工模具材料分类及其应用

工模具材料分类及其应用

工模具是国民经济各部门重要的工艺装备，加工工件需要刀具，夹持工件需要夹具，检验工件尺寸精度需要量具，工件成形需要模具，机械各行业与工模具都息息相关。材料是基础，没有好的材料要想造出好的工模具是不可能的；有了好材料，没有精湛的热处理技术，同样生产不出高质量、长寿命的工模具。

（1）刀具材料

人类历史上最早使用的金属刀具应该是铜质刀具，早在公元前2700年至公元前1900年我国就出现了黄铜锥和纯铜的锥、钻、刀等。18世纪后期，随着蒸汽机等机器的出现，整体高碳钢刀具得以应用。1898年，美国的泰勒和怀特发明高速工具钢（高速钢）。1923年，德国施勒特尔发明了硬质合金。在当时的条件下，碳钢刀具的切削速度约为5m/min，高速钢刀具切削速度约为20～30m/min，并且，被加工件的表面质量和尺寸精度也得到了相应提高。

在20世纪30年代以后，非金属材料刀具出现了，德国德古萨公司取得了关于陶瓷刀具的专利。1957年，美国GE公司压出立方氮化硼（CBN）单晶粉。人造金刚石（PCD）的研究始于1940年，1954年美国正式宣告研制成功。这些材料发展很快，以后相继研制、生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼（PCBN）刀片。我国于20世纪60年代，研制成功了单晶CBN、PCBN和PCD。由于这类刀具材料具有超常硬度，所以可以加工包括淬硬钢、硬质合金等难加工材料，使刀具实现了切削速度在500m/min以上的高速切削。

刀具材料的发展对促进国民经济的发展发挥着不可估量的作用。在已过去的20世纪里，由于刀具材料的不断进步，使刀具的切削效率提高了150多倍。

目前市售的刀具材料主要是高速钢和硬质合金。国内市场上，高速钢刀具产值占据总量的60%左右，硬质合金刀具产值大约占总量35%；在美国、德国和日本等工业发达国家，硬质合金刀具要占70%左右。展望未来，刀具材料无疑是硬质合金的天下。

（2）量具材料

GB/T 1299—2014《工模具钢》中列出6种量具刃具用钢。量具没有专门用钢，根据情况，可用渗碳钢、碳素工具钢、低合金工具钢、轴承钢、弹簧钢及高碳铬不锈钢，甚至用高速钢、硬质合金等。

量具是机械制造中检验制品的工具，在选择量具用钢和热处理工艺时，首先要考虑量具的耐磨性、尺寸稳定性和可加工性，其次要注意钢的耐蚀性和热处理工艺性等。

1）耐磨性。量具的工作面必须有很高的耐磨性才能在长期的使用过程中始终保持很高的精度。一般希望金相组织是在马氏体基体上分布着均匀细小的碳化物或合金渗碳体。

2）尺寸稳定性。量具在使用和存放过程中应保持最小的尺寸变化，因此应使组织中残留奥氏体越少越好，应力越小越好。

3）工艺性。良好的工艺性可以保证高的生产率，减少或避免发生磨削烧伤和磨削裂纹，同时在精研时可以得到理想的表面精糙度。

4）耐蚀性。因为量具在大气中保存，而且在使用过程中又经常要与手汗接触，所以要求具有较高的耐蚀性。因此，量具除选用不锈钢制造外，同时又采用镀铬等防腐处理。

5）热处理的变形性。对于形状复杂，加工余量小或热处理后直接研磨的量具，常选用热处理变形小的钢种，也可以采取等温淬火或分级淬火，尽量减少热处理变形。

6）淬透性。尺寸较大或较厚的量具，应选用淬透性高的钢件，以保证获得均匀一致的高硬度。

7）对冶金质量的要求。由于量具工作面要求有较高的精度和较低的表面粗糙度值，所以当钢中的非金属夹杂物、碳化物偏析等缺陷暴露在有表面粗糙度要求的表面时，就会给淬火后的研磨带来困难，并造成量具在使用中生锈。此外，非金属夹杂物还可能产生区域性的残余应力分布、碳化物偏析、带状组织等，从而导致物理性能和力学性能的各向异性，在热处理时就容易引起不均匀的变形。严重的碳化物偏析和带状组织也会造成难以清除的残留奥氏体的不均匀分布，影响尺寸的稳定性。因此，量具用钢对退火组织、残余碳化物网、非金属夹杂物都有一定的技术要求。

