冷作模具鋼的技術發展和熱處理工藝概況

1“雙帶頭人”模具鋼在變廢水處理行業的應用

冷加工是一種沒有切割槽的先進加工技術之一。具有生產能力高、節能、節省能源、提高

零件機械強度和精度的特點，適合大規模自動生產，在世界上得到廣泛應用。在我國，冷

作成形工藝主要用在機械基礎件或彈簧行業、緊固件、滾動軸承、磁子鏈條、汽車零件和

軍工產品等。

在彈簧行業、緊固件、滾動軸承、磴子鏈條企業里,冷化模具需求量較大，主要用于制造在

冷態（室溫）下產品加工,如冷卷壓件、冷拉伸件、冷鍛件、冷擠壓件等等。

近年來，國際上工業發達國家尤其重視模具鋼的發展,將模具鋼視作機械工業發展的基礎材

料，堪稱“工業之母”。“冰山成本理論”特別適合模具行業,即模具的材料成本只占整個

成本在水面上的可見部分,而其他無形成本（生產成本、維修成本）占整個冰山浸于水口的

絕大部分。選用高品質的模具鋼，提高模具品質、節能減排、降低生產成本，已成為機械基

礎件行業或企業的共識。本又將冷作模具鋼的技術發展和熱處埋，藝概況簡述如卜。

2模具材料的選擇、熱處理和可加工性

通常選用的冷作模具鋼應具有足夠的強度（包括抗拉、抗壓和抗彎強度），良好的耐磨性、

韌性、硬度,并具有較好的可加工性和淬火不變形性。

耐磨性是對模具工作零件（凸、凹模等）的基本要求之」要求零件在承受相當大的壓力和

摩擦力的情況下，仍能較好地保持其尺寸和形狀,持久耐用。模具零件的耐磨性與材料的成

分、組織以及載荷狀態、洞滑介質等諸多因素有關。從總體上看，提高材料的硬度有利于

提高耐磨性。

強度和韌性對提高模具壽命十分重要。重載荷的模具往往由于強度和沖擊韌度不足,造成

受載荷較大的零件發生邊緣或局部損壞。材料的晶粒度、碳化物的數量、大小及分布情況

等,對材料的強度和韌性影響較大。

淬硬性和淬透性根據不同模具的使用條件各有側重。對要求表面須有高硬度的冷卷模和拉

伸模，淬硬性顯得十分重要;而對要求整個截面須有均勻一致性能的、承載較大的板簧剪切

模具,淬透性顯得更為重要。不論材料的淬硬性和淬透性如何,材料的淬火不變形性愈好，

變形愈小。

脫碳敏感性愈低愈好。在司樣的加熱條件下,鋼的脫碳敏感性與其化學成分,特別是含碳量

有關,發生脫碳會使材料表面的力學性能降低。

可加工性是指材料對鍛造、切削、研磨等加工的適應性。良好的可加工性有利于減少刀具

磨損,提高模具表面質量。

常用冷作模具鋼的性能比較如表1所示。

3最優質鋼

當前冷作模具鋼的冶煉已作了不少工藝改進，不僅S、P含量低;而且嚴格控制有害元素As、

Sn>Sb、Pb、Bi、Cu0如對于Crl2MolVl鋼P、S含量的控制，優質鋼分別為:0.025%(Wt)、

O005%(Wt)以下;特級優質鋼分別為:0.012%(Wt)、O003%(Wt)以下；含氧量小于15PPm。P、

S含量的降低大大提高了模具鋼的沖擊韌度及抗疲勞性能。通過鋼錠的均勻化處理,合金模

具鋼中的偏析程度下降,鍛造后的縱、橫向性能接近。對于Crl2型一類共晶鋼采用軋、鍛

加工擊碎魚骨狀共晶碳化物,并且經過多次鍛(軋)使碳化物量均勻、細小分布。

⑶沖擊韌度測試，鋼材中心橫向沖擊與縱向沖擊之比必須達到規定值。

(4)晶粒大小測試,確保晶粒度細于7級。

(5)退火顯微組織測試。

(6)帶狀組織的控制,共晶碳化物不均勻度的檢測。

4試驗鋼及工具鋼材料

冷作模具典型的鋼種有碳索工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、基體鋼和硬質合金及鋼結

硬質合金等。(碳素工具鋼因采用日趨減少，本文不再贅述)。

4.1帶有合金模的鋼

合金模具鋼是合金工具鋼的子類。按化學成分有低合金、中合金、高合金模具鋼之分。典

型的合金模具鋼的性能如表2所示。

4.2高速鋼

高速鋼具有很高的硬度、抗壓強度、耐磨性和熱穩定性;其承載能力優于合金冷作模具鋼。

典型高速鋼的性能如表3所示。

4.3碳化物加工和貯藏

基體鋼的化學成分相當于百速鋼正常淬火的基體組織成分，含碳量比高速鋼低。通過正確

的加工,碳化物細小而且均布,具有較高的硬度和耐磨性,而且韌度和抗彎強度明顯優于高

速工具鋼,工件的變形也減小,基體鋼主要用于高強度和足夠韌度的冷作模具。典型基體鋼

的性能如表4所示。

4.4堿土中co含量的變化

(1)硬質合金。

