冷作模具鋼用來制造在冷態(tài)下使金屬塑性變形的模具如沖裁模、冷鐓模、剪切模、拉絲模等。如何合理的選擇冷作模具材料和正確確定熱處理方法，以提高模具的使用壽命是生產(chǎn)中最為關(guān)心的問題，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。若要正確合理地選擇和使用材料必須了解冷作模具的工況條件及其失效形式才能較準(zhǔn)確地提出對冷作模具材料的主要性能要求，從而選擇出合適的材料并制定出合理的冷、熱加工工藝路線。本文主要探討冷作模具鋼的選材和熱處理工藝。

1冷作模具鋼失效形式與性能要求

冷作模具在工作時，被加工材料的變形抗力較大模具刃口部位承受很大的壓力、沖擊力模具的工作部分與坯料之間產(chǎn)生強烈的摩擦。冷作模具在生產(chǎn)中常見的失效形式有以下幾類:

（1）斷裂失效

冷作模具承受的載荷大都是以一定沖擊速度、一定能量作用下周期性施加的模具在使用中突然出現(xiàn)大裂紋或發(fā)生破損而失效。如沖裁模崩刃冷擠壓模和冷鐓模的凸模斷裂,凹模破裂。在冷鐓模、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(huán)，也加速疲勞裂紋產(chǎn)生。

（2）過載失效

材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷包括隨機波動載荷)作用引起的失效包括韌度不足和強度不足兩類失效。如凸模的折斷、開裂冷鐓、冷擠壓凸模中由于材料抗壓、彎曲抗力不足易出現(xiàn)鐓頭下凹、彎曲變形失效。

（3）磨損失效鋼片

模具工作部位與被加工材料之間的摩擦損耗，使工作部位叨口、凸模)形狀和尺寸發(fā)生變化引起的失效。如厚板沖裁模刃口、冷鐓冷擠模型腔尺寸超差。

根據(jù)冷作模具的工作條件及失效形式冷作模具鋼應(yīng)具有如下基本性能叫：

a.高硬度和高耐磨性工作時保持鋒利的刃口表1列出了對冷作模具硬度的要求。

表1冷沖模的硬度要求

b.較高的強度和韌性及一定的熱硬性工作時刃部不易崩裂或塌陷。

c.較好的淬透性保證淬火態(tài)有較高的硬度和一定的淬透深度。

d.較好的加工工藝性和成形性較好的淬火安全性熱處理變形小在復(fù)雜斷面上不易淬裂。

2冷作模具鋼的選材及熱處理

常用的冷作模具鋼有碳素工具鋼、低合金工具鋼、高鉻和中鉻冷作模具鋼、基體鋼和低碳高速鋼類冷作模具鋼。

2.1碳素工具鋼

碳素工具鋼一般選用高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼以改善模具的韌性。根據(jù)模具的種類和具體工作條件不同選用不同含碳量的碳素工具鋼;對耐磨性要求較高、不受或受沖擊較小的模具可選用T13A、T12A對受較大沖擊的模具則應(yīng)選擇T7A，T8A而對耐磨性和韌性均有一定要求的模具如冷鐓模向選擇T10A。

碳素工具鋼的預(yù)熱處理一般為球化退火其目的是降低硬度改善切削加工性能為淬火做組織準(zhǔn)備;若鍛造組織中存在網(wǎng)狀滲碳體則應(yīng)在球化退火之前進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體。最終熱處理為淬火+低溫回火（回火溫度一般為180~200°C)正常組織為回火馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體。

碳素工具鋼主要優(yōu)點是加工性能好、成本低缺點是淬透性低、耐磨性欠佳、淬火變形大、使用壽命低，故一般只適合制造尺寸小、形狀簡單、精度低的輕負(fù)荷模具。