对于要求高精度、高耐磨性、尺寸稳定、淬火变形小、硬度均匀及尺寸较大的量具，常采用Cr、W、Mn等元素的低合金工具钢或轴承钢，如GCr9、GCr15、GCr15SiMn、CrMn、CrWMn、9Mn2V等。对于量具零件，可选用T10、T10A等碳素工具钢，也可以用渗碳钢或渗氮钢。对于要求高硬度、高耐蚀性的零件，可能90Cr18MoV和40Cr13等不锈钢进行渗氮。对要求中等硬度及一定强度及韧性的量具零件，可采用45、65等优质碳素钢，弹性零件则采用65Mn弹簧钢。

上述各项性能要求，应根据量具的不同特点和精度等级予以综合考虑。此外，还要酌情考虑钢的过热敏感性、强度、韧性及热膨胀系数等情况，以便合理选择量具材料和制订热处理工艺。

（3）夹具材料

机床及工程上所用的各种夹具，对硬度、强度、韧性、弹性均有严格的要求。所用材料主要有9SiCr、65Mn、GCr15、60Si2MnA等。

（4）模具材料

模具是国民经济各部门重要的工艺装备。模具成形具有效率高、质量好、节约原材料、降低成本等许多优点。据统计，飞机、坦克、汽车、拖拉机、电机电器、仪器仪表等产品的60%以上的零件，自行车、洗衣机、电冰箱、电风扇、空调、照相机等产品的85%以上的零件，都要用模具生产。没有模具就没有现代化的工业发展，世界各国都非常重视模具工业。

影响模具使用寿命的因素有：设计结构、成形及制造工艺、模具材料的选用、热处理工艺及表面强化、润滑及使用维护等。在模具失效诸多的因素中，由于模具用材不当和热处理过失而引起的失效约占70%。由此可见，正确地选材与制订合理的热处理工艺对提高模具的寿命非常重要。

模具材料分类方法有多种，大多数人习惯上将其分为四大类：热作模具材料、冷作模具材料、塑料模具材料、玻璃模具材料，有些模具材料可以制作多种类型的模具。

1）热作模具材料。GB/T 1299—2014《工模具钢》列出了22个热作模具用钢牌号，5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V是传统的三大热模具用钢。5CrMnMo适用于制作中小型锻模，5CrNiMo主要用于制作大中型锻模，3Cr2W8V广泛地用于制作各种金属的热挤压模和铜、铝合金的压铸模。这种钢的热稳定性高，使用温度达650℃，但W系热作模具钢的热导率低，抗冷热疲劳性差。在20世纪80年代初引进的H13(4Cr5MoSiV1)，有良好的冷热疲劳性，在使用温度低于600℃时，可代替3Cr2W8V钢，模具寿命有了大幅度的提高，现在4Cr5MoSiV1已得到广泛的应用。 为了适应压力加工新工艺、新设备对模具钢在强韧性和热稳定性方面更高的要求，我国研制了不少的热作模具钢，如锻模用钢：5CrNiMoV、5Cr2NiMoVSi、45Cr2NiMoVSi、3Cr2NiMoWVNi；热挤压模具用钢4Cr3Mo2WVMn、4Cr3Mo2MnVNbB、3Cr3Mo3W2V、4Cr3Mo3NiVNbB、5Cr4Mo3SiMnVAl。5CrNiMo是我国使用最广的热锻模具钢之一，但在使用中发现5CrNiMo的淬透性不能满足大锤锻模的需要，截面尺寸大于300mm时，心部硬度已不能达到要求，5CrNiMo是国外广泛使用的锻模用钢，此钢的Cr、Ni、Mo含量均高于国产的5CrNiMo，并含有少量的V，在400mm×400mm截面上可以完全淬透。

