熱處理工藝，以使模具材料的耐磨性、強(qiáng)度和韌性達(dá)到最佳配合。

（4）抗疲勞性。抗疲勞性是反映材料在交變載荷作用下，抵抗疲勞破壞的性能指標(biāo)，主要包括疲勞強(qiáng)度、疲勞裂紋萌生力、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力、小能量多沖抗力等。導(dǎo)致模具疲勞的因素有：鋼中帶狀和網(wǎng)狀碳化物、粗大晶粒；模具表面有微小刀痕、凹槽及截面尺寸變化過(guò)大和表面脫碳等。

1.2 對(duì)模具材料的工藝性能要求

（1）鍛造性能。鍛造能減少模具材料的機(jī)械加工余量，改善材料的內(nèi)部缺陷，如碳化物偏析、減少有害物質(zhì)、改善鋼的組織狀態(tài)等。對(duì)鍛造性能的要求是：熱鍛變形抗力低、塑性好、鍛造溫度范圍寬，鍛裂、冷裂及網(wǎng)狀碳化物的傾向性小。

（2）機(jī)械加工性能。冷沖壓模具鋼主要屬于過(guò)共析鋼和萊氏體鋼，大多加工性能較差。為獲得良好的切削加工性，需要正確選擇熱處理方法。對(duì)于表面質(zhì)量要求高的模具可選用含S、Ca等元素的易切削模具鋼。

（3）熱處理性能。熱處理工藝性能主要包括：淬透性，淬硬性，耐回火性，過(guò)熱敏感性，氧化脫碳傾向，淬火變形和開(kāi)裂傾向等。熱處理工藝的好壞，對(duì)模具質(zhì)量影響較大。一般要求有較大的淬硬性和淬透性，淬火溫度范圍寬，過(guò)熱敏感性小，脫碳敏感性低，淬火、回火后的變形程度小。

2 沖壓模具材料的種類與特性

2.1 碳素工具鋼

碳素工具鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在（0.6-1.3）%范圍內(nèi)，優(yōu)點(diǎn)是原料來(lái)源方便，加工性能良好，淬火溫度低，熱處理后具有較高的表面硬度和較好的耐磨性。缺點(diǎn)是淬透性低，淬火溫度范圍窄，淬火變形大，較大的模具不能淬透，而且表面淬硬層和中心部分之問(wèn)的硬度值相差很大，容易使模具在淬火時(shí)開(kāi)裂。主要用于制造尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單、受負(fù)荷輕的模具零件。

2.2 高碳低合金鋼

高碳低合金鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般都較高（≥0.6%），是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入適量的Cr、Ni、Mo、Ti、W、V、Si、Mn 等合金元素冶煉而成。合金元素的加入提高了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性、淬透性，降低了淬火冷卻速度，減少了淬火熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，減弱了淬火變形及開(kāi)裂傾向，被廣泛用來(lái)制作形狀復(fù)雜、截面較大、承受負(fù)荷較大、變形較小的中、小型冷作模具。

2.3 高碳高鉻冷作模具鋼

高碳高鉻冷作模具鋼是一種高合金鋼，具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、易淬透、穩(wěn)定性高、抗壓強(qiáng)度高及淬火變形小等優(yōu)點(diǎn)。這類鋼部分是萊氏體鋼，淬火后有大量共晶碳化物存在，同時(shí)含有大量殘留奧氏體，熱處理后變形小，耐磨性高，載荷力大，但是由于高碳高鉻萊氏體鋼中有大量共晶碳化物不均勻分布，因此該類鋼韌性較差，易出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象，主要用于制造在高耐磨、微變形、高負(fù)荷條件下工作的冷作模具。

2.4 無(wú)磁模具鋼

無(wú)磁模具鋼包括奧氏體不銹鋼和高錳系奧氏體，在加熱和冷卻過(guò)程中無(wú)相變，始終保持奧氏體組織。由于高錳鋼的冷作硬化現(xiàn)象，切削加工較困難，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓倘芎蜁r(shí)效處理。主要適于制造無(wú)磁模具，無(wú)磁軸承及其它要求在強(qiáng)磁場(chǎng)中不產(chǎn)生磁感應(yīng)的結(jié)構(gòu)零件。

2.5 硬質(zhì)合金和鋼結(jié)硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是用難熔高硬度碳化物的粉末與少量的粘結(jié)劑粉末混合后加壓成形，再經(jīng)過(guò)燒結(jié)而成的粉末冶金材料。硬質(zhì)合金的工作溫度可達(dá)（800-1000）℃，硬度很高，耐磨性很好，具有很高的彈性模量，較小的熱膨脹系數(shù)及良好的化學(xué)穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是脆性大，抗彎強(qiáng)度和韌性較差，加工困難，不能鍛造及熱處理，且成本高，用來(lái)制作模具的壽命甚至比工具鋼高10倍以上，主要用來(lái)制作多工位級(jí)進(jìn)模，大直徑拉深凹模鑲塊。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是以難熔金屬碳化物為硬質(zhì)相，以合金為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法生產(chǎn)的一種新型模具材料，性能介于高速鋼和硬質(zhì)合金之間。鋼結(jié)硬質(zhì)合金在冷沖模，冷擠壓模，整形模，冷墩模上得到較廣泛的應(yīng)用。常用沖壓模具鋼如表1所示，常用冷沖壓模具鋼分類如表2所示。

表1 常用沖壓模具鋼

3 模具材料的選用原則

模具材料的選擇應(yīng)根據(jù)模具的生產(chǎn)條件和工作條件的需要，結(jié)合材料的基本性能和相關(guān)因素，選擇適合產(chǎn)品需要、經(jīng)濟(jì)上合理、技術(shù)上先進(jìn)的材料。選材的基本原則如下：

（1）根據(jù)模具種類及其工作條件，選用材料要滿足使用性能和工藝性能要求。

（2）根據(jù)沖壓工件材料和生產(chǎn)批量選用模具材料。

（3）應(yīng)具有良好的加工工藝性能，滿足鍛造、切削加工、熱處理等要求。

表2 常用沖壓模具鋼分類

（4）滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

4 結(jié)論

我國(guó)模具材料日益向多品種、精細(xì)化、制品化的方向迅速發(fā)展，但與國(guó)外的新型材料相比較還有差距，急需提高制造技術(shù)水平，完善生產(chǎn)工藝裝備，加速模具鋼生產(chǎn)的規(guī)格化、精品化和商品化，進(jìn)一步提高材料質(zhì)量，以適應(yīng)模具制造業(yè)發(fā)展的需要。

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