熱作模具鋼和冷作模具鋼的區(qū)別
一、冷作模具鋼
冷作模具鋼包括制造沖截用的模具(落料沖孔模、修邊模、沖頭、剪刀)、冷鐓模和冷擠壓模、壓彎模及拉絲模等
1.冷作模具鋼的工作條件及性能要求
冷作模具鋼在工作時(shí).由于被加工材料的變形抗力比較大，模具的工作部分承受很大的壓力、彎曲力、沖擊力及摩擦力。因此，冷作模具的正常報(bào)廢原因一般是磨損.也有因斷裂、崩力和變形超差而提前失效的。
冷作模具鋼與刃具鋼相比.有許多共同點(diǎn)。要求模具有高的硬度和耐磨性、高的抗彎強(qiáng)度和足夠的韌性，以保證沖壓過程的順利進(jìn)行、其不同之處在于模具形狀及加I工藝復(fù)雜.而且摩擦面積大.磨損可能性大.所以修磨起來困難。因此要求具有更高的耐磨化模具工作時(shí)承受沖壓力大.又由于形狀復(fù)雜易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以要求具有較高的韌性；模具尺寸大、形狀復(fù)雜.所以要求較高的淬透性、較小的變形及開裂傾向性?？傊?，冷作模具鋼在淬透性、耐磨性與韌性等方面的要求要較刃具鋼高一些.而在紅硬性方面卻要求較低或基本上沒要求(因?yàn)槭抢鋺B(tài)成形)，所以也相應(yīng)形成了一些適于做冷作模具用的鋼種，例如，發(fā)展了高耐磨、微變形冷作模具用鋼及高韌性冷作模具用鋼等。下面結(jié)合有關(guān)鋼種選用進(jìn)一步說明。
2.鋼種選擇
通常接冷作模具的使用條件，可以將鋼種選擇分為以下四種情況：
(1)尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、輕負(fù)荷的冷作模具。例如.小沖頭，剪落鋼板的剪刀等可選用T7A、T8A、T10A、T12A等碳素工具鋼制造。這類鋼的優(yōu)點(diǎn)是；可加工性好、價(jià)格便宜、來源容易。但其缺點(diǎn)是：淬透性低、耐磨性差、淬火變形大。因此，只適于制造一些尺寸小、形狀簡(jiǎn)單、輕負(fù)荷的工具以及要求硬化層不深并保持高韌性的冷像模等。
(2)尺寸大、形狀復(fù)雜、輕負(fù)荷的冷作模具。常用的鋼種有9SiCr、CrWMn、GCr15及9Mn2V等低合金刃具鋼。這些鋼在油中的淬透直徑大體上可達(dá)40mm以上。其中9Mn2V鋼是我國(guó)近年來發(fā)展的一種不含Cr的冷作模具用鋼.可代替或部分代替含Cr的鋼。
9Mn2V鋼的碳化物不均勻性和淬火開裂傾向性比CrWMn鋼小、脫碳傾向性比9SiCr鋼小，而淬透性比碳素工具鋼大.其價(jià)格只比后者高約30%因此是一個(gè)值得推廣使用的鋼種。
但9Mn2V鋼也存在一些缺點(diǎn)如沖擊韌性不高，在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)有碎裂現(xiàn)象.另外回火穩(wěn)定性較差，回火溫度一般不超過180℃在200℃回火時(shí)抗彎強(qiáng)度及韌性開始出現(xiàn)低值。
9Mn2V鋼可在硝鹽、熱油等冷卻能力較為緩和的淬火介質(zhì)中淬火。對(duì)于一些變形要求嚴(yán)格而硬度要求又不很高的模具，可采用奧氏體等溫淬火。
(3)尺寸大、形狀復(fù)雜重負(fù)荷的冷作模具。須采用中合金或高合金鋼.如Cr12Mo、Crl2MoV、Cr6WVCr4W2MoV等，另外也有選用高速鋼的。
近年來用高速鋼做冷作模具的傾向巴日趨增大、但應(yīng)指出，此時(shí)已不再是利用高速鋼所特有的紅硬性長(zhǎng)處.而用它的高淬透性和高耐磨性。