5Cr2NiMoVSi与5CrNiMo相比，C的质量分数由0.50%～0.60%降为0.46%～0.53%，但提高了Cr、Mo的含量，并加了适量的V和Si。因此，其淬透性有了很大的提高，经过调质后，能使500mm×500mm的截面上取得表里一致的硬度值。在回火时，由于析出了M2C、MC型碳化物，使钢有二次硬化效应，其热稳定性比5CrNiMo高出150℃以上。45Cr2NiMoVSi中C和Si稍有降低，适宜制作3t以上的机械压力机锻模，使用寿命比5CrNiMo提高0.5～1.5倍。3Cr2NiMoWVNi具有二次硬化效应和比较高的热稳定性，可用于制造500mm×500mm截面的热锻模。

H13(4Cr5MoSiV1)钢是国内外广泛应用的热作模具钢，在模具的使用温度不超过600℃时，有良好的冷热疲劳性能，用于制作热挤压模和铝合金压铸模，有比较高的使用寿命。但当模具的截面超过120mm时，心部韧性明显下降。3Cr3Mo3V是国外应用较广的钼系热作模具钢。我国研制的强韧性好、热稳定高的4Cr3Mo2WVMn、4Cr3Mo2MnVNbB、3Cr3Mo3W2V、4Cr3Mo3NiVNbB、5Cr4Mo3SiMnVAl等热作模具钢，都是在3Cr3Mo3V钢的基础上发展起来的。 2）冷作模具材料。GB/T

1299—2014《工模具钢》列出了19个冷作模具用钢牌号及5个轧辊用钢牌号，目前我国常用的冷作模具钢仍是以CrWMn和Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV等为主。CrWMn有适当的淬透性和耐磨性，热处理变形较小，但CrWMn锻后需较严格地控制冷速，否则易形成网状碳化物，导致模具在使用中的崩刃和开裂。Cr12类高碳高铬钢有高的耐磨性，但其碳化物偏析较严重，特别在其规格尺寸较大时，反复镦拔收效甚微，导致变形的方向性和强韧性的降低。Cr12Mo1V1虽做不少改进，但并没有实质性的改观。高速钢有更高的耐磨性和强度，在模具生产中应用越来越多，但韧性不能满足复杂、大型和冲击载荷大的模具的需要。为了改善这类钢的强韧性，国内外开发了一系列的冷作模具钢。我们国内的就有6CrNiMnSiMoV、7CrSiMnMoV、6CrWMoV、6Cr4W3Mo2VNb、6W8Cr4VTi、6Cr5Mo3W2VSiTi、7Cr7Mo2V2Si、Cr8MoWV3Si、9Cr6W3Mo2V2等。

6CrNiMnSiMoV淬火变形小于CrWMn，用于制作易于崩刃断裂的冲模较好。

7CrSiMnMoV是火焰淬火钢，淬火时应加热模具刃口切料面，淬火前模具一般经180～200℃×1～1.5h预热，再用喷枪加热至900～1000℃。淬火后硬度一般在60HRC以上，淬硬层深度＞1.5mm，变形量只有0.02%～0.05%，硬化层下又有一个高韧性的基体作为衬垫，在工作过程中刃口不易发生开裂、崩刃现象，表面还有一定的压应力，从而使模具获得较高的使用寿命。

6CrWMoV是一种高韧性、耐冲击的冷作模具钢，经900℃淬火和200℃回火后有高的强韧性，特别是冲击韧性高，主要用于制作耐冲击的剪切、冲压、冲孔等使用的模具。

6Cr4W3Mo2VNb属基体钢，韧性高，广泛用于制作冷挤压、厚板冲压、冷镦等使用的模具，特别适于难变形材料用的大型复杂模具。6Cr4W3Mo2VNb还可以用于制作钢铁材料的温热挤压模具。

6W8Cr4VTi、6Cr5Mo3W2VSiTi也是基体钢，使用情况类同于6Cr4W3Mo2VNb。

7Cr7Mo2V2Si的碳和铬含量比Cr12MoV要低得多，碳化物不均匀性显著优于Cr12MoV。7Cr7Mo2V2Si合适的淬火温度为1100～1150℃，回火温度为530～550℃。使用7Cr7Mo2V2Si制造的冲模、冷镦模等都有较高的使用寿命。

Cr8MoWV3Si是一种高耐磨冷作模具，1120℃淬火、580℃三次回火后，有最佳的二次硬化效果，主要用来制作精密、重载和高速的冲模。