典型冷作模具的选材及热处理

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紧固件行业冷作模具主要完成金属或非金属材料的冲裁、弯曲、拉深、镦锻、挤压等工序，制作成各种螺栓、螺钉、螺母、垫片、销、铆钉等。由于加载形式和被加工材料力学性能不同，各种模具的工作条件差别很大，故失效形式也不相同。在以上模具中，模具工作条件最为恶劣的是镦锻模、挤压模，其次是厚板小孔冲裁模。
    冷作模具的失效
　　镦锻模、挤压模主要用于螺栓、螺母、异型件的制造。它用于金属体积成形。成形模具所受的载荷轻重根据工作形状、尺寸、变形量以及变形材料的力学性能的不同而不同。
　　在生产中由于变形金属在模具型腔中剧烈流动产生严重摩擦，致使模具表面温度瞬时达到 400 ℃，要求这类模具型腔能承受较大压力、张力和摩擦力，不开裂，不变形，不磨损。
　　对于冲裁模，它要求刃口在板料冲裁（锥垫、带齿垫片等）过程中保持锋利与完整，不崩刃、不变形、耐磨损，冲头尤其具有高的强韧性和耐磨性。
　　在生产中常见模具失效形式有以下几类：

    (1) 断裂失效 模具在使用中突然出现大裂纹或发生破损而失效。如冲裁模崩刃，冷挤压模和冷镦模的冲头断裂，凹模破裂。在冷镦模、冷挤压模工作时，由于成形力大，在金属变形过程中模具表面的瞬时温度很高，造成温度循环，也加速疲劳裂纹产生。
    (2) 变形失效 如凸模镦粗、弯曲、凹模型腔下沉塌陷、棱角堆塌、模孔胀大等。
    (3) 磨损失效 如厚板冲裁模刃口、冷镦冷挤模型腔尺寸超差。
    材料选择及热处理
　　选择模具材料首先要了解模具钢的材质成分、性能，模具的使用条件以及模具失效形式，针对性地选材。
    1 冲裁模
　　冲裁模刃口承受的剪切力大，摩擦发热严重，易磨损。凸模易产生崩刃、折断等。对于批量较大的厚板冲裁模可选用 W18Cr4V 钢 W6Mo5Cr4V2 钢制作凸模，用 Cr12MoV 钢制作凹模，这类钢耐磨性抗压强度较好，基本能满足使用要求，但韧性较低、碳化物分布不均匀，使模具易断裂及崩刃，模具寿命也不理想。目前，紧固件企业多数使用了基体钢（ LD 、 65Nb 等），低合金高强度钢（ GD ），降碳高速钢（ 6W6Mo5Cr4V ），火焰淬火钢（ 7CrSiMnMoN ）等。
　　基体钢由于有较高的强韧性，克服了 Cr12MoV 钢脆断倾向，使冲裁模寿命显著提高。
    表1 新旧模具材料寿命对照表
(表在底下)

    2 冷镦模
    冷镦模工作时，凸模必须承受强烈的冲击力，其最大压应力可达到 2500N/mm2， 一般低合金工具钢是不能承受的，必须采用高强韧性合金工具钢和硬质合金制造。
    对于冷镦六角螺栓，六角螺母冷作模具，应采用高强韧、高耐磨性模具钢 65Nb ， LD ， GM ， LM ， 6W6Mo5Cr4V 钢。这类钢强韧很高，耐磨性稍次。如在冷镦模表面实施强化处理，如 PVD 物理气相氮化钛涂层，气体氮碳共渗、液体氮碳共渗、硼??碳复合渗等，就可明显提高冷作模具耐磨性。
    硬质合金是用粉末冶金方法制造的复合材料，其硬度很高、耐磨性好，用于制作冷镦模具，其使用寿命可提高数倍和数百倍。如六角螺栓冷镦模芯、缩径模套寿命可达 20 万～ 50 万件，但其较脆，韧性较差，且不能进行车、铣，只宜磨削加工。
常用牌号 YG20 、 YG15 。
    表2 硬质合金的化学成分
(表在底下)
钢结构硬质合金是以碳化物为硬质相、钢作粘结相形成的复合材料，钢结硬质合金有良好的耐磨性，其强度和韧性高于硬质合金，并可进行机械加工和热处理，在冷作模具中得到广泛应用，主要以碳化钨钢结硬质合金为主（简称 DT 合金），其性能见表3 。
    表3 钢结硬质合金性能比较
(表在底下)

    钢结硬质合金制作各种冷作模具，主要以镶套为主。采用 DT 合金制造 M6 、 M8 半圆头螺钉冷镦模，模具寿命比 9CrSi 钢 8 万件产量提高 30 倍，寿命可达 250 万件。而制造 M20 六角螺母冷镦模比 Cr12MoV 钢 0.4 万件产量提高 55 倍，寿命达 22 万件，经济效益显著。