為此.在熱處理工藝上也應(yīng)有所區(qū)別。選用高速鋼做冷模具時(shí).應(yīng)采用低溫淬火.以提高韌性。例如W18Cr4V鋼做刃具時(shí)常用的淬火溫度為1280-1290℃。而做冷作模具時(shí)，則應(yīng)采用1190℃的低溫淬火。又如W6Mo5Cr4V2鋼.采用低溫淬火后可使壽命大大提高、特別是顯著減少了折損率。
〔4)受沖擊負(fù)荷且刀間單薄的冷作模具。如上所述.前三類冷作模具用鋼的使用性能要求均以高耐磨性為主為此均采用高碳過共析鋼乃至榮氏體鋼。而對(duì)有的冷作模具加切邊樓、沖裁模等.其對(duì)口單薄.使用時(shí)又受沖擊負(fù)荷作用則應(yīng)以要求高的沖擊韌性為主。為了解決這一矛盾.可采取以下措施.①降低合碳量.采用亞共折鋼.以避免由于一次及二次碳化物而引起鋼的韌性下降；②加入Si.、Cr等合金元素.以提高鋼的回火穩(wěn)定性和回火溫度(240一270℃回火)這樣有利于充分消除淬火應(yīng)力使嘰提高.而又不致降低硬度；②加入W等形成難熔碳化物的元素以細(xì)化晶粒、提高韌性。常用的高韌性冷作模具用鋼有6SiCr、4CrW2Si；、5CrW2Si等。3.充分發(fā)揮冷作模具鋼性能潛力的途徑
在用Cr12型鋼或高速鋼做冷作模具時(shí)，一個(gè)很突出的問題是鋼的脆性大.使用中易開裂。為此，必須用充分鍛打的方法細(xì)化碳化物.除此之外應(yīng)發(fā)展新鋼種。發(fā)展新鋼種的著眼點(diǎn)，應(yīng)是降低鋼的含碳量及碳化物形成元素的數(shù)量。
Cr4W2MoV鋼具有高硬巨、高耐磨性和淬透性好等優(yōu)點(diǎn).并具有較好的回火穩(wěn)定性及綜合力學(xué)性能.用干制造硅鋼片沖模等.可使壽命比Cr12MoV鋼提高1～3倍以上但此鋼鍛造溫區(qū)范圍較窄，鍛造河縣開裂.應(yīng)嚴(yán)格控制鍛造溫度和操作規(guī)認(rèn)Cr2Mn2SiWMoV鋼淬火溫度低、淬火變形小、淬透性高.有空淬微變形模具鋼之稱7W7Cr4MoV鋼可代W18Cr4V和Cr12MoV鋼.其特點(diǎn)是鋼的碳化物不均勻性和韌性得到很大的改善。
二、熱作模具鋼
1.熱作模具的工作條件
熱作模具包括錘鍛模、熱擠壓模和壓鑄模三類。如前所述.熱作模具工作條件的主要特點(diǎn)是與熱態(tài)金屬相接觸、這是與冷作模具工作條件的主要區(qū)別。因此會(huì)帶來以下兩方面的問題：
(l)模腔表層金屬受熱。通常錘鍛模工作時(shí).其模腔表面溫度可達(dá)300～400℃以上熱擠壓模可達(dá)500一800℃以上；壓鑄模模腔溫度與壓鑄材料種類及澆注溫度有關(guān)。如壓鑄黑色金屬時(shí)模腔溫度可達(dá)1000℃以上。這樣高的使用溫度會(huì)使模腔表面硬度和強(qiáng)度顯著降低，在使用中易發(fā)生打垛。為此.對(duì)熱模具鋼的基本使用性能要求是熱塑變抗力高，包括高溫硬度和高溫強(qiáng)度、高的熱塑變抗力，實(shí)際上反映了鋼的高回火穩(wěn)定性。由此便可以找到熱模具鋼合金化的第一種途徑，即加入Cr、W、Si.等合金元素可以提高鋼的回火穩(wěn)定性。