2.2低合金工具鋼

低合金工具鋼應(yīng)用研究較廣泛的鋼號有9Mn2V、9SiCr、CrWMn和滾動軸承鋼GCr15。與碳素工具鋼相比低合金工具鋼具有較高的淬透性、較好的回火穩(wěn)定性、較好的耐磨性和較小的淬火變形綜合力學(xué)性能較好。常用于制造尺寸較大、形狀較復(fù)雜、精度較高的低中負(fù)荷模具。低合金工具鋼的缺點是網(wǎng)狀碳化物傾向較大其韌性不足而可能導(dǎo)致模具的崩刃或折斷等早期失效。常用低合金冷作模具鋼的牌號、熱處理、性能和用途見表2所示。

表2常用冷作模具鋼的牌號、熱處理、性能和用途

2.3高鉻和中鉻冷作模具鋼

這是一種專用的冷作模具鋼，具有更高的淬透性、耐磨性和承載強度，且淬火變形小廣泛用于尺寸大、形狀復(fù)雜、精度高的重載冷作模具。

高鉻模具鋼Cr12型常用的有3個牌號：Cr12、Cr12MoV和Cr12MolV1(代號D2)。Cr12鋼的含碳量高達(dá)2.0%~2.3%。它具有優(yōu)良的淬透性和耐磨性，但韌性較差，多用于小動載條件又要求高耐磨或形狀簡單的拉伸模和沖裁模，在正確設(shè)計的情況下可以沖壓厚度小于6mm的鋼板，但應(yīng)用在逐步減少。Cr12MoV和Cr12Mo1V1的含碳量降至1.45%~1.7%和1.4%~1.6%。它們有相似的性能和較好的淬透性，在保持Cr12鋼優(yōu)點的基礎(chǔ)上，其韌性得以改善，經(jīng)高溫淬火和高溫回火后還具有一定的熱硬性，在用于對韌性不足而易于開裂、崩刃的模具上，已取代Cr12鋼;和Cr12MoV鋼相比，Cr12Mo1V1（D2鋼）的碳化物偏析較Cr12MoV略有改善強度與韌性稍有提高，D2鋼制作的模具其使用壽命亦有不同程度的提高。

Cr12型鋼也是一種萊氏體鋼，其鍛造與預(yù)備熱處理方式與高速鋼相似，退火后的硬度低于255HBW。其淬火工藝及用途見表2。淬火回火后的組織為回火馬氏體+顆粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。圖1為用Cr12MoV鋼制造的沖裁模淬火回火工藝。

中鉻模具鋼是針對Cr12型高鉻模具鋼中碳化物多而粗大，且分布不均勻的缺點發(fā)展起來的鋼種。典型的牌號有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5Mo1V，其中Cr4W2MoV使用較多。此類鋼的含碳量進(jìn)一步降至1.0%~1.25%突出的優(yōu)點是形成的碳化物細(xì)小且呈均勻分布狀態(tài)，韌性明顯改善，熱處理變形小、綜合力學(xué)性能較佳。可用于代替Cr12型鋼制造易崩刃、開裂與折斷的冷作模具，其壽命大幅度提高。

2.4基體鋼和低碳高速鋼類冷作模具鋼

對要求高耐磨性的模具（如某些冷擠壓的凸模）也有采用高速鋼來制造的，但往往又由于其韌性較差而早期失效。為提高它的韌性而研究發(fā)展了基體鋼，其化學(xué)成分相當(dāng)于高速鋼淬火后的基體組織成分，因而基體鋼中共晶碳化物數(shù)量少且細(xì)小均勻，韌性也相對提高了。

合理選取模具材料及實施正確的熱處理工藝是保證模具熱處理后壽命的關(guān)鍵。影響冷作模具的使用壽命是一個綜合的因素：原材料選擇的合理性、原材料內(nèi)部的冶金質(zhì)量、設(shè)計和制造工藝的合理性、使用條件和操作工人的技術(shù)水平等。但其中模具材料的選用和相應(yīng)的熱處理工藝應(yīng)是重要因素。據(jù)調(diào)查在所有的模具失效因素中，模具的材料和熱處理約占70%的比例，成為影響模具壽命的主要因素。因此在模具的整個設(shè)計制造過程中模具材料的選用和熱處理工藝是否適當(dāng)顯得尤為重要。