典型冷作模具的選材及熱處理

NC老人

緊固件行業冷作模具主要完成金屬或非金屬材料的沖裁、彎曲、拉深、镦鍛、擠壓等工序，制作成各種螺栓、螺釘、螺母、墊片、銷、鉚釘等。由于加載形式和被加工材料力學性能不同，各種模具的工作條件差別很大，故失效形式也不相同。在以上模具中，模具工作條件最爲惡劣的是镦鍛模、擠壓模，其次是厚闆小孔沖裁模。
冷作模具的失效
镦鍛模、擠壓模主要用于螺栓、螺母、異型件的制造。它用于金屬體積成形。成形模具所受的載荷輕重根據工作形狀、尺寸、變形量以及變形材料的力學性能的不同而不同。
在生産中由于變形金屬在模具型腔中劇烈流動産生嚴重摩擦，緻使模具表面溫度瞬時達到 400 ℃，要求這類模具型腔能承受較大壓力、張力和摩擦力，不開裂，不變形，不磨損。
對于沖裁模，它要求刃口在闆料沖裁（錐墊、帶齒墊片等）過程中保持鋒利與完整，不崩刃、不變形、耐磨損，沖頭尤其具有高的強韌性和耐磨性。
在生産中常見模具失效形式有以下幾類：
(1) 斷裂失效 模具在使用中突然出現大裂紋或發生破損而失效。如沖裁模崩刃，冷擠壓模和冷镦模的沖頭斷裂，凹模破裂。在冷镦模、冷擠壓模工作時，由于成形力大，在金屬變形過程中模具表面的瞬時溫度很高，造成溫度循環，也加速疲勞裂紋産生。
(2) 變形失效 如凸模镦粗、彎曲、凹模型腔下沉塌陷、棱角堆塌、模孔脹大等。
(3) 磨損失效 如厚闆沖裁模刃口、冷镦冷擠模型腔尺寸超差。
材料選擇及熱處理
選擇模具材料首先要了解模具鋼的材質成分、性能，模具的使用條件以及模具失效形式，針對性地選材。
1 沖裁模
沖裁模刃口承受的剪切力大，摩擦發熱嚴重，易磨損。凸模易産生崩刃、折斷等。對于批量較大的厚闆沖裁模可選用 W18Cr4V 鋼 W6Mo5Cr4V2 鋼制作凸模，用 Cr12MoV 鋼制作凹模，這類鋼耐磨性抗壓強度較好，基本能滿足使用要求，但韌性較低、碳化物分布不均勻，使模具易斷裂及崩刃，模具壽命也不理想。目前，緊固件企業多數使用了基體鋼（ LD 、 65Nb 等），低合金高強度鋼（ GD ），降碳高速鋼（ 6W6Mo5Cr4V ），火焰淬火鋼（ 7CrSiMnMoN ）等。
基體鋼由于有較高的強韌性，克服了 Cr12MoV 鋼脆斷傾向，使沖裁模壽命顯著提高。
表1 新舊模具材料壽命對照表

鋼号	被加工材料	模具硬度／ HRC	平均壽命／件	壽命提高（倍）
Cr12MoV	Q235 t ＝ 2.1 ～ 2.4mm	58 ～ 62	14000 ～ 16000	――
65Nb		57 ～ 59	35000 ～ 70000	2.5 ～ 4.3
CD	65Mn t ＝ 1.8 ～ 2.1mm	58 ～ 60	47000 ～ 88000	3.3 ～ 5.5
LD	10 ＃鋼 t ＝ 2.6 ～ 3.5mm	58 ～ 62	22000 ～ 46000	1.5 ～ 2.8

2 冷镦模
冷镦模工作時，凸模必須承受強烈的沖擊力，其最大壓應力可達到 2500N/mm2， 一般低合金工具鋼是不能承受的，必須采用高強韌性合金工具鋼和硬質合金制造。
對于冷镦六角螺栓，六角螺母冷作模具，應采用高強韌、高耐磨性模具鋼 65Nb ， LD ， GM ， LM ， 6W6Mo5Cr4V 鋼。這類鋼強韌很高，耐磨性稍次。如在冷镦模表面實施強化處理，如 PVD 物理氣相氮化钛塗層，氣體氮碳共滲、液體氮碳共滲、硼――碳複合滲等，就可明顯提高冷作模具耐磨性。
硬質合金是用粉末冶金方法制造的複合材料，其硬度很高、耐磨性好，用于制作冷镦模具，其使用壽命可提高數倍和數百倍。如六角螺栓冷镦模芯、縮徑模套壽命可達 20 萬～ 50 萬件，但其較脆，韌性較差，且不能進行車、銑，隻宜磨削加工。
常用牌号 YG20 、 YG15 。
表2 硬質合金的化學成分

牌号	組成（％）		性能
	WC	CO	硬度 HRC	抗彎強度／ Mpa	抗壓強度／ Mpa
YG15	85	15	86~88	1800 ～ 2200	3900
YG20	80	20	83~86	2000 ～ 2600	3400
YG25	75	25	82 ～ 84	1800 ～ 2700	3200

鋼結構硬質合金是以碳化物爲硬質相、鋼作粘結相形成的複合材料，鋼結硬質合金有良好的耐磨性，其強度和韌性高于硬質合金，并可進行機械加工和熱處理，在冷作模具中得到廣泛應用，主要以碳化鎢鋼結硬質合金爲主（簡稱 DT 合金），其性能見表3 。

表3 鋼結硬質合金性能比較

合金牌号	硬質相種類	硬度 HRC		抗彎強度 /MPa	沖擊韌度 KJ/m 2
		加工态	使用态
DT	WC	32 ～ 36	62 ～ 64	2450 ～ 3530	147 ～ 196
TLMW50	WC	35 ～ 42	66 ～ 68	1960 ～ 2050	78 ～ 98
GT35	TiC	39 ～ 46	67 ～ 69	1370 ～ 1765	58 ～ 59

鋼結硬質合金制作各種冷作模具，主要以鑲套爲主。采用 DT 合金制造 M6 、 M8 半圓頭螺釘冷镦模，模具壽命比 9CrSi 鋼 8 萬件産量提高 30 倍，壽命可達 250 萬件。而制造 M20 六角螺母冷镦模比 Cr12MoV 鋼 0.4 萬件産量提高 55 倍，壽命達 22 萬件，經濟效益顯著。
3 冷擠壓模
各類緊固件的擠壓成型是在強烈的三向壓應力狀态下完成的。凸模既受強大的壓應力，又受各種不均衡側向力，在回程時瞬間易引起斷裂。受力複雜的凸模，特別是在凸模尺寸變化應力集中處，易産生脆性斷裂。而凹模有脹裂的可能以及由于金屬材料劇烈流動而引起模腔嚴重磨損。
首先，應重視選材和熱處理工藝，如 6W6Mo5Cr4V2 、 LD 、 65Nb 、 LM2 、 GD 、 7CrSiMnMoV 等鋼可大大提高強韌性，其次，耐磨性可通過表面處理來達到。
例如，冷擠壓發動機異型件，如鎖芯、接頭凹凸模常用高速鋼制作，抗壓強度和耐磨性都很好，缺點是韌性差，易脆斷，降低淬火溫度可提高該鋼的斷裂抗力。 6W6Mo5Cr4V 鋼比原用 W18Cr4V 、 Cr12MoV 鋼制作凹模原壽命 1 萬多件提高到 40000 件達 4 倍，淬火溫度 1080 ～ 1120 ℃， 560 ℃回火三次，就是一個例子。

春亚兰迪

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siiling16

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