(2)模腔表層金屬產(chǎn)生熱疲勞(龜裂)。熱模的工作特點(diǎn)是具有間歇性.每次使熱態(tài)金屬成形后都要用水、油、空氣等介質(zhì)冷卻模腔的表面。因此.熱模的工作狀態(tài)是反復(fù)受熱和冷卻，從而使模腔表層金屬產(chǎn)生反復(fù)的熱脹冷縮，即反復(fù)承受拉壓應(yīng)力作用.其結(jié)果引起模腔表面出現(xiàn)龜裂，稱為熱疲勞現(xiàn)象，由此，對(duì)熱模具鋼提出了第二個(gè)基本使用性能要求.即具有高的熱疲勞抗力。一般說來，影響鋼的熱疲勞抗力的因素主要有：
①鋼的導(dǎo)熱性。
鋼的導(dǎo)熱性高，可使模具表層金屬受熱程度降低，從而減小鋼的熱疲勞傾向性。一般認(rèn)為鋼的導(dǎo)熱性與合碳量有關(guān)，含碳量高時(shí)導(dǎo)熱性低，所以熱作模具鋼不宜采用高碳鋼。在生產(chǎn)中通常采用中碳鋼(C0.3%5～0.6%)合碳量過低.會(huì)導(dǎo)致鋼的硬度和強(qiáng)度下降.也是不利的。②鋼的臨界點(diǎn)影響。通常鋼的臨界點(diǎn)(Acl)越高.鋼的熱疲勞傾向性越低。因此.一般通過加入合金元素Cr、W、Si、引來提高鋼的臨界點(diǎn)。從而提高鋼的熱疲勞抗力。
2.常用熱作模具用鋼
(1)錘鍛模用鋼。一般說來，錘鍛模用鋼有兩個(gè)問題比較突出一是工作時(shí)受沖擊負(fù)荷作用.故對(duì)鋼的力學(xué)性能要求較高，特別是對(duì)塑變抗力及韌性要求較高；二是錘鍛模的截面尺寸較大(＜400mm)故對(duì)鋼的淬透性要求較高，以保證整個(gè)模具組織和性能均勻。
常用錘鍛樓用鋼有5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW、5CrNiTi及5CrMnMoSiV等。不同類型的錘眼模應(yīng)選用不同的材料。對(duì)特大型或大型的錘鍛模以5CrNiMo為好.也可采用5CrNiTi、5CrNiW或5CrMnMoSi等。對(duì)中小型的錘鍛模通常選用5CrMnMO鋼。
(2)熱擠壓模用鋼，熱擠壓模的工作特點(diǎn)是加載速度較慢，因此，模腔受熱溫度較高，通?？蛇_(dá)500一800℃。對(duì)這類鋼的使用性能要求應(yīng)以高的高溫強(qiáng)度(即高的回火穩(wěn)定性)和高的耐熱疲勞性能為主。對(duì)ak及淬透性的要求可適當(dāng)放低。一般的熱擠壓模尺寸較小，常小于70～90mm。
常用的熱擠壓模有4CrW2Si、3Cr2W8V及5%Cr型等熱作模具鋼.其化學(xué)成分如表4.16所示。
其中4CrW2Si.既可做冷作模具鋼，又可做熱作模具鋼.由于用途不同，可采用不同熱處理方法。作冷模時(shí)采用較低的淬火溫度(870—900℃)及低溫或中溫回火處理；作熱模時(shí)則采用較高的淬火溫度(一般為950一1000℃)及高溫回火處理。
(3)壓鑄模用鋼。從總體上看，壓鑄模用鋼的使用性能要求與熱擠壓模用鋼相近，即以要求高的回火穩(wěn)定性與高的熱疲勞抗力為主。所以通常所選用的鋼種大體上與熱擠模用鋼相同.如常采用4CrW2Si.和3Cr2W8V等鋼。但又有所不同如對(duì)熔點(diǎn)較低Zn合金壓鑄模.可選用40Cr、30CrMnSi及40CrMo等；對(duì)Al和Mg合金壓鑄模，可選用4CrW2Si、4Cr5MoSiV等對(duì)Cu合金壓鑄模.多采用3Cr2W8V鋼。
近年來.隨著黑色金屬壓鑄工藝的應(yīng)用，多采用高熔點(diǎn)的鋁合金和鎳合金.或者對(duì)3Cr2W8V鋼進(jìn)行Cr-Al-SI三元共滲，用以制造黑色金屬壓鑄模。最近國(guó)內(nèi)外還正在試驗(yàn)采用高強(qiáng)度的銅合金作黑色金屬的壓鑄模材料。