硬質合金是用粉末冶金方法生產的多相材料，其中wc、TiC、TaC等為基體及硬質相，以

C。為粘合相。硬質合金有3類：

a.鴇鉆類(YG)硬質合金，由WC和Co粉末燒結制成。YG后的數字表示Co的含量。含Co量

越高,韌度越,但硬度和耐磨性稍有下降。

b.鴇鉆鈦類(YT)硬質合金由WC、TiC和Co粉末燒結制成。YT后的數字表示TiC的含

量,TiC含量對硬質合金性能的影響較大。YT5硬度較低，抗彎強度最高;YT30硬度最高而

抗彎強度較差。

c.筲鉆銅類(YW)硬質合金由TaC、TiC、WC3種粉末和Co燒結制成。

上述3類硬質合金中,YG硬質合金韌度好,YT硬質合金的主要區別是可以鍛造、熱處理、

退火軟化,因此便于加工,而且具有焊接性。

燒結態的鋼結硬質合金必須經過鍛造成形.提高合金密底降低碳化物偏析。鋼結硬質合金

經過軟化后才能進行機械加工;再經淬火、回火處理后使用。常用的牌號有GT35、GJW50、

DT等。

5預處理熱處理

為了銜接冷、熱加工間工序及為最終熱處理作好組織準備,通常需合理安排模具預先熱處

理。當前采用的預先熱處理不只是傳統的退火、正火。如有些合金模具鋼，原普通采月球

化退火或等溫球化退火，現改用調質處理或超細化處理,有些還結合鍛造工藝施行鍛后余熱

淬火后再回火或球化退火處理,對進一步提高冷作模具的壽命、充分發揮材料的潛力有一

定的作用。

5.2實驗加熱制度

應根據冷作模具的使用條件,選定合理的技術要求,然后選擇合適的最終熱處理制度,包括

預熱、加熱溫度，回火溫度等等。表5是部分冷作模具鋼熱處理工藝及用途。

5.3表面強化處理

為了進一步提高耐磨性、抗粘著、抗咬合性及熱穩定性，可根據冷作模具的工作條件和要

求選擇鍍層處理(如鍍Cr、Ni-P鍍)滲氮、氮碳共滲、多元共滲、滲硼、物理氣相沉積

(PVD)、化學氣相沉積(CVD)等表面強化處理。各種表面強化處理方法的應用如表6所示。

5.4鋼結僵硬加熱工藝

幾種典型鋼結硬質合金淬火工藝見表7所示。

6國外的模型

國外冷作模具鋼與我國冷作模具鋼對照，性能特點與用途分別如表8所示。

7冷作模具冷卻

冷作模具鋼淬火后組織極不穩定，不能直接使用，必須進行回火。冷作模具鋼淬火后回火溫

度的選擇是熱處理的關鍵工序。通常根據淬火鋼的回火性能曲線或數據表來選擇回火溫度,

常用冷作模具鋼的回火溫度與硬度如表9所示。

冷作模具回火時應避開回火脆性溫度區域進行;冷作模具鋼的回火脆性溫度范圍如表10所

由于選擇淬火工藝的不同,還必須考慮其它影響因素。

(1)為了提高冷作模具的強韌性時，采用板條狀馬氏體淬火強韌化處理時，回火溫度的選擇

與普通淬火相比回火溫度可低、可高。

(2)冷作模具采用等溫淬火時，因存在一定數量的殘余奧氏體，同時在等溫過程中形成的淬

火組織部分被自身回火。因此，同一牌號材料同一工藝溫度加熱等溫淬火的硬度低于普通

淬火,為此，回火溫度應低些。

(3)在鹽浴中加熱的高速鋼淬火硬度高了在真空爐內加熱的高速鋼，因此前者回火溫度比后

者高,盡量采用多次回火,至少3次甚至4次。

(4)同一牌號冷作模具,工藝條件基本一致,大件的淬火硬度低于小件,厚件的淬火硬度低于

薄件,因此,要獲得所需要的硬度和強韌性,適當提高大件和厚件的淬火加熱溫度與淬人介

質冷卻能力，用卜限溫度回火或降低回火溫度，小件和薄壁件用下限淬火加熱溫度，上限溫

度回火或提高回火溫度。

(5)高速鋼真空爐淬火后，有25%~4(用殘余奧氏體，為達到二次硬化和回火充分目的，需要4

次以上高溫回火才能達到目的，?般選擇530℃~570℃叵火,選擇硬度為:W18Cr4v(SKH2)

鋼：63~66HRC,W6Mo5Cr4V2(SKH9)鋼:62~65HRC,W6Mo5Cr4V2Co5(SKH55)鋼:63%7HRC。

冷作模具淬火后應及時回火,消除淬火應力，防止開裂;充分回火以得到穩定組織與性能;較

長時間回火可提高抗斷裂韌度值；多次回火,促使殘余奧氏體向馬氏體充分轉變，穩定形狀

尺寸減少畸變且產生二次硬化效應，增加耐磨性。

8對模具壽命的檢測

雖然我國冷作模具與國際先進水平相比還有不小的差距,這種狀況也給機械行業和彈簧、

緊固件、滾動軸承、磁子鏈條等企業冷作模具的發展留下了很大的空間。由于影響冷作模

具壽命的因素很多，正確選擇模具材料和制定合理熱處理工藝非常重要，要從多個方面考慮,

才能全面